無線通信射頻功率放大器線性化技術研究

摘 ?要：在整個無線通信系統中，射頻功率放大器是不可或缺的器件。本文從改善射頻功率放大器線性化的領域出發，來解決功率放大器的線性和效率存在的矛盾問題。文章首先介紹了射頻功率放大器本身固有的失真特性以及線性和效率之間存在的矛盾關系，然后闡述了幾種常用的射頻功率放大器線性化技術，分析了各種線性化技術的優缺點。

關鍵詞：無線通信;射頻功率放大器;工作效率;功放線性化技術

中圖分類號：TN722.75 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）12-0053-03

Abstract：In the whole wireless communication system，RF power amplifier is an indispensable device. In order to solve the contradiction between linearity and efficiency of RF power amplifier，this paper starts from the field of improving linearization of RF power amplifier. Firstly，the inherent distortion characteristics of RF power amplifier and the contradiction between linearity and efficiency are introduced. Then several commonly used linearization techniques of RF power amplifier are described，and the advantages and disadvantages of various linearization techniques are analyzed.

Keywords：wireless communication;radio frequency power amplifier;work efficiency;power amplifier linearization technology

0 ?引 ?言

近些年來，無線通信發展迅猛，無線移動通信經過了近五十年的不斷完善和推陳出新，時至今日已經歷經了五個技術時代，當下正處于第四代移動通信向第五代移動通信過渡的關鍵階段。在無線移動通信高速發展的當下，射頻功率放大器在手機通信業務、軍事指揮系統、廣播電視、儀器儀表和航空航天等領域都有著廣泛的應用。

1 ?射頻功率放大器效率和線性之間的矛盾關系

射頻功率放大器由于其核心器件是半導體元器件，因此其自身存在著固有的非線性。功率放大器的非線性曲線圖如圖1所示。

由圖1可以看出，當功率放大器的輸入功率較小時，輸出功率和輸入功率呈線性關系，輸出功率和輸入功率的比值是一個常數，其比值曲線是一條直線;隨著輸入功率的不斷增加，輸出功率和輸入功率的比值不再是一個常數，而是隨著輸入功率的不斷增加而慢慢減小，輸出功率與輸入功率的比值曲線也呈現出了非線性，呈一條逐漸傾向平緩的曲線狀。

通過對射頻功率放大器非線性曲線圖的分析可以看出，射頻功率放大器的線性和效率呈現出了一個反比的關系。

當射頻功率放大器工作在線性區，經過功率放大器放大后的功放輸出信號與原始的功放輸入信號呈線性倍數關系，沒有產生其他分量和非線性失真。但是由于此時輸入信號功率較低，功率放大器的放大倍數也很低，射頻功率放大器的效率很低，往往無法達到無線通信系統的要求，需要多個功率放大器進行多級放大，從而造成了很大的資源浪費和效率浪費。

考慮到無線通信系統對射頻功率放大器的效率要求，需要讓射頻功放工作在飽和區，但通過對圖1的分析可以看出，當功率放大器工作在飽和區時，產生了較大的非線性失真，使得接收機沒有辦法還原出原始的發射信號，導致整個無線通信系統傳輸失敗。

2 ?射頻功率放大器的非線性失真

2.1 ?射頻功率放大器的靜態非線性失真

射頻功率放大器的靜態非線性失真主要考慮射頻功放工作在飽和區時產生了其他分量而造成的諧波失真和互調失真。

2.1.1 ?射頻功率放大器的諧波失真

射頻功率放大器的諧波失真是指通過功放放大后的信號，除了含有原有的基波信號，還包括了基波分量的倍頻信號。

不同于諧波失真，互調失真是影響功率放大器線性度的一個主要因素。諧波失真產生的倍頻信號距離基波信號較遠，往往可以通過濾波器直接濾除掉失真干擾信號，只保留有用的基波信號?；フ{失真產生的干擾信號，通常是兩個頻率的混疊或者差值，距離基波頻率往往很近，因此不能使用濾波器直接濾除的簡單方法?；フ{失真是造成帶外失真和帶外干擾的主要因素，會造成較大的鄰信道干擾，從而大大影響無線通信系統的質量。因此，需要特定的射頻功率放大器線性化技術來解決互調失真這一問題。

2.2 ?射頻功率放大器的動態非線性失真

射頻功率放大器的動態非線性失真又被稱為射頻功放的記憶效應，所謂的記憶效應就是指射頻功率放大器的輸出信號不僅與此時的輸入信號有關，還和之前的輸入信號存在著某種聯系，之前的輸入信號與現在的輸入信號共同影響著當前的輸出。

射頻功率放大器的動態非線性失真往往是由于內部元器件和匹配網絡的阻抗電抗等引起的。按照生成的原因不同，射頻功率放大器的動態非線性失真可以分為熱效應和電效應。

射頻功率放大器的熱記憶效應又根據內部和外部因素分為了短時間的熱記憶效應和長時間的熱記憶效應。短時間的熱記憶效應是由于晶體管溫度的變化跟不上工作頻率的變化而產生的一種動態非線性失真。長時間的記憶效應是由于晶體管工作時的內部散熱和外界環境對功率放大器半導體器件產生的影響從而造成的動態非線性失真。

功放的電效應產生的原因是儲能元器件和偏執電路以及匹配網絡造成的干擾疊加在了直流分量上造成的失真。

3 ?射頻功率放大器的線性化技術

為了解決無線通信系統中射頻功率放大器的線性度和效率之間的矛盾關系，保證功放工作在高效率的飽和區時也具有較高的線性度，從而保證整個無線通信系統的傳輸質量，對射頻功率放大器的線性化技術的研究顯得尤為重要。

3.1 ?功率回退技術

功率回退技術的原理比較簡單，為了滿足較高的線性度，降低輸入信號的功率，強行使得功率放大器回退到線性區。毫無疑問這種方法以犧牲效率為代價來提高功率放大器的線性度，無法同時滿足高效率和高線性，較低的效率會造成效率浪費和成本浪費，是一種很不經濟的方法。通常功率回退技術被用于具有高效率和高峰值功率的功率放大器中，把輸入信號功率降低至1dB壓縮工作點，從而達到較高的線性度，同時具有高峰值功率的功率放大器就算回退造成了很多的效率浪費但由于其本身的效率較高，回退完之后還是具有較高的工作效率，從而間接的達到了高效率和高線性度的要求。

3.2 ?前饋技術

前饋技術是1929年Harold.S.Black提出的，其基本思想是讓原始輸入信號通過功率放大器，利用一定的規律性把失真信號先提取出來，在功率放大器的輸出信號端減掉失真干擾信號，進而達到線性補償的效果。但是前饋技術實現復雜度很高，失真干擾信號不易計算，且前饋技術的參數受外界環境影響較大，需要定期更改，人工成本很高，并不經濟。前饋技術多用于模擬域，在當前大帶寬的環境下并不受帶寬的影響，值得當前功放線性化技術的借鑒，但是前饋技術又不適用于當前的數字領域，因此需要不斷借鑒推陳出新。

3.3 ?負反饋技術

負反饋技術的原理是降低功率放大器的增益來提升功放的線性度，同功率回退技術一樣，會造成一定的增益浪費和效率浪費，因此也是一種不經濟的功放線性化技術。同時受延遲效應的影響，負反饋系統不穩定，自適應能力也較差，限制了該技術的應用。

3.4 ?包絡跟蹤技術

包絡跟蹤技術是L.R.Kahn在1952年提出的，這種技術的原理是把包絡信號的幅度信號和相位信號分離提取出來，相位信息作為待測信號通過功率放大器進行放大，幅度信息作為控制信號，在相位信息進行放大的同時，幅度信息控制功率放大器的工作電壓，實時的降低功放輸出信號的非線性失真，在相位信息通過功率放大器放大之后，把相位信息和幅度信息再次結合到一處，從而達到高線性和高效率的要求。包絡跟蹤法與反饋技術和負反饋技術相比，穩定性、兼容性和實用價值都很高，但是這種方法只適用于第三代移動通信之前的低峰均比和窄帶數據信號，不再適用于當下的高峰均比和大帶寬的信號。

3.5 ?預失真技術

預失真技術又分為模擬預失真技術和數字預失真技術，其中數字預失真技術是在模擬預失真技術的基礎上演變過來的。

模擬預失真技術是MacDonald在1959年提出的，其原理是在功率放大器之前加入一個和功率放大器具有相反特性的預失真器，讓輸入信號先通過功率放大器的逆模型也就是預失真器，然后把預失真器的輸出信號再通過功率放大器，進而補償了功率放大器的非線性特性，在沒有降低效率的同時提高了功率放大器的線性度。具體原理圖如圖2所示。

由圖2可以看出，預失真器和功率放大器本身具有相反的特性，兩者結合使得經過預失真系統后的輸出與原始輸入信號的比值為常數，呈線性關系。

近年來數字領域高速發展，數字預失真由于其結構簡單、實現成本低和易于調試等優點成為了當下最熱門的功率放大器的線性化技術。數字預失真的實現方式分為兩大類，分別是查找表和多項式建模的方式。

4 ?結 ?論

射頻功率放大器作為無線通信中的關鍵組成部分，優化其性能是無線通信系統必須研究的一個領域。本文以射頻功率放大器的線性化技術作為出發點，闡述了幾種常用的功放線性化技術，并分析了各種功放線性化技術的優缺點。

參考文獻：

[1] Kahn L R. Single-sideband transmission by envelope elimination and restoration [J].Proc. IRE，1952，40（7）：803-806.

[2] 潘文生.寬帶高效線性射頻關鍵技術研究 [D].成都：電子科技大學，2015.

作者簡介：陳國海（1984-），男，漢族，廣東河源人，中級工程師，本科畢業于重慶郵電大學，主要研究方向：通信工程無線專業的規劃、建設管理。