自适应前馈射频功率放大器设计

迟都达到匹配, 那么这里检测到的功率将只有互调失真信
号 ve ( t) 的平均功率 P e, 而他是很小的, 换句话说, 如果检 测 到功分器 2 输出的功率足够的小, 那么此时对 Α的调节
就达到了最优, 即R F 载波信号已被最大程度的消除了, 而
保留下来的仅有互调失真信号 ve ( t)。 进入环路 2 的互调失真信号经过辅助放大器放大, 矢
关键词: 自适应; 前馈; IM D; 线性化; 中图分类号: TN 821 文献标识码: B 文章编号: 1004 373X (2004) 17 011 03
D es ign of Adapt ive Feedforward L inear Power Am pl if ier
LU O Yux ia, J IA J ianhua
度和相位, 那么, 调节的依据是什么?
从数学上讲, 自适应的过程就是调节 g 和 Ω以达到优
化
vd
( t,
g,
Ω)
的目的。为此,
就要寻找优化的方向5v d 5g
,
5vd 及 5Ω
步长
Ν。易知,
梯度的方向5v d 5g
,
5v d 5Ω
是函数
v
d
(
t,
g
,
Ω)
增长最
快的方向, 而 vd ( t, g , Ω) 增大则意味着两路信号的振幅, 相
( D ep artm en t of E lectron ics and Info rm ation In stitu te, TongjiU n iversity, Shanghai, 200092, Ch ina)
Abstract: W hen design ing a h igh pow er am p lifier (H PA ) , w e u sua lly adop t a feedfo rw a rd m ethod to im p rove the linea rity of band w id th signa l1 A n adap tive feedfo rw a rd linea riza tion m ethod u sing an envelop e m ea su rem en t to ad ju st the ou t of band signa l is p ropo sed and sim u la ted in th is p ap er1 A t the sam e tim e, w e p resen t the sim u la tion resu lts to verify the p erfo rm ance im p rovem en t of th is techn ique1 B y com p a ring the resu lts, w e can ea sily d raw a conclu sion tha t th is new m ethod can enhance the p erfo rm ance of IM D rem a rkab ly1
络差值信号, 将此包络差值信号作用于矢量调制器 2, 即
不断调节 Β, 最终使带外互调失真信号减至最小, 这时就
会获得高线性度的输出信号。
312 计算机仿真
应用一个峰值功率为 180 W 的 LDM O S 场效应晶体
管在计算机仿真系统上设计了一个 25 W 的功率放大器,
并对其输入两个频率间隔为 1 M H z 的载波信号, 用以产
入的 R F 信号, 即 2 个纯净的载波信号, 经功分器后被分 成两支路信号: 上分支路为主功率放大器支路, 纯净的 R F 载波信号经过该支路后产生放大后的载波信号和互调失 真信号; 下分支路为附支路, 纯净的 R F 载波信号经过该 支路后被延时, 主功率放大器支路输出的非线性失真信号 经衰减器 1 和相移器 1 后, 与附支路输出的信号在合成器 1 中合成, 调节衰减器 1 和相移器 1 使两支路信号获得相 等的振幅, 180°相位差以及相等的延迟。这时, 就能有效 地抵消主功率放大器支路的 R F 载波信号, 而提取出由于 主放大器非线性放大所产生的互调失真信号。因此, 这一 环路又称为 R F 载波信号消除环路。
之差∃d = dm - dm - 1 来调节衰减和相移:
gm = gm- 1 - ∃d × Ν
(5)
Ωm = Ωm - 1 - ∃d × Ν
(6)
适当地调整衰减和相移便可以使 ∃d 减小, 从而产生
更佳的 R F 载波抵消效果。 在具体的实现结构上, 在合成器 1 后面又添加了功分
器 2, 其目的是对信号 v d ( t, g , Ω) 进行功率检测, 很明显, 如 果调节 Α使得合成器 1 两输入信号的幅度, 相位以及延
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罗渝霞等: 自适应前馈射频功率放大器设计
器 2 和相移器 2, 直到耦合器 2 输出的信号中互调失真信 号最小, 也就是 IM D 最小, 则此时输出的信号就是放大 的、 线性的射频信号。
图 2 自适应前馈系统基本原理
他由 3 个环路构成: 环路 1 主要用于提取互调失真信
号, 环路 2 主要用于消除失真信号, 而环路 3 则主要用于
检测互调失真信号功率。
设 输入信号为 v in ( t) , 经主放大器后的输出信号为 vpa ( t) , 将 vpa ( t) 耦合一部分到矢量调制器 1, 用复系数 Α代表
矢量调制器 1 的调制系数, 同时, 将主放大器简化为一个无记
忆的非线性模型, 则其AM AM 及AM PM 传递函数就可以
简 单的用复电压增益G (x ) 来表示[3], 其中 x 代表瞬时功率,
那么从矢量合成器 1 输出的信号 vΑ( t) 就可以表示为:
v Α( t) = Αv in ( t) G Αv in ( t) 2
图 3 未采用自适应前馈技术时系统输出信号的情况
图 4 采用自适应前馈技术后系统输出信号的情况
4 结 语 本文采用自适应前馈技术并结合包络检测技术来设
工控新技术
计射频功率放大器。由于该项技术考虑到实际中可能遇到 的问题, 从而对复杂问题进行简化, 不仅从理论上, 而且 从实践上证实了他的可实现性。
《现代电子技术》2004 年第 17 期总第 184 期
工控新技术
自适应前馈射频功率放大Байду номын сангаас设计
罗渝霞, 贾建华
(同济大学 电子与信息工程学院 上海 200092)
摘 要: 在高功率射频放大器设计时, 通常采用前馈技术来改善宽带信号的线性度。本文基于普通的前馈系统, 提出 了一种新的自适应前馈线性化技术, 并结合信号包络检测技术进行带外信号调节。同时, 还利用该技术在计算机仿真系统 上设计了一个射频功率放大器的功放输出级, 通过对仿真结果的比较, 发现他能显著改善 IM D 性能。
位差以及延迟未达到匹配的程度加大, 反之则意味着两路
信 号的振幅, 相位差以及延迟更加趋向于匹配。而在实际
应用中,
无法获得5v d 5g
和 5v d 5Ω
的值,
因此,
就必须对问题进行
简化:
用 ∃d
来代替5v d 5g
和55vΩd ,
并对 vd ( t, g , Ω)
进行采样,
分
别得到第 m - 1 次及第 m 次的信号 dm , dm - 1, 据两次信号
(1)
另一方面, vΑ( t) 中既包含了对输入信号的线性放大 成分 c0Αv in ( t) , 又包含了对输入信号的非线性放大成分, 即 互调失真信号 ve ( t) , 即:
v Α( t) = c0Αv in ( t) + ve ( t)
(2)
显然复系数 Α也是幅度 g 和相位 Ω的函数, 即:
普通的前馈线性化技术, 而后在此基础上进行改进, 添加 了自适应算法, 并通过信号包络检测技术提取出带外信号 进行调节[1], 从而达到改善输出信号线性度的目的。 2 前馈基本原理
最基本的前馈放大器原理如图 1 所示[2]。 他由 2 个环路组成: 环路 1 由功分器、主放大器、耦 合器 1、衰减器 1、相移器 1、延时线 1、合成器 1 组成。输
Keywords: au tom a tic adap ta tion; feedfo rw a rd; IM D; linea rizer
1 引 言
现代无线通信的迅猛发展日益朝着增大信息容量, 提 高信道的频谱利用率以及提高线性度的方向发展。 一方 面, 人们广泛采用工作于甲乙类状态的大功率微波晶体管 来提高传输功率和利用效率; 另一方面, 无源器件及有源 器件的引入, 多载波配置技术的采用等, 都将导致输出信 号的互调失真。因此, 在设计射频功率放大器时, 必须对 其进行线性化处理, 以便使输出信号获得较好的线性度。 一般常用的线性化技术包括: 功率回退、预失真、前馈等, 其中, 功率回退技术能有效的改善窄带信号的线性度, 而 预失真技术和前馈技术, 特别是前馈技术, 由于其具有高 校准精度, 高稳定度以及不受带宽限制等优点, 成为了改 善宽带信号线性度时所采用的主要技术。本文首先简述了
即经过延时线 3 及功分器 4 的 R F 载波信号, 另一路是非
线性信号, 即经前馈系统环路 1 和环路 2 后由合成器 2 输
出的信号。首先, 环路对两路信号的合成信号进行功率检
测, 并调节矢量调制器 3, 直到检测到的功率最小, 这时,
就可以认为线性信号与非线性信号具有了相同的载波输
出功率。而后, 再对两路信号分别进行包络检测, 提取包
3 自适应前馈射频功率放大器
311 自适应前馈电路的原理及算法 由于在前馈系统中对载波信号的抵消要求很高, 内外
界环境的变化, 诸如: 输入信号功率, 直流偏置电压以及 环境温度的变化, 都容易造成载波信号抵消失灵。因此, 引 入自适应技术, 以便能及时获得载波信号在振幅, 相位以 及延时上的匹配, 就变得非常有必要了。自适应前馈系统 的结构如图 2 所示。
收稿日期: 2004 04 20
图 1 前馈放大器基本原理
环路 2, 也叫失真信号消除环路, 由延时线 2、辅助放 大器、衰减器 2、相移器 2、耦合器 2 组成。同样也有两条 分支支路: 上分支路将主放大器输出的非线性失真信号延 时后送入耦合器 2; 下分支路将环路 1 提取出的互调失真 信号进行放大, 衰减, 相移后也送入耦合器 2, 调节衰减
量调制器 2 (其调制系数为复系数 Β) 调节后, 与经过延时
线 2 的主放大器输出信号在合成器 2 中合成。该环路对互
调失真信号的振幅及相位调节同样也采用自适应技术, 其
数学原理如上所述, 但在实现的结构上, 却与环路 1 不同,
环路 1 是通过直接检测合成器 1 的输出信号来判定R F 载
波信号是否被抵消到最小值, 而环路 2 在判定互调失真信
生三阶及五阶互调失真信号。图 3 为在未采用自适应前馈
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《现代电子技术》2004 年第 17 期总第 184 期 技术时信号的输出情况。此时 IM D 3 只能达到- 55 dBc 左 右, IM D 5 只能达到- 56 dBc 左右, 而图 4 则是采用该项 技术后信号的输出情况。 此时 IM D 3 可达到- 72 dBc 左 右, IM D 5 可达到- 76 dBc 左右, 其改善程度显而易见。
号是否被抵消到最小值时, 却需要引入第三个环路。
我们知道, 对于相同功率的输出信号, 线性信号的包
络要大于非线性信号的包络, 而二者的包络差值信号就是
互调失真信号, 最大限度减小其包络差值信号, 就能最大
程度地改善输出信号的线性度, 从而减小 IM D。环路 3 的
工作原理正在于此。 他处理的两路信号一路是线性信号,
v Α( t) = v Α( t, g , Ω)
(3)
该信号与经延时线 1 后得到的信号 v in1 ( t) 在合成器 1 中合成, 可得到差值信号:
v d ( t, g , Ω) = v Α( t, g , Ω) + v in1 ( t)
(4)
这样, 调节 Α就是调节合成器 1 两输入信号的相对幅