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功率放大器前馈线性化技术傅佳辉吴群哈尔滨工业大学电子与通信工程系(150001)Tel:0451-6413504Email:qwu@public.hr.hl.cn摘要大功率射频功率放大器是移动通信基站中最关键部件,本文为跟踪国际技术发展动态提出几种适合第三代移动通信系统W-CDMA基站新标准的宽带高效率高线性度功率放大器设计技术实施方案1引言当今蜂窝和个人通信网络的迅速增加使已经拥挤的频谱负担更重特别是第三代无线移动通信系统的提出频带加宽动态范围变大功率输出增加对高功率放大器的频带宽度线性度和效率都有更高的要求为此要针对未来的通信体制研究高效率高线性度功率放大器可行的实施方案这些系统对射频功率放大器要求有高的效率和最小的邻道干扰而良好的线性传输性能充分利用频谱资源在传统的功放电路设计中是利用大功率器件并结合功率回退来满足系统的线性要求结果使系统的效率降低另一方面当需要较高的发射功率时往往受器件输出能力的局限而无法实现与传统的反馈型相比前馈型放大器能够有效提高线性度从而提高系统的稳定性增加带宽交调性能的改善可达20dB以上特别适合于线性要求极高的的系统2基本原理前馈放大器原理可用图1来描述该放大器由环路1和环路2组成对于一个双音信号通过非线性放大器时所产生的失真失真信号通过前馈对消在第一环路中把失真信号分离出来然后再在第二个环中实现失真对消[1]21信号对消原理对于由许多具有相同间隔的载波组成的输入信号所产生的互调失真是无法采用滤波器消除在多载波频率上消除失真成分可以通过前馈来实现失真在第一环路中分离出来在第二个环路中对消只要在第一环路保持对消载波的输出就不受影响前馈是对误差信号的隔离和对失真信号的消除这两个过程都包括在同频段上的信号对消从数学角度讲在单个频率上的信号对消是相等振幅的两个信号相减其结果是振幅为零或为-dB∞实际上对消的过程是通过信号向量相加而得到的即信号的振幅相等但相位相反在宽带范围对消是在频带内的向量对消信号必须满足1相等的振幅2180度相位差异3相等的延迟相等的振幅和相反的相位在单一频率上是很容易实现但是在宽带信号对消中最重要的是应具有相等的延迟因此在前馈系统中必须引入延迟单元此外AM-PM和相位的波动的都会影响宽带信号的对消效果采用前馈技术的另一个特性是除对消互调失真外还在第二环路中加到主放大器路径上的噪声也得到抵消3增益和相位控制31增益和相位的调整前馈路径上的增益和相位是多参变量的函数包括信号电平和温度波动等此外为了保证信号具有良好的匹配还必须进行适当调整增益和相位射频1信号增益和相位的调整有几种方法包括使用分离的振幅和相位控制网络或者IQ网络[2]采用IQ控制回路是用两个直流电压去控制射频信号增益和相位的调整图2示出了一种信号增益和相位控制网络[3]一个特定的增益和相位控制网络可以有20dB的合成范围和360度相位控制在1dB压缩点功率为10dBm噪声系数为10dB另一个网络90度相位控制在1dB压缩点功率为0dBm噪音系数为20dB在前馈环中增益和相位控制网络的位置非常重要为了保证整个前馈系统增益的恒定性增益和相位控制网络必须与误差放大器级联起来32增益和相位的准确性理想信号的对消是信号合成即抑制信号相对于非抑制信号的振幅为-dB∞实际应用中只需知道对于一个确定的有限抑制信号需要多大的信号去匹配对于两个电压的向量合成参考信号振幅为1和相位为0度非理想对消信号振幅为Aδ+1相位为180φ+合成的向量为rr与对消信号有相同的频率可以用下面的公式计算[4]()()(φδδcos121122⋅+⋅−++=AAr)1对消电平和抑制信号是失配振幅和相位失配两个变量的函数Aδφ对于抑制和振幅失配)(dBRA∆式(1)可改写为()⋅⋅−+⋅=∆∆φcos102110log1020)(10)(210dBAdBAR2对于固定环的抑制计算振幅和相位的失配范围2式给出了关于的二次解法A∆()10/101)cos()cos(log20RA+−±=∆φφ3在实际中反馈放大器抑制电平在20-40dB范围匹配信号控制在1/10dB和1度的范围内是非常困难的同时在宽带上要保持相同的准确率更加困难一般来说在信号对消中希望减小增益和相位带宽准确性的需要如果放大器的线性被提高那么在前馈放大器的输出对于失真信号匹配的需要不是很严格放大器的线性和效率互相矛盾增加线性时效率将降低功率放大器的器件应选择线性好的效率高的LDMOS场效应晶体管4环路控制系统41环路对消带宽在第一个环路中延迟输入信号与失真的主放大器的输出相比较理想的输出结果只有放大器的输出的失真产物在第一环的对消带宽应该和输入信号的最大带宽相等也就是发射机的带宽例如如果发射机的带宽为20MHz那么对消环的带宽也是20MHz在第二个环中失真成分在发射机的频带外因此对消带宽要比第一个环大第二环的对消带宽定义由失真信号的出现和主放大器的本身的非线性决定例如使用相同带宽的发射机带宽为20MHz典型的甲乙类放大器产生的失真带宽为100MHz二环对消带宽是一环对消带宽的5倍42环路抑制对消需要相等的带宽即对消带宽决定所需的环抑制因此决定相位和增益的匹配需要例如典型的甲乙类双级放大器和GaAs放大器互调失真大约为-30dBc如果所需的输出失真电平为-70dBc就必须提供40dBc的失真对消量对于甲乙类放大器互调失真为-40dBc时只须对消30dB当载波对消环必须对残余的载波信2号进行充分的抑制在失真对消环部分误差信号并不会对输出载波产生影响需要注意任何残余载波在失真对消点都会增加向量的值在实际应用中30dB的抑制对于载波对消环已经足够43环路控制理论上前馈允许无限制带宽但是如完全开环设置则对于时间温度电压信号电平等变化都不能得到补偿除非前馈系统有自动控制系统来控制它的性能增益和相位持续的调整来获得最佳的对消和输出的线性在图2所示的环控制基本原理图中第一步是获得特定环的平衡信息其后为了调整增益和相位反馈回此信息直到达到所需的环控制这样自动控制网络时刻监视着前馈环并保持所需输出的线性这个技术适合于数字和模拟技术很明显自动控制网络对于增益和相位的调整是前馈设计中的主要部分目前都是采用DSP技术的自适应控制5双重前馈环方案前馈系统本身就是一个放大器其线性比主放大器有所提高因此可以引入第二个前馈环方案来进一步提高前馈系统的线性度性能这样前馈放大器在环路中作主放大器这样的系统叫做双重前馈环如图3所示双重前馈环对峰值和平均值互调比单环前馈都有所提高但增加了系统的复杂性因为有双载波对消环和双失真对消环所有这些都需要一些特殊形式的环控制在实际中两个误差放大器选择是一样的在宽带的合成范围中双重前馈环应用在要求需要非常低的失真的应用小于-70dB在其它情况下也有使用单环结合预失真6结束语本文对功率放大器前馈技术的几种方案进行了讨论与此同时正在进行的还有预失真线性化技术和LDMOS场效应器件大信号非线性模型建模的研究会议期间将进一步展示最新研究结果本项目得到哈尔滨工业大学校基金的资助HIT.2000.38主要参考文献1吴礼群微波前馈放大技术固体电子学研究与进展Vol.19,No.3Aug.,19992Animproved5.7GHzISM-bandfeedforwardamplifierutilizingvectormodulatorsforphaseandattenuationcontrol.3K.Yoo,S.Kang,J.ChoiandJ.ChaeAdaptivefeed-forwardlinearpoweramplifier(LPA)fortheIMT-2000frequencyband,1999InternationalMicrowaveDigest,pp.VI45-484N.Pothecary,FeedforwardLinearPowerAmplifiers,ArtechHouse,1999,pp.125~138图1前馈环路基本原理图2增益调整和环路控制图3双重前馈环路3