摘要：預(yù)失真技術(shù)是功率放大器線(xiàn)性化的主要技術(shù)之一。分析了傳統(tǒng)預(yù)失真器不能消除其輸出端所產(chǎn)生雙音基頻分量的特點(diǎn)，提出一種新的預(yù)失真器，并利用它改善射頻功率放大器的非線(xiàn)性失真。仿真結(jié)果表明，該方法可以明顯改善射頻功率放大器的三階交調(diào)非線(xiàn)性失真。
關(guān)鍵詞：非線(xiàn)性失真；射頻功率放大器；消基頻；預(yù)失真器；ADS

O 引言
    射頻功率放大器是距離最靠近發(fā)射天線(xiàn)的重要一環(huán)，被廣泛應(yīng)用與各種無(wú)線(xiàn)發(fā)射設(shè)備中。射頻功率放大器的指標(biāo)主要有：線(xiàn)性度、效率、噪聲系數(shù)等，其中最關(guān)心的是其線(xiàn)性度和效率。隨著無(wú)線(xiàn)用戶(hù)數(shù)目的增多，寬帶通信業(yè)務(wù)的發(fā)展，通信頻段變得越來(lái)越擁擠，為在有限的頻譜范圍內(nèi)容納更多的通信信道，需采用頻譜利用率更高的調(diào)制技術(shù)。但由于放大器的非線(xiàn)性，信號(hào)的包絡(luò)波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生非線(xiàn)性失真。這就對(duì)射頻功率放大器的線(xiàn)性度提出了更高的要求。
    傳統(tǒng)的改善射頻功率放大器非線(xiàn)性失真的方法有：前饋、負(fù)反饋和預(yù)失真。前饋線(xiàn)性化技術(shù)需要額外的輔助功率放大器和較復(fù)雜的控制電路且體積大、價(jià)格昂貴。負(fù)反饋技術(shù)的方法降低了放大器的增益，且只能使放大器在很窄的頻帶內(nèi)穩(wěn)定工作，僅適用于窄帶通信系統(tǒng)。預(yù)失真技術(shù)是目前最常用的線(xiàn)性化技術(shù)之一。其電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、成本低、工作頻帶寬、易于集成且直流功率高。本文將介紹一種新型預(yù)失真器的設(shè)計(jì)方案，并運(yùn)用ADS2008U1對(duì)電路進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，該方案能夠很好地改善功率放大器的非線(xiàn)性失真。

1 預(yù)失真線(xiàn)性化技術(shù)的工作原理
    預(yù)失真是在功率放大器前端增加一個(gè)非線(xiàn)性電路用于補(bǔ)償功率放大器的非線(xiàn)性失真，基本原理如圖1所示。預(yù)失真器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)非線(xiàn)性發(fā)生器，通過(guò)控制非線(xiàn)性發(fā)生器，使其輸出與射頻放大器的非線(xiàn)性特性在幅度上相同、相位上相反，來(lái)抵消射頻功率放大器的非線(xiàn)性，從而提高功放的線(xiàn)性度，使功放獲得線(xiàn)性化輸出。根據(jù)預(yù)失真器所處的位置，可將預(yù)失真技術(shù)分為射頻預(yù)失真、中頻預(yù)失真和基頻預(yù)失真三類(lèi)，本文主要討論射頻預(yù)失真技術(shù)。

    傳統(tǒng)的預(yù)失真技術(shù)的原理框圖，如圖2所示。


    它的不足之處在于，當(dāng)輸入信號(hào)進(jìn)入預(yù)失真器之后，在其輸出端不僅有用來(lái)補(bǔ)償射頻功放非線(xiàn)性特性的非線(xiàn)性失真信號(hào)，而且還有殘余的基頻分量，根據(jù)預(yù)失真技術(shù)的原理可知，這部分殘余基頻信號(hào)是與射頻功放中的基頻信號(hào)相位相反的。故在改善功放非線(xiàn)性特性的同時(shí)，其輸出功率也受到一定程度的削弱。

2 新型預(yù)失真器的設(shè)計(jì)
    本文采用一種電橋形式的同向平行二極管對(duì)預(yù)失真器，預(yù)失真模型見(jiàn)圖3。


2．1 預(yù)失真器模型
    用90°電橋網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成信號(hào)的處理和匹配功能，電橋0°通路上的電容可補(bǔ)償二極管對(duì)的電抗分量，彌補(bǔ)相位失真。采用90°電橋還可以保持輸入／輸出阻抗特性的良好匹配。
2．2 非線(xiàn)性輸出分析
    設(shè)在預(yù)失真器輸入端加等幅的雙音信號(hào)vi：
  
    式中：A為雙音信號(hào)的幅度；ω1，ω2為雙音信號(hào)的頻率。設(shè)預(yù)失真器的非線(xiàn)性傳輸系數(shù)為y=f(x)，輸出為v0，即v0=f(vi)。將其展成冪級(jí)數(shù)形式為：
  
    由上式可知：在預(yù)失真器的輸出信號(hào)中，不僅有基頻信號(hào)，還有各次諧波及各種交調(diào)信號(hào)。其中，需要的是三階交調(diào)失真分量，這里產(chǎn)生的基頻分量對(duì)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)可稱(chēng)為“干擾信號(hào)”，必須設(shè)計(jì)電路將此基頻信號(hào)消除。
2．3 新型預(yù)失真器的設(shè)計(jì)
    針對(duì)預(yù)失真器輸出端有系統(tǒng)不需要的基頻信號(hào)的問(wèn)題，在此將設(shè)計(jì)一種新型的預(yù)失真器，用于消除該基頻信號(hào)，電路原理圖見(jiàn)圖4。輸入的等幅雙音信號(hào)由3 dB功分器等分成兩路，一路信號(hào)進(jìn)入預(yù)失真器，另一路信號(hào)由延遲器延遲后，進(jìn)入增益／相位調(diào)節(jié)器。延遲主要為了讓進(jìn)入增益／相位調(diào)節(jié)器的信號(hào)與進(jìn)入預(yù)失真器的信號(hào)同步。其中，增益／相位調(diào)節(jié)器由可調(diào)衰減器和可調(diào)移相器級(jí)聯(lián)而成，其作用是為了得到具有適當(dāng)幅度和相位的基頻信號(hào)。此外，預(yù)失真器的輸出端將包含基頻在內(nèi)的一系列非線(xiàn)性失真分量，經(jīng)適當(dāng)延遲后，與增益／相位調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)一起被送進(jìn)功率合成器。通過(guò)控制衰減器的衰減量和移相器的相位來(lái)產(chǎn)生與預(yù)失真器輸出信號(hào)中所包含的基頻信號(hào)具有相同幅度、相反相位的信號(hào)，用來(lái)抵消預(yù)失真器所產(chǎn)生的基頻分量。在功率分配器輸出端得到的信號(hào)就是需要的三階交調(diào)失真信號(hào)。


2．4 預(yù)失真器仿真分析
    在安捷倫公司的ADS2008U1中完成電路仿真模型的搭建，仿真電路如圖4所示加入等幅雙音信號(hào)，其頻率分別為940 MHz和950 MHz。對(duì)電路進(jìn)行諧波平衡(HB)仿真分析，得到預(yù)失真器輸出信號(hào)頻譜如圖5，圖6所示。

      


    圖5為傳統(tǒng)預(yù)失真器的仿真結(jié)果，圖6為加了消基頻電路后的仿真結(jié)果。經(jīng)比較可看出加了消基頻電路之后，預(yù)失真器輸出端的信號(hào)中基頻分量減少了40 dBc。

3 預(yù)失真功率放大器的設(shè)計(jì)與仿真
3．1 設(shè)計(jì)指標(biāo)及預(yù)失真功放電路的搭建
    預(yù)失真器射頻功率放大器的性能指標(biāo)：工作頻段為900 MHz～1 GHz；輸出功率大于等于13．4 dBm；三階交調(diào)改善大于等于40．2 dBc。仿真時(shí)使用的是一個(gè)封裝好功放模塊，該模塊內(nèi)包含功率管MRF9742和直流偏置電路及輸入／輸出匹配電路等，預(yù)失真功放電路如圖7所示。


3．2 射頻功放仿真結(jié)果
    仿真結(jié)果如圖8，圖9所示。

       


    其中圖8是沒(méi)加預(yù)失真器時(shí)功放的輸出頻譜，圖9是加了預(yù)失真器后的功率放大器的輸出頻譜。

4 結(jié)論
    本文設(shè)計(jì)了一種帶消基頻的預(yù)失真器，并把此預(yù)失真器用于改善射頻功率放大器的非線(xiàn)性失真。仿真結(jié)果表明，利用本文設(shè)計(jì)的預(yù)失真器可明顯補(bǔ)償傳統(tǒng)預(yù)失真器的不足，并且可以抑制射頻功率放大器的三階交調(diào)失真分量達(dá)40 dBc以上。本文有待改進(jìn)之處在于，可以利用自適應(yīng)方法來(lái)控制電路中可調(diào)移相器和衰減器，通過(guò)檢測(cè)輸出信號(hào)中的三階交調(diào)失真分量的比例，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)衰減器和移相器，這樣可以更好地改善射率放大器的非線(xiàn)性失真。