射頻功率放大器的前饋線(xiàn)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(xiàn)性化，其工作原理是通過(guò)抵消失真信號來(lái)實(shí)現。

在無(wú)線(xiàn)通信系統中，功率放大器既需要具備高效率，又需要具備高線(xiàn)性度，這兩點(diǎn)至關(guān)重要。效率是關(guān)鍵因素，它有助于降低能耗、延長(cháng)電池壽命以及簡(jiǎn)化熱管理。而線(xiàn)性度則對于確保放大后的信號失真最小化至關(guān)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(xiàn)性失真。

目前有多種不同的功率放大器線(xiàn)性化技術(shù)可供選擇。放大器中的失真問(wèn)題自電話(huà)通信誕生以來(lái)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，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(zhuān)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(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展示了前饋功率放大器（PA）系統的基本框圖。

圖1. 基本的前饋功率放大器拓撲結構。圖片由Steve Arar提供。

正如我們所見(jiàn)，前饋結構實(shí)際上需要兩個(gè)放大器。這種拓撲結構通過(guò)確定主放大器引入的失真信號，并將其從系統的輸出中減去，從而提高整體的線(xiàn)性度。讓我們來(lái)探討這個(gè)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(xiàn)性放大器的輸出可以被視為輸入信號的線(xiàn)性副本和由非線(xiàn)性引起的誤差信號之和。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，該環(huán)路在節點(diǎn) p 處消除了輸入信號。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(xiàn)性的，但整體輸出是輸入信號的線(xiàn)性副本。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

在第二個(gè)環(huán)路中，誤差放大器引入的任何跟蹤誤差都會(huì )未經(jīng)補償地出現在輸出端。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，誤差放大器的失真程度通常比主放大器要小。然而，隨著(zhù)信號幅度的增加，失真分量會(huì )迅速上升。例如，放大器中的三階失真會(huì )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(gè)系統的功率等級，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(gè)參數的影響，包括：

• 從輸入端到第一個(gè)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(guān)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(xiě)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(huì )增加系統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(guān)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(gè)減法器的兩條路徑表現出不同的延遲，則無(wú)法進(jìn)行信號抵消。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 )引入信號路徑的延遲。因此，我們需要加入兩個(gè)延遲塊來(lái)平衡相應路徑的延遲。這在圖2中進(jìn)行了說(shuō)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(guò)無(wú)源集中元件網(wǎng)絡(luò )或傳輸線(xiàn)構建。然而，需要注意的是，這些延遲塊會(huì )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。

實(shí)際實(shí)現

圖3展示了一種更實(shí)用的前饋功率放大器實(shí)現方式。

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

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

帶有矢量調制器的前饋功率放大器系統

圖4展示了一種前饋功率放大器系統的另一種變體。在這個(gè)電路中，兩個(gè)矢量調制器（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(gè)分量，分別稱(chēng)為同相分量和正交分量，這兩個(gè)分量之間相位相差90度。通過(guò)調整這些分量，圖4中的矢量調制器匹配了環(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會(huì )監測系統的線(xiàn)性性能，并相應地調整環(huán)路參數。圖5展示了自適應前饋功率放大器的簡(jiǎn)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(gè)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。隨后，存在多種算法可以通過(guò)微調信號抵消環(huán)路和誤差抵消環(huán)路來(lái)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。利用自適應前饋系統，我們可以實(shí)現比其他方式更低的失真水平。

優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

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，即使其構成模塊存在較大的相位偏移，前饋功率放大器系統本質(zhì)上也是穩定的。這種穩定性源于輸出信號并未反饋到輸入端。前饋方法的另一個(gè)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(wú)線(xiàn)通信（包括無(wú)線(xiàn)基站所使用的通信方式）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。這還帶來(lái)了前饋系統的另一個(gè)好處：它們幾乎可以即時(shí)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。記憶效應是一種現象，功率放大器的輸出受到輸入信號歷史的影響。它會(huì )削弱預失真線(xiàn)性化技術(shù)的有效性，我們將在后續文章中討論這一點(diǎn)?？偟膩?lái)說(shuō)，前饋功率放大器系統具有以下優(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(diǎn)。正如我們之前提到的，加入模擬延遲元件需要使用微帶線(xiàn)等無(wú)源器件。這些器件中的功率損耗是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。此外，構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。