前饋仿真設(shè)計(jì)

摘 要：從前饋技術(shù)的基本原理出發(fā)，針對(duì)多載波系統(tǒng)對(duì)放大器提出較高的交調(diào)抑制要求，利用MWO微波仿真軟件按照器件參數(shù)進(jìn)行了初步的前饋仿真設(shè)計(jì)，并分析了應(yīng)用中誤差放大對(duì)消不理想的主要原因，對(duì)主、輔放大器可能存在的增益相位漂移等而導(dǎo)致的誤差信號(hào)抵消失效等問題，給出了可用于實(shí)際設(shè)計(jì)的前饋框圖，對(duì)多載波情況下的設(shè)計(jì)實(shí)踐工作具有一定的幫助。
關(guān)鍵詞：前饋；失真；放大器；頻譜調(diào)制

0 引 言
隨著現(xiàn)代通訊技術(shù)的快速發(fā)展，高效率的頻譜調(diào)制技術(shù)(QPSK或QAM)需要在放大過程中也保持高線性。然而，幾乎所有的放大器都具有非線性特性，因此，采用何種技術(shù)來消除這種非線性對(duì)輸出信號(hào)帶來的不利影響，就成為線性放大器設(shè)計(jì)中需要研究的一個(gè)問題。目前，對(duì)功率放大器進(jìn)行線性化主要有功率回退、負(fù)反饋、預(yù)失真、前饋、有源偏置和具有非線性元件的線性放大器(LINC)等技術(shù)。其中，功率回退技術(shù)能夠有效改善窄帶信號(hào)的線性度，但其效率并不令人滿意；有源偏置技術(shù)和LINC技術(shù)雖然具有較高的效率，但其或?qū)Σ糠制骷岢龅妮^高要求、或因復(fù)調(diào)相信號(hào)而需要匹配良好的兩路均衡放大鏈等，都導(dǎo)致其在設(shè)計(jì)使用方面需要投入更多的精力。而預(yù)失真和前饋技術(shù)，因其具有較高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，并兼顧了一定的效率，因此成為改善寬帶信號(hào)線性度的主要技術(shù)。特別是前饋技術(shù)，在良好的設(shè)計(jì)前提下，往往能夠提供更優(yōu)良的電路性能。

1 基本原理及仿真
前饋技術(shù)由貝爾試驗(yàn)室的H.s.Black提出，早期因其本身的特點(diǎn)，如：開環(huán)電路導(dǎo)致器件特性隨時(shí)間變換不能被補(bǔ)償；在整個(gè)頻帶內(nèi)電路的轉(zhuǎn)移特性要求嚴(yán)格；前饋的實(shí)現(xiàn)需要輔助放大器，提高了成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度等問題而沒有被重視。隨著對(duì)線性化技術(shù)研究的深入，其固有的諸多潛在優(yōu)點(diǎn)也逐漸被大家所認(rèn)可。前饋技術(shù)的基本原理框圖如圖1所示，由于在前饋放大器的設(shè)計(jì)中，合適的耦合因子的選擇以及輔助放大器本身的特性漂移等對(duì)誤差信號(hào)的抵消有著極大的影響，因
此，在實(shí)際設(shè)計(jì)前，應(yīng)對(duì)電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并根據(jù)仿真結(jié)果確定是否需要增加自適應(yīng)調(diào)整電路。

仿真設(shè)計(jì)中采用一個(gè)輸出功率約80 W的LDMOS功率管作為仿真的基礎(chǔ)器件，著重仿真在一定的功率回退基礎(chǔ)上，誤差放大器的增益漂移對(duì)整個(gè)前饋電路的影響。并根據(jù)仿真結(jié)果得出在預(yù)期的交調(diào)失真抑制目標(biāo)下，該誤差放大器可以承受的增益改變。為了簡(jiǎn)化仿真過程，在仿真中忽略了功率管等器件的插入相位問題。圖2，圖3為基本的仿真電路圖及仿真結(jié)果，從結(jié)果中可以看出，在合適的耦合因子和增益下，前饋可以較好地改善交調(diào)抑制結(jié)果。

圖4 中蘭色粗實(shí)線部分為增加輔助放大器后的頻譜，紅色細(xì)線部分為未加輔助放大器的輸出頻譜。從仿真結(jié)果可以看出，前饋改善了約50 dB的交調(diào)，但在實(shí)際使用中，如此巨大的交調(diào)抑制改善基本不可實(shí)現(xiàn)，其主要原因在于誤差放大器本身的增益波動(dòng)，和實(shí)際設(shè)計(jì)中使用延遲線不能完全等效放大器的插入相位。
在誤差放大器回路中增加可調(diào)衰減器，以仿真誤差放大器的增益波動(dòng)，從圖4的仿真結(jié)果可以得知，在誤差放大器的增益波動(dòng)±0.2 dB的情況下，交調(diào)抑制結(jié)果變差了將近26 dB。同樣地，主放大器的增益波動(dòng)，也會(huì)導(dǎo)致輸入誤差放大器的信號(hào)對(duì)消不理想，甚至失效，從而影響到交調(diào)抑制的改善結(jié)果。因此，為降低對(duì)主放大器和誤差放大器的設(shè)計(jì)要求，并在一定程度上滿足目前對(duì)多載波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，可在電路中增加自適應(yīng)調(diào)整電路，其框圖可構(gòu)建成如圖5所示的電路。
圖5 框圖中增加了射頻預(yù)失真器件，能夠幫助改善環(huán)路性能，提高整個(gè)環(huán)路的效率。更進(jìn)一步的方法是：在圖5的基礎(chǔ)上，將輸入信號(hào)和輸出耦合信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)比較。

在同樣的包絡(luò)電平情況下，由于非線性失真主要表現(xiàn)在包絡(luò)幅值的壓縮等特性，通過控制兩個(gè)包絡(luò)信號(hào)的差值最小，來調(diào)整誤差放大器的增益和相位特性。

2 結(jié) 語
對(duì)前饋放大進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬仿真，在簡(jiǎn)化模型后，仿真可以確定合適的耦合因子及誤差放大器對(duì)增益起伏的要求。針對(duì)主、輔放大器可能存在的增益相位漂移等而導(dǎo)致的誤差信號(hào)抵消失效等問題，給出了可用于實(shí)際設(shè)計(jì)的前饋框圖，對(duì)多載波情況下的設(shè)計(jì)實(shí)踐工作具有一定的幫助。