无线通信射频功率放大器线性化技术研究

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摘  要：在整个无线通信系统中，射频功率放大器是不可或缺的器件。本文从改善射频功率放大器线性化的领域出发，来解决功率放大器的线性和效率存在的矛盾问题。文章首先介绍了射频功率放大器本身固有的失真特性以及线性和效率之间存在的矛盾关系，然后阐述了几种常用的射频功率放大器线性化技术，分析了各种线性化技术的优缺点。

关键词：无线通信;射频功率放大器;工作效率;功放线性化技术

中图分类号：TN722.75      文獻标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）12-0053-03

Abstract：In the whole wireless communication system，RF power amplifier is an indispensable device. In order to solve the contradiction between linearity and efficiency of RF power amplifier，this paper starts from the field of improving linearization of RF power amplifier. Firstly，the inherent distortion characteristics of RF power amplifier and the contradiction between linearity and efficiency are introduced. Then several commonly used linearization techniques of RF power amplifier are described，and the advantages and disadvantages of various linearization techniques are analyzed.

Keywords：wireless communication;radio frequency power amplifier;work efficiency;power amplifier linearization technology

0  引  言

近些年来，无线通信发展迅猛，无线移动通信经过了近五十年的不断完善和推陈出新，时至今日已经历经了五个技术时代，当下正处于第四代移动通信向第五代移动通信过渡的关键阶段。在无线移动通信高速发展的当下，射频功率放大器在手机通信业务、军事指挥系统、广播电视、仪器仪表和航空航天等领域都有着广泛的应用。

1  射频功率放大器效率和线性之间的矛盾关系

射频功率放大器由于其核心器件是半导体元器件，因此其自身存在着固有的非线性。功率放大器的非线性曲线图如图1所示。

由图1可以看出，当功率放大器的输入功率较小时，输出功率和输入功率呈线性关系，输出功率和输入功率的比值是一个常数，其比值曲线是一条直线;随着输入功率的不断增加，输出功率和输入功率的比值不再是一个常数，而是随着输入功率的不断增加而慢慢减小，输出功率与输入功率的比值曲线也呈现出了非线性，呈一条逐渐倾向平缓的曲线状。

通过对射频功率放大器非线性曲线图的分析可以看出，射频功率放大器的线性和效率呈现出了一个反比的关系。

当射频功率放大器工作在线性区，经过功率放大器放大后的功放输出信号与原始的功放输入信号呈线性倍数关系，没有产生其他分量和非线性失真。但是由于此时输入信号功率较低，功率放大器的放大倍数也很低，射频功率放大器的效率很低，往往无法达到无线通信系统的要求，需要多个功率放大器进行多级放大，从而造成了很大的资源浪费和效率浪费。

考虑到无线通信系统对射频功率放大器的效率要求，需要让射频功放工作在饱和区，但通过对图1的分析可以看出，当功率放大器工作在饱和区时，产生了较大的非线性失真，使得接收机没有办法还原出原始的发射信号，导致整个无线通信系统传输失败。

2  射频功率放大器的非线性失真

2.1  射频功率放大器的静态非线性失真

射频功率放大器的静态非线性失真主要考虑射频功放工作在饱和区时产生了其他分量而造成的谐波失真和互调失真。

2.1.1  射频功率放大器的谐波失真

射频功率放大器的谐波失真是指通过功放放大后的信号，除了含有原有的基波信号，还包括了基波分量的倍频信号。

不同于谐波失真，互调失真是影响功率放大器线性度的一个主要因素。谐波失真产生的倍频信号距离基波信号较远，往往可以通过滤波器直接滤除掉失真干扰信号，只保留有用的基波信号。互调失真产生的干扰信号，通常是两个频率的混叠或者差值，距离基波频率往往很近，因此不能使用滤波器直接滤除的简单方法。互调失真是造成带外失真和带外干扰的主要因素，会造成较大的邻信道干扰，从而大大影响无线通信系统的质量。因此，需要特定的射频功率放大器线性化技术来解决互调失真这一问题。

2.2  射频功率放大器的动态非线性失真

射频功率放大器的动态非线性失真又被称为射频功放的记忆效应，所谓的记忆效应就是指射频功率放大器的输出信号不仅与此时的输入信号有关，还和之前的输入信号存在着某种联系，之前的输入信号与现在的输入信号共同影响着当前的输出。

射频功率放大器的动态非线性失真往往是由于内部元器件和匹配网络的阻抗电抗等引起的。按照生成的原因不同，射频功率放大器的动态非线性失真可以分为热效应和电效应。

射频功率放大器的热记忆效应又根据内部和外部因素分为了短时间的热记忆效应和长时间的热记忆效应。短时间的热记忆效应是由于晶体管温度的变化跟不上工作频率的变化而产生的一种动态非线性失真。长时间的记忆效应是由于晶体管工作时的内部散热和外界环境对功率放大器半导体器件产生的影响从而造成的动态非线性失真。

功放的电效应产生的原因是储能元器件和偏执电路以及匹配网络造成的干扰叠加在了直流分量上造成的失真。

3  射频功率放大器的线性化技术

为了解决无线通信系统中射频功率放大器的线性度和效率之间的矛盾关系，保证功放工作在高效率的饱和区时也具有较高的线性度，从而保证整个无线通信系统的传输质量，对射频功率放大器的线性化技术的研究显得尤为重要。

3.1  功率回退技术

功率回退技术的原理比较简单，为了满足较高的线性度，降低输入信号的功率，强行使得功率放大器回退到线性区。毫无疑问这种方法以牺牲效率为代价来提高功率放大器的线性度，无法同时满足高效率和高线性，较低的效率会造成效率浪费和成本浪费，是一种很不经济的方法。通常功率回退技术被用于具有高效率和高峰值功率的功率放大器中，把输入信号功率降低至1dB压缩工作点，从而达到较高的线性度，同时具有高峰值功率的功率放大器就算回退造成了很多的效率浪费但由于其本身的效率较高，回退完之后还是具有较高的工作效率，从而间接的达到了高效率和高线性度的要求。

3.2  前馈技术

前馈技术是1929年Harold.S.Black提出的，其基本思想是让原始输入信号通过功率放大器，利用一定的规律性把失真信号先提取出来，在功率放大器的输出信号端减掉失真干扰信号，进而达到线性补偿的效果。但是前馈技术实现复杂度很高，失真干扰信号不易计算，且前馈技术的参数受外界環境影响较大，需要定期更改，人工成本很高，并不经济。前馈技术多用于模拟域，在当前大带宽的环境下并不受带宽的影响，值得当前功放线性化技术的借鉴，但是前馈技术又不适用于当前的数字领域，因此需要不断借鉴推陈出新。

3.3  负反馈技术

负反馈技术的原理是降低功率放大器的增益来提升功放的线性度，同功率回退技术一样，会造成一定的增益浪费和效率浪费，因此也是一种不经济的功放线性化技术。同时受延迟效应的影响，负反馈系统不稳定，自适应能力也较差，限制了该技术的应用。

3.4  包络跟踪技术

包络跟踪技术是L.R.Kahn在1952年提出的，这种技术的原理是把包络信号的幅度信号和相位信号分离提取出来，相位信息作为待测信号通过功率放大器进行放大，幅度信息作为控制信号，在相位信息进行放大的同时，幅度信息控制功率放大器的工作电压，实时的降低功放输出信号的非线性失真，在相位信息通过功率放大器放大之后，把相位信息和幅度信息再次结合到一处，从而达到高线性和高效率的要求。包络跟踪法与反馈技术和负反馈技术相比，稳定性、兼容性和实用价值都很高，但是这种方法只适用于第三代移动通信之前的低峰均比和窄带数据信号，不再适用于当下的高峰均比和大带宽的信号。

3.5  预失真技术

预失真技术又分为模拟预失真技术和数字预失真技术，其中数字预失真技术是在模拟预失真技术的基础上演变过来的。

模拟预失真技术是MacDonald在1959年提出的，其原理是在功率放大器之前加入一个和功率放大器具有相反特性的预失真器，让输入信号先通过功率放大器的逆模型也就是预失真器，然后把预失真器的输出信号再通过功率放大器，进而补偿了功率放大器的非线性特性，在没有降低效率的同时提高了功率放大器的线性度。具体原理图如图2所示。

由图2可以看出，预失真器和功率放大器本身具有相反的特性，两者结合使得经过预失真系统后的输出与原始输入信号的比值为常数，呈线性关系。

近年来数字领域高速发展，数字预失真由于其结构简单、实现成本低和易于调试等优点成为了当下最热门的功率放大器的线性化技术。数字预失真的实现方式分为两大类，分别是查找表和多项式建模的方式。

4  结  论

射频功率放大器作为无线通信中的关键组成部分，优化其性能是无线通信系统必须研究的一个领域。本文以射频功率放大器的线性化技术作为出发点，阐述了几种常用的功放线性化技术，并分析了各种功放线性化技术的优缺点。

参考文献：

[1] Kahn L R. Single-sideband transmission by envelope elimination and restoration [J].Proc. IRE，1952，40（7）：803-806.

[2] 潘文生.宽带高效线性射频关键技术研究 [D].成都：电子科技大学，2015.

作者简介：陈国海（1984-），男，汉族，广东河源人，中级工程师，本科毕业于重庆邮电大学，主要研究方向：通信工程无线专业的规划、建设管理。