宽带前馈功率放大器设计

陈创业

摘要：目前，无线通信系统对发射机的带宽和线性度提出了更高的要求，前馈线性化技术是满足需求的唯一技术。本文首先对比了目前主流的几种线性化技术的优缺点，然后对宽带前馈线性化技术的关键原理进行了分析并针对工程应用做了设计优化，一定程度提高了效率。

关键词：发射机;前馈;线性化

中图分类号：TN722.75 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）07-0167-03

0 引言

进入21世纪以来，随着移动通信的更新换代，预失真线性化技术已无法处理宽带多载波的射频信号，同时电子器件制造和数字信号处理技术的发展进步，使得前馈技术成为目前最热门的线性化技术。

基于前馈技术在带宽和线性度改善方面的优越性能，展开对其原理和关键技术的分析并进行工程化设计十分必要。

1 放大器的线性化技术

射频放大器的线性化技术按技术原理可分为反馈、预失真和前馈三大类。

反馈技术因电路简单，作为闭环自适应线性化技术必要组成仍广泛应用于音频放大器，但在射频工作频段，很大程度上受工作带宽窄和难以有效处理多载波信号等缺点的限制。

预失真技术属于开环线性化技术，具有稳定性好、频带宽、电路简单且成本低等优点，是目前应用最广泛的线性化技术;然而该技术对互调失真的改善程度有限，一般仅为几个dB。

前馈技术具有无条件稳定特点，噪声系数小，互调失真改善程度高，虽然该技术对系统中各元件的幅度、相位以及时延精度要求较高，且对系统效率有一定恶化，但它已是目前唯一能满足现代通信系统对带宽和多载波需求的技术。

以上几种线性化技术对比情况[1]见表1。

2 前馈线性化技术基本原理

前馈放大器基本结构图如图1所示。

如图1所示，主环路中的支路1实现主信号放大，支路2对输入信号进行耦合提取并调整群时延，最终实现对交调信号的提取;误差环路中的支路4实现被放大后的主信号的群时延调整，支路3对交调信号进行幅相调节，最终通过耦合器4将输出信号的交调信号消除。

3 前馈线性化关键技术

3.1 高精度矢量信号对消

前馈线性化技术的基本思想是通过两次高精度的矢量信号对消实现对交调抑制的大幅度改善，一般要实现25dB的抑制需要对消两支路的信号幅度和相位差分别在0.5dB和5°以内[2]，而当信号带宽较窄时群时延的影响则较小，对精度要求不高。

支路信号的幅相特性通过矢量调制器实现。若对消抑制和动态范围要求不高可采用数控幅相调制器，受控制位数有限的限制，幅度步进一般为0.5dB，相位步进为5.625°，幅度可调节范围一般在10dB以内，相位调节范围5.625°～360°;当对消抑制和动态范围要求较高，则需使用压控模拟矢量调制器，其代表原理框图如图2所示，工作过程主要通过高精度连续变化的电压来控制相互正交的双极性压控衰减器来实现，高精度电压通过提高DAC的控制位数实现，最终可实现幅度和相位连续变化，且幅度可调范围较大，至少在20dB以上。

目前，国内高频宽带高精度的压控模拟矢量调制器基本处于空白状态，是自主可控研究的限制瓶颈。

3.2 宽带射频电路设计

宽带主要指工作频带和信号带宽两方面，而两者对射频电路的设计需求是不同的。

当工作频带较宽时，即相对带宽至少大于10%，为满足矢量信号的宽带对消条件，两条支路的最主要的幅频特性要保持一致，一般在±0.5dB以内。

较宽的信号带宽则对合成器件（耦合器、3dB电桥或者威尔金森合路器）和误差放大器的带宽提出了更高的要求，其工作带宽至少需要BW+2×△f，其中BW为主放大器的工作带宽，△f为最大信号带宽。

4 工程化的优化改进设计

当前馈放大器的输出功率动态变化时，误差环路的中两支路的幅度一致性可能出现较大波动从而使矢量对消效果严重恶化，通过对幅度一致性可能的变化趋势进行预判，可将矢量调制器1的工作点调整到最合适的工作状态。

另一方面，当前馈放大器具有较大动态范围时，主放大器的增益通常较大，这导致支路1的矢量调制器的衰减量通常在20dB以上，故误差放大器将具有很高的增益，为了降低对误差放大器的增益压力，我们将主放大器拆分成两级，同时将矢量调制器1更换到支路2上，原理框图如图3所示。

优化后的推动放大器需要具有较高的线性度指标，同时末级放大器具有合适的增益以满足主环路的矢量对消条件，误差放大器的需求增益可被极大的降低，一定程度上提高了效率。

5 结语

本文针对传统前馈放大器的原理框图，提出了优化改进措施，最终减小了误差放大器的增益压力，提高了效率，同時针对宽带多载波大动态前馈放大器的关键设计技术及其现状进行了分析，对工程应用具有一定的指导作用。

参考文献

[1] 李堃.高线性大功率前馈功率放大器的设计[D].武汉：华中科技大学，2017.

[2] M.K.Nezami，Feedforward power amplifier linearization for 4G basestation[C].IEEE Proc.Malaysia Int.Conf.Commun.（MICC），Kuala Lumpur，Malaysia，Dec.2009（8）：880-884.