射頻功率放大器的前饋線性化簡介

了解一種用于高功率射頻發射機的重要設計技術：前饋線性化，其工作原理是基于失真信號的抵消。

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

有幾種不同的功率放大器線性化技術可供選擇。自電話通信誕生以來，放大器中的失真問題就一直存在，因此其中一些技術已經存在了很長時間。例如，Harold Black分別在1928年和1937年申請了前饋和反饋電路技術的專利。最初這些技術旨在最小化中繼放大器的失真，后來被用于線性化射頻功率放大器。

在本文中，我們將討論前饋線性化技術。圖1展示了一個前饋功率放大器（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，前饋結構實際上需要兩個放大器。該拓撲結構通過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。非線性放大器的輸出可以看作是輸入信號的線性復制和由非線性引起的誤差信號的總和。因此，節點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是由放大器的非線性產生的誤差信號。

在框圖中，垂直分支將非線性功率放大器的總輸出衰減Av倍，以產生節點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p處的失真信號的衰減版本：

公式3

從輸入到第一個減法器的兩條路徑形成了一個環路，消除了節點p處的輸入信號。這被稱為信號抵消環路。

接下來，節點p處的電壓被應用到一個增益為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

盡管放大器是非線性的，但整體輸出是輸入信號的線性復制。前饋功率放大器系統的第二個環路被稱為誤差抵消環路。

誤差放大器

第二個環路中放大器引入的任何跟蹤誤差都會在輸出端無補償地出現。因此，誤差放大器的失真特性決定了系統的整體線性度。

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

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

從輸入到第一個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《無線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，并且其相關組件必須具有完美的增益匹配。例如，如果從輸入到第一個減法器的兩條路徑表現出不同的延遲，信號抵消將無法進行。

需要在頻率、溫度和時間上實現精確的增益和相位跟蹤。此外，放大器會引入一些信號路徑延遲。因此，我們需要引入兩個延遲塊來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。延遲塊可以由無源集總元件網絡或傳輸線構成。

但請記住，這些塊會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重大挑戰。

實際實現

圖3展示了一個更實際的前饋功率放大器實現。

使用定向耦合器的更實際的前饋功率放大器系統。

圖3 一個更實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鍵節點處采樣和路由信號。系數cn和cn′分別表示每個耦合器的耦合系數和主線增益。

與我們之前檢查的電路不同，這種安排在信號抵消環路中沒有明顯的衰減器塊。相反，衰減是由環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。它將信號分成兩個分量，稱為同相和正交分量，彼此相差90度。通過調整這些分量，圖4中的矢量調制器匹配環路的增益和相位。

自適應前饋系統

自適應前饋功率放大器監控系統的線性性能并相應地調整環路參數。圖5展示了一個自適應前饋功率放大器的簡化框圖。

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性性能的方法。

之后，存在多種算法通過微調信號抵消和誤差抵消環路來優化性能。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現比原本更低的失真水平。

優點和缺點

與反饋方法相比，前饋技術有幾個優點。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相位偏移時仍然是穩定的。這種穩定性源于輸出沒有被反饋到輸入。

前饋方法的另一個顯著優勢是其寬帶寬。這種寬帶功率放大器對于多載波無線通信（包括無線基站使用的通信）至關重要。它也是一種相對低噪聲的線性化技術。主放大器的噪聲理想情況下會以與失真相同的方式被抵消。

這帶來了前饋系統的另一個好處：它們幾乎即時地校正失真誤差。因此，它們不受通常與功率放大器相關的記憶效應的影響。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。它會影響預失真線性化技術的有效性，我們將在未來的文章中討論這一點。

總之，前饋功率放大器系統具有以下優點：

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。正如我們之前提到的，引入模擬延遲元件需要使用無源器件，如微帶線。這些器件中的功率損耗是一個關鍵問題。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

前饋線性化方法基于失真信號的抵消原理。它通過確定失真信號然后從非線性功率放大器的輸出中減去它來實現信號校正。前饋系統非常適合需要寬帶寬的應用，使其成為移動通信網絡中的重要組成部分。