射频功率放大器在无线通信中的应用研究

冯长乐

（河北远东通信系统工程有限公司，河北 石家庄 050200）

0 引 言

现阶段，通信产业正在快速发展，相关技术手段的更新速度也在不断加快。在无线通信系统中，射频（Radio Frequency，RF）功率放大器作为重要组成部分可以有效发挥扩大频谱范围的作用，提高信号传输水平，但是运用射频功率放大器容易引发信号失真。为了降低信号失真的影响，提高射频功率放大器在无线通信中的应用价值，应积极做好射频功率放大器的线性技术优化，提高无线通信质量。

1 射频功率放大器概述

射频功率放大器在无线发射机设备中发挥着重要作用。在无线通信的发射机设备运营过程中，必须明确无线信号的传输范围，同时有效调节射频信号的功率参数[1]。在实际操作中，必须确保整个操作流程的合理性，使得无线通信发射机发出的射频信号功率符合信号覆盖的要求，实现对周围信道干扰的控制效果。针对射频功率放大器模块，该组成部分通常在无线通信系统中具有良好的应用价值。通过射频功率放大器能够针对无线通信系统的信号功率和输出效率进行有效分类，在判别射频功率放大器性能时，一般采用增益效果、输出功率和三阶互调系数来评价。

2 射频功率放大器的原理

在无线发射机中，射频功率放大器是非常重要的组成部分。采用无线电发送器时，应注意先明确信号的覆盖范围，再调节射频信号的功率。实际的操作过程中，应该将重点放在行动方案的可行性上，使得无线发送器能够提供足够的射频能量，并能有效抑制周边通信信道对它的影响。就目前国内的无线电波功放而言，射频功率放大器功放的种类很多，可以按其输出效率。功率大小等进行归类。在对射频功率放大器功放的性能进行判定时，主要考虑的是增益情况、输出功率以及3 阶互调系数等[2]。

3 射频功率放大器的非线性特性概述

射频功率放大器中以半导体元件作为核心组成部分，本身就具有特定的非线性[3]。针对射频功率放大器的非线性分析中，一般将输出和输入功放的关系表示为

式中：U1(t)为输入电压，通常指电压瞬时值；U0(t)为输出电压，通常指电压瞬时值。

射频功率放大器的非线性曲线如图1 所示。从中能够看出，在射频功率放大器的输入功率比较小的情况下，输入功率和输出功率具有线性关系，比值为常数，关系图为直线；随着射频功率放大器输入功率的增加，输入功率与输出功率的关系出现非线性变化，比值不再是常数；而随着射频功率放大器输入功率的减小，输入功率和输出功率曲线也将呈现非线性特征，并逐渐形成平缓曲线。通过分析射频功率放大器的非线性曲线图，可以看出线性和功率成反比关系。当输入功率处于线性范围，在功放输出信号和输入信号为倍数关系的情况下，并不存在非线性失真以及其他分量。然而当射频功率放大器的输入功率较低时，因放大倍数小会造成其工作效率偏低，将无法满足无线通信的覆盖范围需求，因此只能依靠应用更多的射频功率放大器来提高放大等级，这也造成了一定程度上的资源浪费[4]。

图1 射频功率放大器的非线性曲线

为了满足射频功率放大器在无线通信应用中的效率标准，必须保证射频功率放大器处于饱和区域。而通过射频功率放大器的非线性曲线来看，如果射频功率放大器处于饱和区域，则很容易引发非线性失真现象，导致接收器无法精准还原无线信号，最终使无线传输失败[5]。

4 射频功率放大器的非线性失真分析

4.1 静态非线性失真

该类型的非线性失真一般考虑处于饱和区产生谐波失真与互调失真的情况，具体分析如下。

4.1.1 谐波失真

引发谐波失真的原因是当射频功率放大器的功放信号放大后，不仅包括基波信号，也包含倍频信号[6]。在不考虑非线性失真特性的情况下，射频功率放大器的功放输出信号为

式中：y(t)为射频功率放大器的功放输出信号；k1为射频功率放大器的功放倍数。

如果将非线性失真因素考虑进来，射频功率放大器的功放输出信号为

通过式（3）可以看出，射频功率放大器的功放输出信号不仅能实现线性输出，同时也会生成其他分量。为了分析射频功率放大器的谐波失真原因，利用单音信号x(t)=Ucosω0t作为待测信号，将其与式（3）结合，计算功放输出为

通过式（4）可以看出，射频功率放大器功放输出信号除了基波分量，还包括2 倍频、3 倍频以及其他倍频，充分表明了射频功率放大器谐波失真的特性。

4.1.2 互调失真

产生互调失真主要是由于射频功率放大器的基波分量和谐波失真分量等多个分量与频率交汇，形成新的频率分量。为了明确互调失真特性，通过双音信号x(t)=U(cosω1t+cosω2t)进行测试。将其带入式（3），可以求得射频功率放大器的输出信号为

通过式（5）可以看出，输出信号不仅包括基波分量和倍频分量，同时谐波失真也产生了混频分量，从而验证了射频功率放大器的互调失真特性。

4.2 动态非线性失真

对于无线通信系统中的射频功率放大器而言，出现动态非线性失真的现象主要受到功放记忆效应的影响，其中的记忆效应一般指的是放大器输出的信号和输入信号具有一定关联性[7]。动态非线性失真主要是由匹配网络电抗和内部元件造成的，结合产生原因又可分为热效应和电效应2 类。其中，热效应受到不同因素的影响，又分为短期热效应和长期热效应。短期热效应主要是晶体管的温度发生改变引发的非线性失真；长期热效应则是由于晶体管内部散热与外部环境影响而引发的非线性失真。电效应则主要是由于偏置电路和储能元件相互干扰并叠加后引发的分量失真[8]。

5 射频功率放大器技术在无线通信系统中的应用

5.1 前馈法的应用

前馈法是在20 世纪初期被科学家提出的，在早期得到广泛应用。起初，前馈法主要运用于电路制造和维修领域，特别是开环电路中对前馈法的应用较为常见。随着科技水平不断提升，该方法在各个领域均得到了广泛应用。以频带来说，前馈法的应用需要做好小分贝电路元件的限制。在辅助放大器应用中，由于元件结构比较复杂，因此该技术的应用也存在较大的难度。此外，前馈法的应用还能够改善功放线性特征，不仅可以实现元器件的增益效果，还能降低对其他信号传输产生的干扰。前馈射频功率放大器在实际应用中主要由误差放大器、耦合器、减法器以及延时单元组成，所有部分在射频功率放大器中均发挥着相应的作用。在实际运行中，前馈射频功率放大器容易出现失衡状态。为此在控制射频功率放大器时，需要确保各项操作的规范性与准确性，保证射频功率放大器的应用获得理想效果。

5.2 反馈法的应用

在射频功率放大器的应用中，除了前馈法以外，反馈法也具有良好的应用。当无线信号传输过程中发生射频功率放大器功放失真的现象，通过反馈法可以对失真的信号进行科学处理。在反馈技术的实际应用中，其只需运用简单的电路结构就能够达到理想的失真处理效果。在低频电子技术的应用中，反馈技术能够有效抵消射频功率放大器产生的失真现象，使通频带和非线性失真指标得以满足。通常情况下，在应用射频功率放大器反馈技术时，通常容易受到限制，尤其是在高频段宽带条件下的信号传输中，其输入信号和反馈信号将出现反差，因此反馈法一般只应用于低频段宽带中。

5.3 EER 法的应用

包络消除和恢复（Envelope Elimination and Restoration，EER）作为一种常见的射频功率放大器现行技术手段，其作用是实现对射频功率放大器功能的进一步放大，为无线信号传输提供可靠支持。以中频段输入信号来说，利用ERR 法能够产生同等幅度的输入信号，再通过混频器将信号进行变频处理，使得输入信号转化成射频信号。该技术在无线通信系统中的应用具有较高的难度。因此，在ERR 法的应用过程中，应合理控制变频器输入信号，可以发挥ERR 法的应用优势，有效分离混频器中的信号，确保中频信号得以有效加强，以此来实现控制射频功率放大器的功能。此外，在实际应用中，EER 技术还可以发挥自身良好的灵活特点，能够有效调节载频通路信号和电源通路信号的相位差。

5.4 预失真法的应用

该技术方法通常运用在射频功率放大器的功放前，将预失真设备加入在无线通信系统中能够确保射频功率放大器的功放非线性得到有效抵消，充分发挥射频功率放大器的线性特征。在该技术的实际应用过程中，可以发挥出高效率、低成本以及控制便捷等优势。射频功率放大器中预失真技术的主要应用分为射频预失真和数字预失真。对比这2 种方法可以看出，数字预失真技术一般用来处理数字信号，射频预失真一般是进行射频功率放大器功放的互调失真处理。由于工作环境和条件差异，信号预失真相位也存在一定差异，为了确保信号预失真得到有效处理，需要合理控制自适应程度，以此来达到良好的信号传输效果。

6 结 论

随着我国现代科技水平的不断提升，对无线通信技术也提出了全新的要求。为了提高无线通信技术的应用范围，满足人们生产和生活的需求，在无线通信业务中对射频功率放大器的运用越来越广泛。但是在射频功率放大器应用中容易引发失真现象，为了有效降低射频功率放大器功放时的失真情况，需要合理优化射频功率放大器的线性技术，发挥射频功率放大器的应用优势，为无线通信系统的信号传输提供可靠支持。