射頻功率放大器的前饋線性化技術(shù)介紹

了解一種用于高功率射頻發(fā)射機的重要設計技術(shù)：前饋線性化，其工作原理是通過抵消失真信號來實現(xiàn)。

在無線通信系統(tǒng)中，功率放大器既需要具備高效率，又需要具備高線性度，這兩點至關重要。效率是關鍵因素，它有助于降低能耗、延長電池壽命以及簡化熱管理。而線性度則對于確保放大后的信號失真最小化至關重要。然而，為了最大化效率而設計的功率放大器往往存在較大的非線性失真。

目前有多種不同的功率放大器線性化技術(shù)可供選擇。放大器中的失真問題自電話通信誕生以來就一直存在，因此其中一些技術(shù)已經(jīng)存在了很長時間。例如，哈羅德·布萊克（Harold Black）分別于1928年和1937年獲得了前饋和反饋電路技術(shù)的專利。這些技術(shù)最初旨在減少中繼放大器中的失真，但此后已被用于線性化射頻功率放大器。

在本文中，我們將討論前饋線性化技術(shù)。圖1展示了前饋功率放大器（PA）系統(tǒng)的基本框圖。

圖1. 基本的前饋功率放大器拓撲結(jié)構(gòu)。圖片由Steve Arar提供。

正如我們所見，前饋結(jié)構(gòu)實際上需要兩個放大器。這種拓撲結(jié)構(gòu)通過確定主放大器引入的失真信號，并將其從系統(tǒng)的輸出中減去，從而提高整體的線性度。讓我們來探討這個電路是如何工作的。

輸入信號被分配到兩條不同的路徑。在上路徑中，輸入信號被主功率放大器放大。非線性放大器的輸出可以被視為輸入信號的線性副本和由非線性引起的誤差信號之和。因此，節(jié)點m處的電壓可以表示為：

公式1

其中：

• Av 是功率放大器的電壓增益。

• Vd 是由放大器非線性產(chǎn)生的誤差信號。

在框圖中，垂直分支將非線性功率放大器的總輸出衰減Av 倍，以產(chǎn)生節(jié)點 n 處的電壓。根據(jù)公式 1，我們有：

公式2

從 Vn中減去輸入 Vin，我們得到節(jié)點 p 處的失真信號的衰減版本：

公式3

從輸入到第一個減法器的兩條路徑形成了一個環(huán)路，該環(huán)路在節(jié)點 p 處消除了輸入信號。這被稱為信號抵消環(huán)路。接下來，節(jié)點 p 處的電壓被應用到一個增益為 Av的誤差放大器上，生成 Vq Vd的電壓。這為我們提供了失真信號Vd。最后，從 Vm 中減去 Vq 以產(chǎn)生輸出電壓：

公式4

盡管放大器是非線性的，但整體輸出是輸入信號的線性副本。前饋功率放大器系統(tǒng)的第二個環(huán)路被稱為誤差抵消環(huán)路。

誤差放大器

在第二個環(huán)路中，誤差放大器引入的任何跟蹤誤差都會未經(jīng)補償?shù)爻霈F(xiàn)在輸出端。因此，誤差放大器的失真特性決定了系統(tǒng)的整體線性度。在第一個減法器的輸出端，信號被抵消，只剩下失真分量。假設這個殘余信號很小，誤差放大器的失真程度通常比主放大器要小。然而，隨著信號幅度的增加，失真分量會迅速上升。例如，放大器中的三階失真會產(chǎn)生與輸入信號幅度立方成正比的失真分量。正因為如此，盡管通常主放大器決定了整個系統(tǒng)的功率等級，但誤差放大器的功率能力也是重要的設計考慮因素。它受到多個參數(shù)的影響，包括：

• 從輸入端到第一個減法器的信號路徑中的衰減。

• 主放大器的幅度-相位失真（AM-PM失真）。

關于前饋功率放大器設計的這一方面的更多信息，請參考Steve Cripps撰寫的《無線通信中的射頻功率放大器》。誤差放大器還應提供足夠的輸出功率以克服輸出合成器的損耗。通常，這需要將誤差放大器的尺寸設計得與主功率放大器相當，這可能會增加系統(tǒng)的成本并降低其效率。

增益和相位匹配是強制性的

讓我們回到圖1。為了使我們之前的電路分析有效，通往減法器的路徑必須具有完美的相位匹配，其相關組件必須具有完美的增益匹配。例如，如果從輸入端到第一個減法器的兩條路徑表現(xiàn)出不同的延遲，則無法進行信號抵消。需要在頻率、溫度和時間上實現(xiàn)精確的增益和相位跟蹤。此外，放大器會引入信號路徑的延遲。因此，我們需要加入兩個延遲塊來平衡相應路徑的延遲。這在圖2中進行了說明。

圖2. 在圖1的電路中加入延遲元件。圖片由Steve Arar提供。

在上述圖中，延遲塊 τ${}_1$ 補償了主放大器和衰減器引起的相位偏移。同樣，延遲塊 τ${}_2$ 補償了誤差放大器引入的相位偏移。延遲塊可以通過無源集中元件網(wǎng)絡或傳輸線構(gòu)建。然而，需要注意的是，這些延遲塊會導致功率損耗并降低放大器的效率。設計寬帶延遲塊也是一項相當大的挑戰(zhàn)。

實際實現(xiàn)

圖3展示了一種更實用的前饋功率放大器實現(xiàn)方式。

圖3. 一種實用的前饋功率放大器的框圖。圖片（經(jīng)過修改）由William F. Egan提供。

在此圖中，定向耦合器被戰(zhàn)略性地用于在電路的關鍵節(jié)點采樣和路由信號。系數(shù) c${}_n$ 和c${}_n^{\prime }$ 分別代表每個耦合器的耦合因子和主線增益。與我們之前分析的電路不同，這種結(jié)構(gòu)在信號抵消環(huán)路中沒有一個明確的衰減器模塊。相反，衰減是由環(huán)路內(nèi)的定向耦合器產(chǎn)生的。

帶有矢量調(diào)制器的前饋功率放大器系統(tǒng)

圖4展示了一種前饋功率放大器系統(tǒng)的另一種變體。在這個電路中，兩個矢量調(diào)制器（VM）分別放置在主放大器（MA）和誤差放大器（EA）之前。

圖4. 使用矢量調(diào)制器的前饋功率放大器。圖片由Richard N. Braithwaite提供。

矢量調(diào)制器是一種能夠控制射頻信號的幅度和相位的設備。它將信號分解為兩個分量，分別稱為同相分量和正交分量，這兩個分量之間相位相差90度。通過調(diào)整這些分量，圖4中的矢量調(diào)制器匹配了環(huán)路的增益和相位。

自適應前饋系統(tǒng)

自適應前饋功率放大器會監(jiān)測系統(tǒng)的線性性能，并相應地調(diào)整環(huán)路參數(shù)。圖5展示了自適應前饋功率放大器的簡化框圖。

圖5. 一種采用導頻輔助的前饋功率放大器的框圖。圖片由Richard N. Braithwaite提供。

在這個例子中，導頻信號在主放大器之前被引入。導頻信號被前饋電路視為一種不需要的失真。理想情況下，它不應該出現(xiàn)在最終輸出中。這為我們提供了一種評估放大器線性性能的方法。隨后，存在多種算法可以通過微調(diào)信號抵消環(huán)路和誤差抵消環(huán)路來優(yōu)化性能。這些算法旨在確定能夠最小化殘余失真的控制參數(shù)。利用自適應前饋系統(tǒng)，我們可以實現(xiàn)比其他方式更低的失真水平。

優(yōu)點與缺點

與反饋方法相比，前饋技術(shù)具有多項優(yōu)勢。首先，它可以校正幅度和相位誤差。然而，更重要的是，即使其構(gòu)成模塊存在較大的相位偏移，前饋功率放大器系統(tǒng)本質(zhì)上也是穩(wěn)定的。這種穩(wěn)定性源于輸出信號并未反饋到輸入端。前饋方法的另一個重要優(yōu)勢是其寬帶寬。這種寬帶功率放大器對于多載波無線通信（包括無線基站所使用的通信方式）至關重要。它也是一種相對低噪聲的線性化技術(shù)。主放大器的噪聲理想情況下會以與失真相同的方式被抵消。這還帶來了前饋系統(tǒng)的另一個好處：它們幾乎可以即時校正失真誤差。因此，它們不受通常與功率放大器相關的記憶效應的影響。記憶效應是一種現(xiàn)象，功率放大器的輸出受到輸入信號歷史的影響。它會削弱預失真線性化技術(shù)的有效性，我們將在后續(xù)文章中討論這一點。總的來說，前饋功率放大器系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

• 可以校正相位和幅度誤差。

• 即使存在相位偏移，也具有本質(zhì)穩(wěn)定性。

• 帶寬寬。

• 噪聲低。

• 不受記憶效應的影響。

然而，它們也存在一些缺點。正如我們之前提到的，加入模擬延遲元件需要使用微帶線等無源器件。這些器件中的功率損耗是一個關鍵問題。此外，構(gòu)建輸出減法器需要使用低損耗元件（例如高頻變壓器），以確保效率。