前馈功放线性化技术的研究

3 仿真实现
应用 AN SO FT DES IGNER,分别采用传统前馈法和 过补偿前馈法进行仿真。两系统均要求输出 1W 功率 ,过 补偿前馈系统仿真模型如图 3所示。两系统中的主放大 器均采用 R FRMD 公司的 R F2126模型 ,误差放大器使用 Agilent公司的 ABA - 53563低噪声放大器模型 ,增益相 位的调整通过改变移相器的相移量和衰减器的衰减量来 完成。除移相器、衰减器和延迟线采用理想器件外 ,其他 器件的参数均为厂家元器件具体的实测参数 。输入双音 信号 ,大小为 9dBm ,频率分别为 1. 81GHz和 1. 82GHz;传 统前馈系统输出三阶交调失真产物分别为 - 35. 89dB c 和 - 36. 16dBc;过补偿前馈系统所获得的三阶交调产物 分别是 - 46. 13dB c和 - 45. 67dB c。这说明 ,使用过补偿
只要 GA1 足够大 ,在计算整个系统效率时 , A3的功率损耗可以不计 。因此 ,仅考虑 A1, A2的功率损耗 。
如果
η 1
为
A1的效率
, 对于传统前馈法和过补偿两种方法
,
A1直流功率损耗分别为
Pdc1FF
= LZ
P
×η1
(1a)
Pdc1OCFF
=
P
η
1
(1b)
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元器件的改变 ,使前馈系统的性能明显地降低 。并且 ,由于功率放大器的非线性工作及幅频 、相频响应的不
规则 ,当输入信号条件变化时 ,需要重新调整系统 ,降低了前馈线性化技术的实用性 。解决的方法是引入自
适应技术 [5 ] ,自动控制各抑制环路的幅度 、相位匹配 , 适应环境温度及输入信号条件的变化 , 并减小因器
术难度和复杂度 ,导致成本较高 。 ②因为使用同轴电缆或微带线作延迟线 ,因而整个电路尺寸较大 。 ③前
馈线性功放作为一个大功率部件 ,在具体设计时 ,需十分重视效率 。在满足线性的要求下 ,效率是功放中
最根本的一项指标 。不仅是系统散热和能耗问题 ,更重要的是功放本身的效能利用问题 ,进而是成本的问
1 前馈功放原理
传统前馈功放法 (即 Feed - Forward简称 FF法 [2 ] )的原理示于图 1。它由两个环路构成 。第一环路
图 1 传统前馈法原理图 用于载波信号的抵消 ,交调信号的提取 ,因而称为载波抵消环 。第二环路用于交调信号的抵消 ,称为交调抵 消环 [3 ] 。在第一环路 ,输入双频信号 ,经耦合器 C3分成 A、B 两路信号 , A 路信号通过主功率放大器进行放
第二种情况是 ,耦合器 H输出的交调失真分量比主波分量要大时 (通常 A2为 AB 类放大器 ) ,对传统
前馈系统 ,在 A2输出端传输的功率由 P (δ/C2 ) 给出 ,其中 δ是线性化之前失真信号与载波功率之比 。对于 过补偿前馈系统 , A2输出端的功率是 ( P /GA1 ) (δ/C2 ) Of; Of 是补偿因子 (大于 1) , 它说明需要额外的信号 补偿 。和情况一讨论的类似 ,过补偿前馈系统和传统前馈系统的效率比如下 :
件老化的影响 。目前 ,传统前馈法引入自适应技术的报道较多 , 但对于过补偿前馈法加入自适应技术方面
的问题 ,还有待于进一步研究 。
参考文献
1 赵洪新. 陈忆元. 洪 伟. 一种基带预失真 RF功率放大器线性化技术的模型仿真与实验. 通信学报 , 2000, 21 (5) , 2 Somnath M ukherjee, Ralph Inducta. Evaluate the Performance of A mp lifying PredistortersM icrowave&RF 2004. 1 84～90 3 Ghannouychi F M , Beauregard F. Op timal Feedforward L inearization System Design. M icrowave Journal. 1995, 38 (11) : 78～
设传统前馈系统和过补偿前馈系统的效率分别为
η FF
和
η OCFF
,
由
(1a)
,
(1b)
,
(2a)
,
(2b)
式可得 :
η OCFF η FF
=1 LZ
1 η
+η1
×s ×GA2
×1 1
η 1
2
+η1 2
×s
LZ
×GA2 ×GA1
(3a)
由于 LZ GA1 > 1以及 LZ > 1,所以 ,过补偿前馈系统的效率总大于传统前馈系统的效率 。
Pdc2FF
= P ×s
Pdc2OCFF
=
P ×s ×GA2 GA1 ×LZ
×η1 2
(2a)
可以知道 ,要使放大信号具有较大的峰与平均比 , A2很可能是 A 类放大器 。因而 , 虽然传统前馈法中放大
器比过补偿前馈法中放大器有更多的输出功率 ,但两者效率是相同的 。
真信号送到功率级的输入端 , 而不是它的输出端 , 因
而 ,它的传输功率比传统前馈系统中误差放大器的传 输功率要低 ,也可以降低成本 。③由于延迟线不在输出
图 5 OCFF法 A1 输出功率
端 ,因此第二环中的延迟线不要求低损耗 ,所以可以用普通 、价格低廉的延迟线 , 比如集总元件的延迟线 。
因为它消除了在传统前馈方法中输出端延迟线和耦合器造成的损失 , 同时提高了整个系统的效率 。同时 ,
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大
,其输出信号再经过耦合器
C1耦合一部分功率送入混合耦合器
H
,
B
路信号经延迟线
τ 1
送入耦合器
H ,通
过调整 A路中信号的幅度 、相位和 B 路延迟 ,使进入混合耦合器 H 的两路主信号幅度相等 ,相位相反而抵
消 ,得到的信号称为误差信号 。在理论上 ,误差信号中不包含原始双频信号 ,基本上由主放大器产生的交调
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遥 测 遥 控
2005年 1月
前馈功放线性化技术的研究
张玉霞 1 张洪立 2 肖军鹏 2 许家栋 1
(1. 西北工业大学电子信息学院 西安 710072 2. 北京遥测技术研究所 北京 100076)
文 摘 将前馈功放线性化的过补偿方法与传统方法相比 ,过补偿前馈方法不但缩小了电路的尺寸 ,降低了成本 , 而且提高了整个功放系统的效率 ,是一种较具吸引力的方法 。仿真结果表明 ,它对三阶交调失真的抑制也比传统方法提 高 9dB以上 。
前馈法 ,其三阶交调失真的抑制量比传统前馈法高 9dB 以上 (结果如图 4和 5所示 ) 。
·61·
4 结 论
从以上分析可以看出 , 过补偿前馈方法在下列三
方面优于传统前馈方法 : ①在主功放的输出端没有延
迟线和耦合器的引入 , 从而消除了输出端主信号由于
延迟线和耦合器引起的损耗 。②由于误差放大器将失
题 。就影响效率而言 ,主功放差别不会很大 ,关键是线性化技术的水平 。除受前馈功放的整体架构 (如延
迟线的选取等 )影响外 ,载波抵消环的抵消程度对效率也有很大的影响 。而采用预失真技术 ,在提高效率
的同时 ,还能降低成本 。因此通常把预失真技术与前馈相结合 ,以弥补传统前馈的不足 。
将预失真法和前馈法相结合的前馈功放电路原理示于图 2。它也由载波抵消环和交调抵消环构成 。
η OCFF η FF
=1 LZ
1 η
+η1
×δ/ C2
× 1
η 1
1
+η1 2
2
δ ×
C2
×O f ×GA
1
(3)
对于实际应用 , GA1 > Of ,如同第一种情况 , 过补偿前馈
法的效率总大于传统前馈系统的效率 。
从上面的分析可知 , 用过补偿前馈法可获得较高 的效率 。这是很明显的 , 它消除了主路延迟线的损耗 , 并且使用了增益较小的误差放大器 。
干扰信号组成 。第二环路 ,主功率放大器输出信号 ,经耦合器
C1
和延迟线
τ 2
后送入耦合器
C2,环路
1中由
耦合器 H输出的误差信号经过幅度相位调整 ,再通过误差放大器进行放大后送入耦合器 C2,耦合器 C2中两
路信号的交调分量因幅度相同 ,相位相反而抵消 ,使得总输出信号中交调分量得到抑制。
然而 ,传统前馈法也存在下列三方面问题 [4 ] : ①由于交调抵消环中使用了误差放大器 ,因而增加了技
在众多的功放线性化方法中 ,适合宽带应用的是预失真法和前馈法 [1 ] 。预失真方法实现方案较为简 单 ,但在实际应用中 ,对失真特性的描述总是近似完成的 ,对线性的改善相对较小 。前馈法可以在宽带内 有效抑制非线性失真产物 ,线性化程度较高 ,是较具吸引力的方法之一 。然而 ,实际应用中 ,由于前馈系统 电路结构复杂 ,对所使用的器件提出较高要求 ,而且 ,需要在功放的输出端插入延迟线 、功分器等器件 ,存 在着较大的功率损耗 ,制约系统性能 。因此 ,在提高功放线性度的同时 ,优化电路结构 、提高系统效率 、降 低成本也是功放线性化技术的重要方面 。本文提出一种改进的前馈功放线性化方法 ,并将该方法与传统 前馈方法进行对比分析 ,进行了仿真测试 ,得到了满意的仿真结果 。对实际电路的设计也进行了初步的探 讨。
率的影响 。假设传统前馈功放和过补偿前馈功放的输出功率均为 P,其他各参数表示如下 :
GA1 , GA2 和 GA3 分别为 A1, A2, A3的增益 ;
C1 , C2 和 C3 分别为耦合器 C1, C2和 C3的耦合因子 ;
LZ 为主路的损耗 ,由 LZ = ( 1 - C1 ) L2 ( 1 - C2 ) 给出 。这里 , L2 是主路延迟线的损耗 。
仿真结果表明 ,这种线性化方法与传统前馈法在对三阶交调的抑制方面也具有一定的可比性 。
然而 ,无论是传统前馈法还是过补偿前馈法 ,在实际应用中 ,会存在下列问题 :由于没有内在的反馈电
路 ,一个基本的前馈系统无法监测由于温度变化及老化作用对性能的影响 , 并对之进行校正 。则最初的幅
度及相位匹配会有所漂移 ,并降低了系统的性能 。在手动调节的前馈系统中 , 由于环境作用和老化会引起
收稿日期 : 2004206202 收修改稿日期 : 2004208223 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
第 26卷第 1期
compensation Feed - Fo rward简称 OCFF) [ 2 ] 。
图 2 过补偿前馈法原理图
2 前馈功放的效率
前馈系统在移动通信和卫星通信领域具有良好的应用前景 。在这些应用中 ,为延长电池使用时间 ,优
化整个功率放大系统的效率非常重要 。因此 ,有必要分析这两种前馈系统的总体效率及各部件对总体效
图 3 OCFF功放系统仿真模型 图 4 FF法 A1 的输出功率
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前馈功放线性化技术的研究
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遥 测 遥 控
2005年 1月
计算 A2的直流消耗功率 ,需要考虑两种不同情况 。第一种情况是 ,混合耦合器 H的输出端的失真分量幅度
比主波产生的失真分量小很多时 (通常 A2为 A类放大器 ) ,对传统前馈和过补偿前馈两种方法 ,在 A2输出
端的 R F功率电平分别是 PsGA2 /LZ 和 PsGA2 / ( GA2LZ ) ,其中 s是混合耦合器 H 输出端获得的载波抑制度 。 于是 ,传统前馈和过补偿前馈两种方法中由 A2引起的 DC功率损耗分别为
与传统前馈法不同的是 ,在第一个 (即载波抵消环 )环路引入一个预失真放大器 ,此环路抵消预失真放大
器放大的主信号 ,预失真放大器产生的交调信号通过第二环路 (即交调抵消环 )中的误差放大器放大后和
主支路部分抵消 ,再经过主放大器后进一步抵消交调失真信号 。因此 ,这种方法也叫过补偿前馈法 (Over2
主题词 前馈功放 过补偿 交调抑制 前馈功效 过补偿前馈法 线性化技术
随着移动通信 、卫星通信的发展 ,越来越紧张的无线资源对多载波通信系统的性能提出了越来越高的 要求 ,其中之一是提高功率放大器的线性度 。功率放大器非线性失真对于单频信号的输入 ,产生谐波失 真 ;对于多路信号的输入 ,除谐波外 ,还会产生互调分量 ,引起互调失真 。对幅度和相位失真要求很高的系 统 ,如微波测试设备 、雷达发射单元 、移动通信基站 、电子对抗 、卫星通信 、微波遥感等系统而言 ,这是一个 非常重要的问题 。为了尽量减少非线性失真的影响 ,就需要采用功放的线性化方法 。