微波功率放大器线性化技术

微波功率放大器线性化技术

刘海涛

京信射频技术研究部产品部

摘要：现代无线通信飞速发展，有限的频谱资源上需要承载越来越高的数据流量，4G LTE技术将达到100Mbps的传输速率。在这种情况下，无线传输系统的设计和工作将承受着巨大的压力。为了提高效率，作为系统中的核心部件——微波功率放大器一般都处于在非线性工作状态，而包络变化的调制信号经过非线性微波功率放大器后会产生互调失真，造成严重的码间干扰和邻信道干扰。为了保证通信质量，必须采用线性化技术。本文对目前常用的各种线性化进行梳理，并分析了工作原理、介绍了技术特点，为高线性高效率微波功率放大器的设计提供了重要的参考依据。

关键词：无线通信微波功率放大器线性化技术前馈预失真

1.引言

功率放大器的线性化技术研究可以追溯到上个世纪二十年代。1928在贝尔实验室工作的美国人Harold.S.Black发明了前馈和负反馈技术并应用到放大器设计中，有效地减少了放大器失真，可以认为是线性化功率放大器技术研究的开端。但那时主要是从器件本身的角度来提高功率放大器的线性度，所研究的功率放大器频率也较低。

随着通信技术的飞速发展，以下一些原因促使线性化功率放大器技术得到广泛研究并迅速发展：

1）早期的移动通信采用恒包络调制方式与单载波传输覆盖，对于功率放大器的线性要求并不高；而进入21世纪，无线通信的飞速发展和宽带通信业务的开展，通信频段变得越来越拥挤，为了在有限的频谱范围内容纳更多的通信信道，要求采用频谱利用率更高的传输技术与复杂调制模式；因此线性调制技术如QAM ( Quadrature Amplitude Modulation )、QPSK ( Quadrature Phase Shift Keying)等在现代无线通信系统中被广泛采用。但对于包络变化的线性调制技术，发射机系统会产生较大的失真分量，从而对传输信道或邻道产生不同程度的干扰，因此必须采用线性化的发射机系统。射频功率放大器是发射机系统中非线性最强的器件，特别是为了提高功率效率，射频功放基本工作在非线性状态，因此线性化功率放大器设计技术己成为线性化发射机系统的关键技术；

2）简单的功率回退技术不能满足现代系统要求：简单的功率回退技术虽然能获得较好的线性，但是由于器件本身的原因，纵使再深的回退，也无法达到很高的线性水平，满足不了系统的高线性要求，再者，功率回退技术使得电源利用率很低，一般仅为5%，会产生导致终端自主时间过短、基站热管理等一系列问题；

3）多载波调制技术的逐渐采用要求线性化的功率放大器：以OFDM ( Orthogonal Frequency Division Multiplexing)为代表的多载波调制技术具有高传输速率、不需均衡等明显优点，己为许多标准如802. 11, HDTV ( High Definition Television )、4G LTE等所采用。由

于OFDM 信号具有很高的峰值/平均功率比，功率放大器的非线性将影响到整个系统的性能；

4）多载波系统要求线性化的功率放大系统：多载波放大系统广泛应用于无线通信的基站系统中，由于多径传播和远近效应的存在，基站系统对邻道干扰的要求非常严格，这就要求采用高线性度的发射机系统，减少交调分量对相邻信道的干扰；

5）自适应天线系统的需要：发射机非线性引起的邻道干扰会影响相邻蜂窝甚至相邻波束的用户，非线性交调产物会导致波束宽带、旁瓣抑制、零位深度等一系列天线的性能指标变差；

6）动态信道分配的要求：动态信道分配技术要求发射机能工作于任何一个信道，最终要求采用宽带线性化的功率放大器；

7）新兴无线通信技术的需要：以软件无线电为代表的新兴无线通信技术，从本质上要求线性、宽频的发射机技术，因此需要高度线性化的射频功率放大器。

上世纪七八十年代微波功率放大器的线性化技术得到飞速发展，新兴了众多功放线性化功率放大器技术，如模拟预失真技术、DPD 预失真技术、自适应前馈线性化技术、EE&R (Envelope Elimination and Restoration )技术、LINC ( Linear amplification using Nonlinear Components)技术、CALLUM (Combined Analogue Locked Loop Universal Modular)技术等，无论是在无线通信还是有线通信领域，线性化功率放大器技术已成为一个广泛而活跃的研究领域。

2.微波功率放大器非线性分析

功率放大器是强非线性器件，随着输入信号的增加，功放将不再保持线性放大，输出将会逐渐产生失真，输出信号的幅度失真曲线称之为AM/AM 特性，输出信号的相位失真曲线称之为AM/PM 特性，如图1所示。

图1 幅度 相位失真

若功率放大器的输入信号为))(cos()(t t t A c θω+，则其失真特性如图2所示。

AM AM /PM

AM /))t (A (g ))

t (A (f ))t (cos()(θω+t t A c )))

(()t (cos())((t A g t t A f c ++θω

图2 功放失真特性

其中，))((t A f 表示放大器的AM/AM 特性， ))((t A g 表示放大器的AM/PM 特性。 当非恒定包络的调制信号通过非线性的功率放大器后将产生带内和带外失真，使输出信号频谱扩展，干扰邻近信道，增大通信系统误码率。

图3 失真频谱示意图

为保证功放的线性输出，对于非线性放大器必须采用线性化技术予以矫正。

3.微波功率放大器线性化技术

微波功率放大器线性化技术主要分为两类：

第一类，射频功放的输入信号是包络变化的，通过非线性功放后会产生失真分量，但可以利用某种技术来消除所产生的失真信号。比如前馈技术是先分离出失真信号，然后再从输出端减去该失真信号的一种线性化技术。另外如预失真技术或负反馈技术，是通过改变输入信号的特性来达到消除失真分量的目的。

第二类，该类技术完全避开了射频功放的非线性特性，通过某种信号变换使输入信号变成包络恒定的信号。如LINC 和CALLUM 技术是把输入信号的幅度和相位分离开，形成恒包络但相位变化的两路信号，然后通过放大器放大后再合成的技术。另一种技术 EE&R 则把输入信号分解成幅度和相位表示的形式，但只有相位信息通过非线性功放，而幅度信息则用来控制功放的供给电压，通过这种方式来达到线性化目的。

本文将对常用线性化技术进行详细介绍。

3.1前馈线性化技术

贝尔室验室的H. S.Black 就提出了减小放大器失真的两种方法前馈和负反馈后，1960 年,贝尔实验室的Seidel 和他的同事发现负反馈会造成放大器固有的群时延,它受条件稳定和抑制交调失真有限等限制,开始研究前馈在放大器中的用途。

前馈线性化系统典型系统结构（图4）由两个回路环路组成，信号对消环路（误差回路）和失真对消环路。输入初始信号在第一个回路中一分为二，主功放支路由主 PA （非线性功