射频PA的线性化技术

标签:RFPA射频
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射频功率放大器(RF PA是发射系统中的主要部分,它是现代通信中一个重要的元件,现代通信系统趋向于使用线性调制方式,这就要求射频系统具有很好的线性特性,所以在现代无线通信系统之中,射频前端部件对于系统的影响起到了至关重要的作用。
 
在发射机的前级电路中,调制振荡电路所产生的射频信号功率很小,需要经过一系列的放大(缓冲级、中间放大级、末级功率放大级)获得足够的射频功率以后,才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率,必须采用射频功率放大器。在调制器产生射频信号后,射频已调信号就由RF PA将它放大到足够功率,经匹配网络,再由天线发射出去。
 
随着科技的进步,射频前端元件如低噪声放大器(LNA)、混频器(Mixer)、功率放大器(PA)等都已经集成到一块收发器之中,但其中对性能影响最大是功率放大器。
 
功率放大器是一种将电源所提供的能量提供给交流信号的器件,使得无线信号可以有效地发射出去。
 
根据功率放大器的分析模型(泰勒级数模型),可知当输入信号的幅度很小的时候,对于功率放大器的非线性特性影响较小。
 
但当输入信号的幅度比较大的时候,就会对功率放大器的非线性度产生很大的影响,所以说对功率放大器的非线性性能产生影响的关键因素就是输入信号幅度的增强并且不断地变化。
 
随着无线用户数量人数的不断增加,有限的通信频段变得越来越拥挤。
 
为了提高频谱的利用效率,线性化调制技术技术譬如正交幅度调制(QAM) 、正交相位键控(QPSK) 、正交频分复用(OFDM)就在现代的无线通信之中就被广泛的应用,因为这几种技术的频谱利用率更高。
 
但是这些线性化调制技术都是包络调制信号,这就必然会引入非线性失真的问题。
 
通信系统中的很多有源器件都是非线性器件,一旦包络调制信号通过该系统时,就会产生非线性失真,谐波的频段很多时候会影响到相邻的信道中的信号,会对系统产生一定程度的干扰,因此高功率高频率的射频发射系统的输入信号也必须控制在一定的幅度范围以内。 
 
对于那些包络变化的线性化调制技术就必须采用线性发射系统。
 
然而发射系统中非线性最强的器件是功率放大器,同时发射系统都要求有尽量高的发射效率,所以为了效率,射频功放基本都工作在非线性状态,所以如何提高功率放大器的线性度就显得异常关键。
 
现在整个通信领域,射频功率放大器的线性化技术已成为一个越来越重要的研究领域。
 
射频PA的线性化技术  
 
射频功率放大器的非线性失真会使其产生新的频率分量,如对于二阶失真会产生二次谐波和双音拍频,对于三阶失真会产生三次谐波和多音拍频。
 
这些新的频率分量如落在通带内,将会对发射的信号造成直接干扰,如果落在通带外将会干扰其他频道的信号。
 
为此要对射频功率放大器的进行线性化处理,这样可以较好地解决信号的频谱再生问题。 
 
射频功放基本线性化技术的原理与方法不外乎是以输入RF信号包络的振幅和相位作为参考,与输出信号比较,进而产生适当的校正。
 
目前己经提出并得到广泛应用的功率放大器线性化技术包括,功率回退,负反馈,前馈,预失真,包络消除与恢复(EER),利用非线性元件进行线性放大(LINC) 。
 
较复杂的线性化技术,如前馈,预失真,包络消除与恢复,使用非线性元件进行线性放大,它们对放大器线性度的改善效果比较好。
 
而实现比较容易的线性化技术,比如功率回退,负反馈,这几个技术对线性度的改善就比较有限。下面就让我们具体看看几种线性化技术的优劣势对比。
 
 
1、功率回退 
 
这是最常用的方法,即选用功率较大的管子作小功率管使用,实际上是以牺牲直流功耗来提高功放的线性度。 
 
功率回退法就是把功率放大器的输入功率从1dB压缩点。
 
(放大器有一个线性动态范围,在这个范围内,放大器的输出功率随输入功率线性增加。随着输入功率的继续增大,放大器渐渐进入饱和区,功率增益开始下降,通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点,用P1dB表示。)
 
功率回退法简单且易实现,不需要增加任何附加设备,是改善放大器线性度行之有效的方法,缺点是效率大为降低。
 
另外,当功率回退到一定程度,当三阶交调制达到-50dBc以下时,继续回退将不再改善放大器的线性度。因此,在线性度要求很高的场合,完全靠功率回退是不够的。
 
2、预失真 
 
预失真就是在功率放大器前增加一个非线性电路用以补偿功率放大器的非线性失真。
 
预失真线性化技术,它的优点在于不存在稳定性问题,有更宽的信号频带,能够处理含多载波的信号。
 
预失真技术成本较低,由几个仔细选取的元件封装成单一模块,连在信号源与功放之间,就构成预失真线性功放。
 
手持移动台中的功放已采用了预失真技术,它仅用少量的元件就降低了互调产物几dB,但却是很关键的几dB。 
 
3、前馈 
 
前馈技术起源于“反馈”,应该说它并不是什么新技术,早在二三十年代就由美国贝尔实验室提出来的。
 
除了校准(反馈)是加于输出之外,概念上完全是“反馈”。  
 
前馈线性放大器通过耦合器、衰减器、合成器、延时线、功分器等组成两个环路。
 
射频信号输入后,经功分器分成两路。一路进入主功率放大器,由于其非线性失真,输出端除了有需要放大的主频信号外,还有三阶交调干扰。
 
从主功放的输出中耦合一部分信号,通过环路1抵消放大器的主载频信号,使其只剩下反相的三阶交调分量。
 
三阶交调分量经辅助放大器放大后,通过环路2抵消主放大器非线性产生的交调分量,从而了改善功放的线性度。 
    
前馈技术既提供了较高校准精度的优点,又没有不稳定和带宽受限的缺点。
 
前馈功放的抵消要求是很高的,需获得幅度、相位和时延的匹配,如果出现功率变化、温度变化及器件老化等均会造成抵消失灵。为此,在系统中考虑自适应抵消技术,使抵消能够跟得上内外环境的变化。
 
射频功率放大器(RF PA)
 
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