一种新的用于射频功率放大器的预失真法

摘 要：改善射频功率放大器非线性的方法通常有功率回退法、负反馈法、前馈法和预失真法。预失真技术与其他线性化技术相比具有电路结构简单、性能优良、成本低等优点，因而受到设计者的青睐。设计了一种利用混频器和滤波器分别产生三阶和五阶交调分量的预失真器，采用复增益调节器控制预失真器产生的IMD3，IMD5幅度和相位。并从理论上对其特性进行了分析，利用专用的微波电路仿真工具进行仿真验证，仿真结果表明双音测试在2 GHz频段，IMD3和IMD5分别改善了17 dBc和12 dBc。

关键词：预失真器；IMD3；IMD5；射频功率放大器；双音测试

中图分类号：TN722 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1506203

New Pre-distortion Method of RF Power Amplifier

GU Wenting,LI Bin,HUANG Weibo

(School of Physiccal Electronics,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu,610054,China)

Abstract：To improve the non-linearization of RF power amplifier,power-backoff,negative-forward,feed-forward and pre-distortion method are used usually.Compared with these linearization techniques,pre-distortion technique provides simple circuit design,good performance and relative low cost.In this paper,a new predistortion linearizer is proposed,which uses mixer and filter to generate IMD3 and IMD5 independently and complex gain adjuster to control the amplitude and phase of IMD3 and IMD5.A computer emulated result is also provided.Two tones test show that the improvements in IMD3 and IMD5 cancellations are 17 dBc and 12 dBc respectively.

Keywords：predistorter;IMD3;IMD5;RF power amplifier;two-tone test

1 引 言

随着大容量通信系统的发展,信道数量的增加、使用带宽的扩展、更高效调制方式的采用,对发射末端的射频功率放大器的线性度提出越来越高的要求,使得高线性射频功率放大器成为当今通信新技术领域中的一个重要研究课题。目前,对发射机中功率放大器进行线性化有三种常见的技术:预失真、前馈 (feed-forword)、负反馈 (negative-forword)^［1］。它们结构不同、各具特色。前馈型具有很高的线性度和带宽等优点,但由于电路结构复杂，成本昂贵，而且效率低，主要用于大功率放大器中。反馈型采用了传统的负反馈放大器原理,具有结构简单、方式多样、成本低廉等优点,但在较高的工作频率上,为了保持反馈回路的稳定,必须增加一个带限滤波器,从而限制工作带宽。相比较而言,预失真型具有工作频带宽，工作稳定因而近年来已成为国内外十分关注的一种线性化技术。本文研究了一种能够分别产生IMD3和IMD5的预失真器，与传统预失真型电路相比，其不同之处在于它的非线性电路由混频器和滤波器够成，它能很好地改善功率放大器的高阶交调分量。本文首先介绍其电路结构和原理,再从理论上分析其主要特性,最后利用专用的微波电路仿真工具进一步验证。

2 放大器的非线性分析

当放大器工作在非线性区内时，不考虑放大器的记忆效应，其非线性可用无穷项幂级数来描述：V_out=K₁V_in+K₂V²_in+K₃V³_in+…(1) 若输入为等幅双音信号：V_in=Vcos ω₁t+Vcos ω₂t(2)其中ω₁和ω₂相差很小，将式(2)代入式(1)得：

V_out=K₁\+K₂\Vcos ω₂t\〗2+K₃\3+…(3)

由于器件的非线性特性导致放大器的输出信号的频谱非常复杂,不仅存在需要的ω₁和ω₂频率分量,还存在直流、ω₁和ω₂的高次谐波分量,更为值得关注的是还存在ω₁+ω₂,ω₁-ω₂和2ω₂-ω₁,2ω₂-ω₁,2ω₁+ω₂,3ω₁+2ω₂和3ω₁-2ω₂等组合频率分量。频率为ω₁+ω₂,2ω₁,2ω₂,2ω₁+ω₂,ω₁+2ω₂,3ω₁+2ω₂,2ω₁+3ω₂等分量落在带外，将被带通滤波器滤除，故可不予考虑。而频率为2ω₁-ω₂,2ω₂-ω₁(三阶交调分量)，3ω₁-2ω₂，3ω₂-2ω₁(五阶交调分量) 落在通带内，不会被带通滤波器滤除，故为放大器产生的主要的非线性分量。由此可将式(3)化简为：

V_out(t)=［K₂V³+9K₄V⁴/4］+［K₁V+9K₃V³/4+25K₅V⁵/4\］*\+

\*\+(5K₅V⁵/8)*

\(4)

3 预失真电路原理分析

预失真线性化电路框图如图1所示，即在功率放大器前级联一个特性相反的单元用以补偿功率放大器的非线性，以达到线性化的目的。这种补偿原理如图2所示。设计的预失真型线性化功率放大器电路结构如图3所示。输入信号通过功率分配器，被分成2 路，上一支路通过延迟线、功率合成器送入主放大器；下一支路通过耦合器后被分成2路分别用于产生三阶和五阶交调分量。预失真器主要由混频器和滤波器组成，当输入频率为ω₁，ω₂的双音信号，通过混频器后产生ω₁+ω₂和ω₂-ω₁频率信号分量，将该频率信号分量与原输入频率为ω₁，ω₂信号再次混频后，除产生基频信号外还可产生2ω₁-ω₂，2ω₂-ω₁频率信号，即为我们所需要的三阶预失真信号，将上一路频率为ω₁+ω₂和ω₂-ω₁信号耦合出部分并通过低通滤波器后只剩下ω₂-ω₁频率的信号，将ω₂-ω₁频率信号与频率为2ω₁-ω₂，2ω₂-ω₁信号混频后可产生3ω₁-2ω₂，3ω₂-2ω₁频率分量的信号即为我们所需要的五阶预失真信号，将预失真信号与通过延时线后的输入信号一起送入主放大器。通过调节复增益调节器可使混合信号中的非线性分量与主放大器所产生的非线性分量，在幅度上相等、相位上相反，从而抵消输出信号中的非线性失真分量，达到线性化的目的。

4 软件仿真

为了进一步验证预失真型线性化功率放大器的特性,可借助于微波电路专用仿真软件对图3的电路进行仿真。输入的双音测试信号频率分别为ω₁=200 2 MHz,ω₂=199 8 MHz,输入信号的功率为10 dBm时，仿真结果如图4和图5所示。

4.1 主功率放大器的非线性特性

主功率放大器其P1dB=24 dBm,Go=15 dB，随着输入的双音测试信号功率的加大,主放大器输出的频谱开始出现非线性失真分量,如图4所示，此时主放大器输出的信号功率为21.7 dBm,三阶交调分量为4.6 dBm,五阶交调分量为-18 dBm。其中,三阶交调分量与主信号的功率相差 -17 dBc,五阶交调分量与主信号的功率相差-39 dBc,即出现了较为严重的非线性失真。

4.2 线性化后系统的输出结果

构建与图3相同的系统仿真电路(略)。通过反复、适当调整复增益调节器的电压和延迟线的时间延迟量，可获得系统的最后输出信号的频谱图(如图5 所示)。通过与图4 相比较可见，经过预失真线性化处理后，原输出信号中的三阶交调改善了17 dBm左右，五阶交调改善了12 dBm左右。

5 结 语

本文从理论上分析了射频功率放大器失真产生的根本原因,论证了该预失真技术的可行性,并通过计算机仿真证明了前面的理论分析。理论分析和仿真实验证明了该预失真技术良好的性能，而且能很好地改善放大器的高阶交调。本文介绍的用混频器实现预失真的线性化技术,由于靠控制两个复增益调节器的偏置电压,使其分别调节IMD3和IMD5的幅度和相位。因此很容易作为自适应的控制端,运用自适应算法,使得在更宽的输入功率动态范围内IMD3 和 IMD5 有更好的改善。

参 考 文 献

［1］王伟旭,张玉兴.射频功放的立方预失真线性化技术［J］.无线电工程,2006,36(9):44-45,61.

［2］张玉兴.射频模拟电路［M］.北京:电子工业出版社,2002.

［3］Aarti S,John E S,John H B.Second and Third Order Signal Predistortion for Nonlinear Distortion Suppression in a TWT\.IEEE Trans.on Electron Devices,2005,52(5):709-717.

［4］Yang Y,Woo Y Y,Kim B.New Predistortion Linearizer Using Low-Frequency Even-Order Intermodulation Components\.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2002,50(2):446-452.

［5］Yi V,Yang Y,Park M,et al.Analog Predistortion Linearizer for High-Power RF Amplifiers\.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2000,48(12):2 709-2 713.

［6］Cripps S C.Advanced Techniques in RF Power Amplifier Design\.Norwood,MA:Artech House,2002.

［7］刘战胜,贾建华.一种新的用于射频功率放大器的预失真研究\.现代电子技术,2006,29(4):19-20,25.

作者简介 辜文婷 女，1983年出生，湖北黄冈人，在读硕士研究生。主要研究方向为微波预失真技术应用。

李 斌 男，1974年出生，江西南昌人，副教授。主要研究方向为微波电子学，计算电磁学，计算物理学。

黄微波 男，1984年出生，湖南宁远人，在读硕士研究生。主要研究方向为微波预失真技术应用。

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