W-CDMA模擬預失真功率放大器設計

隨著無線通信技術的發展，各種用于射頻功率放大器的線性化技術被進一步研究和應用。尤其是窄帶CDMA和第三代移動通信等技術的發展，對功放的線性度提出了更高的要求。在W-CDMA等無線通信系統中，如果采用一般的高功率放大器，由于功率放大器的交調失真，將會出現頻譜再生效應，從而干擾相鄰信道，甚至產生誤碼。因而，功率放大器的線性化技術越來越受到關注。目前常用的三種技術分別是：前饋技術(Feedforward)、反饋技術(Feedback)和預失真技術(Pre-Distortion)。

在這些線性化技術中，前饋法可以得到很高的線性度，但結構復雜而且昂貴。反饋法有其致命的缺陷，如不穩定，帶寬有限。預失真技術中，基帶信號中預失真系統需要正確對比源信號和反饋信號，對環路延時補償有很高的要求，同時系統結構比較復雜；而模擬預失真技術有其結構簡單，成本低，線性度較好等優點，因而已成為中小功率放大器進行線性化的理想技術。

針對W-CDMA直放站下行鏈路的線性度要求，利用預失真技術設計了一個平均發射功率為41 dBm的功率放大器。該設計采用一對反向并聯的二極管產生非線性失真分量，并利用這個非線性分量補償功放的非線性失真。

1 放大器的非線性

如圖1所示，理想線性放大器的輸入和輸出關系可以表示為V_out=K₁V_in，其中K1為放大倍數。但是作為半導體器件，當功率放大器的輸入信號較大時，管子出現飽和現象，于是導致了輸出信號壓縮，產生高次諧波，引起失真。所以輸出應該包括平方律項和三次項等高次分量，它的輸出可以用冪級數式(1)表述：



從式(2)可以看出，由于系統的非線性特性，在輸出信號中，除了有輸入信號的頻率外，還會出現新的直流分量和如同2ω_i，3ω_i，…等的諧波分量。如果輸入的信號為雙頻信號V_in=A₁cos(ω₁t)+A₂cos(ω₂t)，通過同樣的分析可以發現，最終輸出口的成分由支流成分、基波ω₁和ω₂、二次和三次諧波2ω₁，2ω₂及3ω₁，3ω₂、二階互調分量ω₁±ω₂、三階互調分量2ω₁±ω₂及ω₁±2ω₂等分量組成。一般情況下，僅2ω₁-ω₂和2ω₂-ω₁落在通帶內。雙音三階互調是非線性中三次方項產生的，由于落在帶內，故主要考慮的是非線性產物。這些非線性產物都會干擾載波信號，造成交調失真、諧波失真等非線性失真。當多載波輸入時，影響較嚴重的是三階交調失真。

2 模擬預失真原理

從原理上看，預失真線性化技術是改進線性特性的一項最簡單的技術，其原理如圖2所示，即在RF放大器的前面加入預失真器，預失真器的特性與RF放大器的特性精確匹配，當信號經過預失真器和RF放大器組成的級聯系統時。由于預失真器與RF放大器的特性相互補償效果，使得輸出信號為完全無失真信號，從而達到線性化目的。這種補償原理如圖3所示，圖3(a)與圖3(b)曲線互相補償，得到圖3(c)完全無失真的輸出信號。



3 模擬預失真的實現

W-CDMA直放站下行鏈路要求實現41 dBm的功率輸出，IM3和IM5均小于-50 dB，故設計如下電路以滿足上述要求，整個設計如圖4所示。


由圖4可以看到，該方案采用的是一種雙環結構。第一個環路由功分器將輸入信號分成兩路，一路經延遲器延遲；另一路經預失真發生器失真、衰減、再移相后，與延遲信號耦合，形成預失真信號產生部分的環路。第二個環路則是將預失真環路生成的信號再進行衰減，移相后與功放輸入的延遲信號耦合，形成整個功率放大器部分。這種結構有效地減小了所需主信號受環路的影響，而失真部分又能夠得到充分的補償。同時，該電路在實際調試中比較容易調節，是一種實用性很好的電路結構。

由于二極管是一種非線性半導體器件，對于一個輸入余弦信號，二極管的輸出是包含了非線性失真分量的余弦信號。所以，非線性發生器部分的設計采用反向并聯的二極管來實現。實現電路如圖5所示。



圖5中，1和4分別是信號的輸入端和輸出端；2和3分別是信號的耦合端和直接輸出端。兩個反相并聯的二極管D1，D2用來產生奇次諧波分量，經90°正交電橋的隔離端4輸出，作為預失真信號。理想的3 dB正交電橋耦合端2接電阻R，用來消除二極管相對反射輸出信號中殘留的線性分量，而電容C用來降低載波信號，使之與預失真信號相比不至于過高。

正交電橋將輸入信號等分、正交地傳送到耦合端和直接輸出端，耦合端與直接輸出端有90°的相移，隔離端沒有輸出。設電橋輸入端1的輸入為V_in(t)，則直接輸出端3的輸出與反向并聯兩個二極管的輸入關系式為：



式(4)中：I_S為反向飽和電流，主要受溫度的影響，在電路中可視為恒定值；V_A為二極管外加偏置電壓，這里V_A=V_di(t)。在小偏置電流下可忽略式(4)中附加項IR_S。輸入電流i(t)為：



用Talor級數展開式(5)可得：



因為三階分量和五階分量是對放大器非線性影響最大的因素，為了分析方便，就只取到展開式的5次方項。這時二極管對可看作為單端口網絡，其導納為：



4?實驗結果

為驗證電路的可行性，將整個電路加信號進行測試，非線性發生器部分采用肖特基二極管HSMS2802產生預失真信號，該肖特基二極管有著很好的非線性，可以用作混頻、功率檢測。在測試三階交調和五階交調分量時，輸入頻率為2.139 5 GHz和2.140 5 GHz的雙音信號，間距1 MHz。測試ACPR時，使用頻率2.14 GHz的W-CDMA下行信號，得到的結果如圖6～圖8所示。




從頻譜分析儀的輸出波形圖可以看到，在加預失真系統前，推動級輸出41 dBm時的三階交調分量，五階交調分量的指標分別為-31 dB和-40 dB。對應地，當把預失真發生器接人系統后，可以看到輸出的五階交調分量，五階交調分量均有了明顯的改善，分別提高了14 dB和11 dB。此時，輸出級ACPR的輸出小于-52 dB。實驗結果表明，該預失真系統在很大程度上改善了功率放大器的非線性失真，很好地優化了它的線性度。

5 結? 語

采用反向并聯二極管預失真器對功放的線性化技術進行了研究，利用二極管的非線性特性，很好地對消了放大器失真的奇次分量，將功放的IM3和IM5分量分別改善了13 dB和10 dB。系統的ACPR在加預失真器后達到了-52 dB以下。實驗結果驗證了該設計方案的可行性，為尋找一種更好的線性化技術提供了實踐基礎。如何更好地改善預失真技術將是進一步研究的課題。