微波功率放大器的线性化设计及实践研究

甄建勇

摘 要：国内外常用的微波功率放大器的线性化方法包括：前馈法、功率回退法、预失真法、LINC法等。

关键词：微波功率放大器；线性化设计；实践研究

近几年来，功放线性化的开发设计吸引了国内外的科研单位、高等院校、通讯公司等关注。例如，国外Optichron公司推出的第一款商业应用的数字预失真设备，这款数字预失真设备的兼容性比较高，可以应用在Doherty功放的配置、AB类放大器，并支持各种调制方式；这款数字预失真设备开发设计与实践不需要程序编写，更不需要外部处理器配置，尽管相对比较简单，但其信息采样率能达到每秒2.5亿样本，能提供16位的信号分辨率。TI公司的产品GC5322包含了预失真处理和消峰算法，这款产品采用限幅器完成增益的自适应调整，然后通过内插采样模块、功率测量模块完成信号的预失真处理。近年来，国内对微波功放线性化的研究大多停留在算法仿真與验证阶段，由于高阶调制技术的广泛应用，研究者对功放线性化关注越来越高，一些高校和公司等都在这方面进行研发工作，并取得了一些成就，例如单频和双频数字预失真新技术和新模型。

一、功放线性化的设计与实现

（一）功率回退法的设计与实践研究

一种最常用的线性方法为功率回退法，这种方法选择输出功率比较大的功放管子替代小管子来实现其应用，使功率放大器的输出功率从P1dB压缩点回退几个分贝，让功率放大器的输出功率离饱和区较远，从而改善放大器的三阶交调系数，达到线性化目的。功率回退法的原理示意图见图1。

由于功率回退法的实现方式较为简单，不需要再增加外围电路，操作较方便，但是其潜在的缺点是放大器的功率较低，且可以改进的范围受到限制，放大器的线性度是以牺牲直流功耗来得到的。

（二）负反馈法的设计与实践研究

近年来，常用提高微波功放线性的办法为负反馈法，可以应用到低频段，不过负反馈法是通过牺牲放大器的增益来实现压缩失真讯号的目的。从原理上分析，它将功率放大器的非线性分量反馈至输入端口，和原始信号一块当成放大器的输入，从而降低非线性，负反馈法的原理示意图见图2。

负反馈法的优点是精度较高，价格便宜，线性改善可以达到15～20dB，不过其实际上是在牺牲增益的前提下，达到了压缩功放非线性的目的，功放产生的失真减少量就是系统的反馈量，从而减少了整个系统的增益，因此放大器增益要求足够大。负反馈法的缺点是它的环路延时较大，不适合宽带功放，同时它的稳定性较差，总体上负反馈技术应用范围不广泛。

（三）前馈法的设计与实践研究

上世纪，国外学者Harod S.Black提出了前馈法线性化技术，它的基本原理是通过构造两个完全相同的功率放大器：主放大器和纠错放大器。前馈法通过从主功放的输出中减掉纠错放大器的非线性失真信号，然后得到线性输出功率。

前馈法线性化技术的优点如下：具有较高的精度，稳定度较高，不受带宽限制，理论上可以全部消除非线性分量。但是前馈系统需要幅度严格一致，缺点是对通路的相位和延时要求较高，调试难度较大，自适应效果差，实现成本高。

（四）LINC法的设计与实践研究

LINC法的设计原理是把输入信号分成两个包络一样、相位不同的信号，用来代替原始信号，利用两个非线性放大器单独放大，再进行功率合成。

LINC技术对功放非线性改善较为明显，效率高，但它对两个放大器的一致性要求很高，而且当器件老化、温度漂移等因素变化时自适应能力差。该方法复杂度较大，应用范围不广泛。

（五）预失真法的设计与实践研究

预失真技术是改善功放给线性失真较好的方法，它是在功放前端的基带单元构建一个数字预失真器，由非线性模块实现，它的非线性特性和功放的非线性特性相反，用来抵消功放的非线性失真，从而实现整个系统的线性放大。

预失真技术分为射频预失真和数字预失真。采用模拟器件和电路实现射频预失真，优点是应用成本较低，电路结构简单，方便高频使用，缺点是因为需要使用非线性射频元件，频谱再生分量改善较少，线性指标低。

数字预失真在基带单元进行信号处理，采用FPGA和DSP实现预失真算法处理和功放非线性参数提取，硬件电路简单，具有自适应功能，不受频率、宽带、温度变化的影响，稳定性好，线性度改善较高。

二、结语

通过对国内外常用的微波功率放大器的线性化方法例如前馈法、功率回退法、预失真法、LINC法等的研究，对未来微波功率放大器的线性化的设计提供了帮助，更为微波功率放大器的线性化的实践奠定了基础，为科研工作者和公司也提供了新的契机。运用现有微波功率放大器的线性化方法例如前馈法、功率回退法、预失真法、LINC法的成果优点，并将优点相互联合，克服存在的缺点，为微波功率放大器的线性化方法的设计提供了新的发展方向。

参考文献：

[1] 杨小海.基于FPGA的射频功放数字预失真技术平台研究与实现[D].杭州电子科技大学，2010.