射頻功率放大器的前饋線(xiàn)性化簡(jiǎn)介

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(xiàn)性化，其工作原理是基于失真信號的抵消。

在無(wú)線(xiàn)通信系統中，功率放大器的高效性和高線(xiàn)性度至關(guān)重要。高效性對于降低能耗、延長(cháng)電池壽命和簡(jiǎn)化熱管理至關(guān)重要。而線(xiàn)性度則對于確保放大信號具有最小的失真至關(guān)重要。然而，設計用于最大化效率的功率放大器通常會(huì )表現出較大的非線(xiàn)性。

有幾種不同的功率放大器線(xiàn)性化技術(shù)可供選擇。自電話(huà)通信誕生以來(lái)，放大器中的失真問(wèn)題就一直存在，因此其中一些技術(shù)已經(jīng)存在了很長(cháng)時(shí)間。例如，Harold Black分別在1928年和1937年申請了前饋和反饋電路技術(shù)的專(zhuān)利。最初這些技術(shù)旨在最小化中繼放大器的失真，后來(lái)被用于線(xiàn)性化射頻功率放大器。

在本文中，我們將討論前饋線(xiàn)性化技術(shù)。圖1展示了一個(gè)前饋功率放大器（PA）系統的基本框圖。

基本的前饋功率放大器拓撲結構。

圖1 基本的前饋功率放大器拓撲結構。圖片由Steve Arar提供

如圖所示，前饋結構實(shí)際上需要兩個(gè)放大器。該拓撲結構通過(guò)確定主放大器添加的失真信號并將其從系統輸出中減去，從而增強整體線(xiàn)性度。讓我們探討一下該電路的工作原理。

輸入信號被應用到兩條不同的路徑。在上部路徑中，輸入信號由主功率放大器放大。非線(xiàn)性放大器的輸出可以看作是輸入信號的線(xiàn)性復制和由非線(xiàn)性引起的誤差信號的總和。因此，節點(diǎn)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是由放大器的非線(xiàn)性產(chǎn)生的誤差信號。

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

公式2

從Vn中減去輸入Vin，我們得到節點(diǎn)p處的失真信號的衰減版本：

公式3

從輸入到第一個(gè)減法器的兩條路徑形成了一個(gè)環(huán)路，消除了節點(diǎn)p處的輸入信號。這被稱(chēng)為信號抵消環(huán)路。

接下來(lái)，節點(diǎn)p處的電壓被應用到一個(gè)增益為Av的誤差放大器，生成電壓Vq = Vd。這為我們提供了失真信號Vd。最后，Vq從Vm中減去，生成輸出電壓：

公式4

盡管放大器是非線(xiàn)性的，但整體輸出是輸入信號的線(xiàn)性復制。前饋功率放大器系統的第二個(gè)環(huán)路被稱(chēng)為誤差抵消環(huán)路。

誤差放大器

第二個(gè)環(huán)路中放大器引入的任何跟蹤誤差都會(huì )在輸出端無(wú)補償地出現。因此，誤差放大器的失真特性決定了系統的整體線(xiàn)性度。

在第一個(gè)減法器的輸出端，信號被抵消，只剩下失真分量。假設這個(gè)殘余信號很小，誤差放大器比主放大器更不容易受到失真的影響。然而，隨著(zhù)信號幅度的增加，失真分量會(huì )迅速增加。例如，放大器中的三階失真產(chǎn)生的失真分量會(huì )隨著(zhù)輸入信號幅度的增加而呈立方增長(cháng)。

因此，盡管通常主放大器決定了整個(gè)系統的功率等級，但誤差放大器的功率能力也是一個(gè)重要的設計考慮因素。它受到多個(gè)不同參數的影響，包括：

從輸入到第一個(gè)減法器的信號路徑中引入的衰減。

主放大器的AM-PM失真。

有關(guān)前饋功率放大器設計這一方面的更多信息，請參閱Steve Cripps的《無(wú)線(xiàn)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組合器的損耗。通常，這需要將誤差放大器的尺寸與主功率放大器相當，這可能會(huì )增加系統的成本并降低其效率。

增益和相位匹配是必需的

讓我們回到圖1。為了使之前的電路分析有效，通向減法器的路徑必須具有完美的相位匹配，并且其相關(guān)組件必須具有完美的增益匹配。例如，如果從輸入到第一個(gè)減法器的兩條路徑表現出不同的延遲，信號抵消將無(wú)法進(jìn)行。

需要在頻率、溫度和時(shí)間上實(shí)現精確的增益和相位跟蹤。此外，放大器會(huì )引入一些信號路徑延遲。因此，我們需要引入兩個(gè)延遲塊來(lái)均衡相應路徑的延遲。如圖2所示。

在圖1的電路中添加延遲元件。

圖2 在圖1的電路中添加延遲元件。圖片由Steve Arar提供

在上圖中，延遲塊τ1補償了主放大器和衰減器引起的相位偏移。同樣，延遲塊τ2補償了誤差放大器引入的相位偏移。延遲塊可以由無(wú)源集總元件網(wǎng)絡(luò )或傳輸線(xiàn)構成。

但請記住，這些塊會(huì )導致功率耗散并降低放大器的效率。設計寬帶延遲塊也是一個(gè)重大挑戰。

實(shí)際實(shí)現

圖3展示了一個(gè)更實(shí)際的前饋功率放大器實(shí)現。

使用定向耦合器的更實(shí)際的前饋功率放大器系統。

圖3 一個(gè)更實(shí)際的前饋功率放大器的框圖。圖片（修改）由William F. Egan提供

在這里，定向耦合器被戰略性地用于在電路的關(guān)鍵節點(diǎn)處采樣和路由信號。系數cn和cn′分別表示每個(gè)耦合器的耦合系數和主線(xiàn)增益。

與我們之前檢查的電路不同，這種安排在信號抵消環(huán)路中沒(méi)有明顯的衰減器塊。相反，衰減是由環(huán)路中的定向耦合器引起的。

使用矢量調制器的前饋功率放大器系統

圖4展示了另一種前饋功率放大器系統的變體。在該電路中，兩個(gè)矢量調制器（VM）被放置在主放大器（MA）和誤差放大器（EA）之前。

使用矢量調制器的前饋功率放大器。

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

矢量調制器是一種可以控制RF信號幅度和相位的設備。它將信號分成兩個(gè)分量，稱(chēng)為同相和正交分量，彼此相差90度。通過(guò)調整這些分量，圖4中的矢量調制器匹配環(huán)路的增益和相位。

自適應前饋系統

自適應前饋功率放大器監控系統的線(xiàn)性性能并相應地調整環(huán)路參數。圖5展示了一個(gè)自適應前饋功率放大器的簡(jiǎn)化框圖。

使用導頻輔助的前饋功率放大器。

圖5 使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(gè)例子中，導頻信號在主放大器之前引入。導頻信號在前饋電路中被視為不需要的失真。理想情況下，它不應出現在最終輸出中。這為我們提供了一種評估放大器線(xiàn)性性能的方法。

之后，存在多種算法通過(guò)微調信號抵消和誤差抵消環(huán)路來(lái)優(yōu)化性能。這些算法旨在確定最小化殘余失真的控制參數。使用自適應前饋系統使我們能夠實(shí)現比原本更低的失真水平。

優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

與反饋方法相比，前饋技術(shù)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，它可以校正幅度和相位誤差。更重要的是，前饋功率放大器系統在其構建模塊表現出顯著(zhù)相位偏移時(shí)仍然是穩定的。這種穩定性源于輸出沒(méi)有被反饋到輸入。

前饋方法的另一個(gè)顯著(zhù)優(yōu)勢是其寬帶寬。這種寬帶功率放大器對于多載波無(wú)線(xiàn)通信（包括無(wú)線(xiàn)基站使用的通信）至關(guān)重要。它也是一種相對低噪聲的線(xiàn)性化技術(shù)。主放大器的噪聲理想情況下會(huì )以與失真相同的方式被抵消。

這帶來(lái)了前饋系統的另一個(gè)好處：它們幾乎即時(shí)地校正失真誤差。因此，它們不受通常與功率放大器相關(guān)的記憶效應的影響。記憶效應是指功率放大器的輸出受到輸入信號歷史影響的現象。它會(huì )影響預失真線(xiàn)性化技術(shù)的有效性，我們將在未來(lái)的文章中討論這一點(diǎn)。

總之，前饋功率放大器系統具有以下優(yōu)點(diǎn)：

可以校正相位和幅度。

盡管存在相位偏移，仍然具有固有的穩定性。

寬帶寬。

低噪聲。

不受記憶效應影響。

然而，它們也有一些缺點(diǎn)。正如我們之前提到的，引入模擬延遲元件需要使用無(wú)源器件，如微帶線(xiàn)。這些器件中的功率損耗是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。此外，輸出減法器的構造需要使用低損耗組件（例如高頻變壓器）以確保效率。

總結

前饋線(xiàn)性化方法基于失真信號的抵消原理。它通過(guò)確定失真信號然后從非線(xiàn)性功率放大器的輸出中減去它來(lái)實(shí)現信號校正。前饋系統非常適合需要寬帶寬的應用，使其成為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )中的重要組成部分。