一种非线性元件实现线性放大的改进技术与仿真

刘成国 杨国纬 刘尚合

（1.武汉理工大学理学院，射频与微波技术研究中心，湖北 武汉430070；2.军械工程学院静电与电磁防护技术研究所，河北 石家庄050003）

引 言

现代通信系统中，功率放大器作为核心部件之一，其效率和线性度极大地影响着整个系统的性能，而效率和线性度又是一对矛盾的指标，需要权衡取舍［1］.随着现代通信技术的发展，频谱资源越来越紧张［2］，传输信息量越来越大，于是越来越复杂的信号调制技术应运而生，例如多载波技术、正交频分多址技术和多元线性幅度调制技术［3-4］等.它们输出的几乎都是非恒定包络的调制信号，并且输出信号峰均比极大［5-6］，容易进入功率放大器的非线性区域导致信号失真，造成明显的频谱扩展干扰，所以要求功放具有很好的线性度［7-8］，而功放模块作为整个通信系统中最耗电的部分，高效率也是对其的一个必然要求.LINC技术［9-10］中由于其功放可以工作在饱和状态，所以具有很高的效率；其次，只要调整好两支路的幅相平衡，就可以获得较好的线性度.所以现在LINC技术被广泛运用到射频功率放大器电路中［11-14］.本文通过研究LINC理论，对原有理论提出了一些有效的改进，并进行了仿真分析.

1 基本原理

对于一般的带通信号

其中E（t）＝Emsinφ（t）≥0为实包络.将其视为LINC放大器的输入信号，输入到信号分离器中，如图1所示.

图1 LINC放大器原理图

信号经过分离器后拆成两个幅度相等且恒定的信号S1（t）和S2（t）.

两个放大器也可以是两个功率振荡器，只需其是相位锁定或注入锁定即可，同时两个放大器要有相同的增益.

1.1 信号分离的具体实现

实现原理是将输入信号分解为包络信号（即基带信号）与恒包络角调信号（即载波信号），将包络信号通过相位调制器反相调制到两路恒包络角调信号中，然后进行变频和放大，再对两路信号相减，便可以将包络信号从相位中解调出来，从而恢复出放大后的原始输入信号.

图2 LINC的系统方框图

如图2所示，图中的去包络电路主要是将输入信号的包络去除，得到载波信号.S（t）为输入带通信号，通过去包络电路后得到恒包络角调信号P（t），再通过同步检波器，得到包络信号E′（t），式中：

为获得两个分离信号，先分析放大器的反馈环路，该放大器有比较大的电压增益Gl＝-V0/Vi，P（t），经过相移后再由V0（t）对其进行相位调制，然后经过混频和低通滤波，得到

为了使其闭环稳定，取｜k1V0（t）｜≤π/2.假设放大器的输入阻抗比R1和R2大得多，可以得到

可以看出，式（8）与式（4）有相同的形式，只要使Gl足够大就能让它们充分近似.Gl的大小由LINC总的失真限制规定，如果k1和K足够大，Gl就可以小于单位增益，这个基带放大器就可以用一个被动求和网络代替，可以增加分量分离器的可实现带宽.若选择K、R1和R2的值使得K·R2/R1＝Em，则

那么图2中的输出则变为

当然，反馈环路的设计应当满足相移的要求以及增益对稳定性的需要.应该注意，如果反馈环路中的相位调制器不能使相位线性改变，即不是电压V0的线性函数（比如k1是V0的函数），那么高增益反馈环路将通过使V0（t）失真使其满足sin［k1（V0）V0（t）］＝V1（t）和k1（V0）V0（t）＝φ（t）来补偿这个缺陷，唯一需要的是图2中的两个相位调制器一定要有相同的调制特性k1（V0）.当然，如果调制器能实现sin-1特性，也就不需要反馈环路了.

这里需要说明一下，文献［9］中认为通过同步检波器后输出的包络信号是E（t），经过反馈电路后，得到.而本文分析经过同步检波器后得到的信号是E′（t），再经过电路分析得出式（8）.

1.2 变频并实现放大

通过把低频的信号转换成O1（t）和O2（t）两路信号，用相同的振荡器把两路信号混频到高频率并实现功率放大，如图2.得到

混频器和放大器可以是非线性的，输出信号是频率调制到ω0＋ω1的放大信号.最后经过一个减法器，得到

在这里需要指出的是，文献［9］中推导得出的是4 KG/Em，根据修改后显然应该是KG/Em.由此，可以看出，LINC放大器要实现如图1原理所示的G倍放大，需满足K＝Em.

2 仿真结果与分析

取K＝0.5，R1＝100Ω，R2＝200Ω，输入信号恒幅分量的频率f0＝ω0/2π＝50MHz，调制载频f1＝ω1/2π＝320MHz，输入信号的其余参量为θ（t）＝1 000 t，φ（t）＝2π×105t.对电路进行软件仿真，运行结果如图3所示，其输入信号的幅度分别为1V、5 V，包络周期都为10-5s，电压放大倍数为5倍.图4为对应的功率谱密度，功率分别集中在49.9MHz和369.3MHz.

当输入信号恒幅分量的频率改为f0＝5MHz，调制载频不变时，适当调整采样频率，仿真结果如图5所示.

从图5可看出，输出电压包络幅度和周期都没有变化，放大无失真.图6为其功率谱密度，图中出现两个峰值，是因为输入信号S（t）＝Emsin（φ（t））·cos（ω0（t）＋θ（t））可以看作是双音信号，由于f0＝5MHz，而MHz，二者相差不大，所以，双音信号二频率相差较大，出现明显频谱扩散.同理，输出信号因为频率相差不大，未出现频谱扩散.若调整f0或φ/2πt值，使f0与φ/2πt相差很大，则无明显频谱扩散现象.

图6 改变输入信号恒幅分量频率后的信号功率谱密度

当基带频率不变，调制载频f1＝3GHz时，仿真结果如图7所示.输出信号包络幅度和周期都无变化，放大信号无失真.

图8为对应的功率谱密度，功率分别集中在49.9MHz和3.044GHz.

由此可知，对于不同的输入信号频率和调制载频，放大不会产生失真.

当输入信号幅度变为10V，去包络电路的系数K变为5时，仿真结果如图9所示.图中输出信号幅度为50V，是输入信号幅度的5倍，包络周期无变化.图10为对应的功率谱密度，功率分别集中在49.9 MHz和369.3MHz，与没改变输入信号幅度前相同.

由此可知，对于不同信号幅度，放大不会产生失真.

3 结 论

LINC技术适用于幅度和相位均有变化的信号，主要是通过将输入信号变换为恒定包络的信号来实现线性放大，放大器可以工作在非线性区域（饱和区），因此效率很高，对高峰均比信号也不会失真.但是要求上下两个支路的对称性要相当好，不能有相位延迟和幅度偏差，两个放大器的参数也要完全一致.本文对文献［9］中考克斯提出的原理进行了改进，提出了自己的改进意见，进行了程序仿真，并分析了结果.仿真结果表明LINC技术适用于不同幅度和频段（信号基频和调制载频）的信号，在无损耗的情况下其放大倍数是由包络信号的幅度、去包络电路的系数以及放大器增益共同决定，为KG/Em.

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