射频功率放大器的前馈线性化技术介绍

了解一种用于高功率射频发射机的重要设计技术：前馈线性化，其工作原理是通过抵消失真信号来实现。

在无线通信系统中，功率放大器既需要具备高效率，又需要具备高线性度，这两点至关重要。效率是关键因素，它有助于降低能耗、延长电池寿命以及简化热管理。而线性度则对于确保放大后的信号失真最小化至关重要。然而，为了最大化效率而设计的功率放大器往往存在较大的非线性失真。

目前有多种不同的功率放大器线性化技术可供选择。放大器中的失真问题自电话通信诞生以来就一直存在，因此其中一些技术已经存在了很长时间。例如，哈罗德·布莱克（Harold Black）分别于1928年和1937年获得了前馈和反馈电路技术的专利。这些技术最初旨在减少中继放大器中的失真，但此后已被用于线性化射频功率放大器。

在本文中，我们将讨论前馈线性化技术。图1展示了前馈功率放大器（PA）系统的基本框图。

图1. 基本的前馈功率放大器拓扑结构。图片由Steve Arar提供。

正如我们所见，前馈结构实际上需要两个放大器。这种拓扑结构通过确定主放大器引入的失真信号，并将其从系统的输出中减去，从而提高整体的线性度。让我们来探讨这个电路是如何工作的。

输入信号被分配到两条不同的路径。在上路径中，输入信号被主功率放大器放大。非线性放大器的输出可以被视为输入信号的线性副本和由非线性引起的误差信号之和。因此，节点m处的电压可以表示为：

公式1

其中：

• Av 是功率放大器的电压增益。

• Vd 是由放大器非线性产生的误差信号。

在框图中，垂直分支将非线性功率放大器的总输出衰减Av 倍，以产生节点 n 处的电压。根据公式 1，我们有：

公式2

从 Vn中减去输入 Vin，我们得到节点 p 处的失真信号的衰减版本：

公式3

从输入到第一个减法器的两条路径形成了一个环路，该环路在节点 p 处消除了输入信号。这被称为信号抵消环路。接下来，节点 p 处的电压被应用到一个增益为 Av的误差放大器上，生成 Vq Vd的电压。这为我们提供了失真信号Vd。最后，从 Vm 中减去 Vq 以产生输出电压：

公式4

尽管放大器是非线性的，但整体输出是输入信号的线性副本。前馈功率放大器系统的第二个环路被称为误差抵消环路。

误差放大器

在第二个环路中，误差放大器引入的任何跟踪误差都会未经补偿地出现在输出端。因此，误差放大器的失真特性决定了系统的整体线性度。在第一个减法器的输出端，信号被抵消，只剩下失真分量。假设这个残余信号很小，误差放大器的失真程度通常比主放大器要小。然而，随着信号幅度的增加，失真分量会迅速上升。例如，放大器中的三阶失真会产生与输入信号幅度立方成正比的失真分量。正因为如此，尽管通常主放大器决定了整个系统的功率等级，但误差放大器的功率能力也是重要的设计考虑因素。它受到多个参数的影响，包括：

• 从输入端到第一个减法器的信号路径中的衰减。

• 主放大器的幅度-相位失真（AM-PM失真）。

关于前馈功率放大器设计的这一方面的更多信息，请参考Steve Cripps撰写的《无线通信中的射频功率放大器》。误差放大器还应提供足够的输出功率以克服输出合成器的损耗。通常，这需要将误差放大器的尺寸设计得与主功率放大器相当，这可能会增加系统的成本并降低其效率。

增益和相位匹配是强制性的

让我们回到图1。为了使我们之前的电路分析有效，通往减法器的路径必须具有完美的相位匹配，其相关组件必须具有完美的增益匹配。例如，如果从输入端到第一个减法器的两条路径表现出不同的延迟，则无法进行信号抵消。需要在频率、温度和时间上实现精确的增益和相位跟踪。此外，放大器会引入信号路径的延迟。因此，我们需要加入两个延迟块来平衡相应路径的延迟。这在图2中进行了说明。

图2. 在图1的电路中加入延迟元件。图片由Steve Arar提供。

在上述图中，延迟块 τ${}_1$ 补偿了主放大器和衰减器引起的相位偏移。同样，延迟块 τ${}_2$ 补偿了误差放大器引入的相位偏移。延迟块可以通过无源集中元件网络或传输线构建。然而，需要注意的是，这些延迟块会导致功率损耗并降低放大器的效率。设计宽带延迟块也是一项相当大的挑战。

实际实现

图3展示了一种更实用的前馈功率放大器实现方式。

图3. 一种实用的前馈功率放大器的框图。图片（经过修改）由William F. Egan提供。

在此图中，定向耦合器被战略性地用于在电路的关键节点采样和路由信号。系数 c${}_n$ 和c${}_n^{\prime }$ 分别代表每个耦合器的耦合因子和主线增益。与我们之前分析的电路不同，这种结构在信号抵消环路中没有一个明确的衰减器模块。相反，衰减是由环路内的定向耦合器产生的。

带有矢量调制器的前馈功率放大器系统

图4展示了一种前馈功率放大器系统的另一种变体。在这个电路中，两个矢量调制器（VM）分别放置在主放大器（MA）和误差放大器（EA）之前。

图4. 使用矢量调制器的前馈功率放大器。图片由Richard N. Braithwaite提供。

矢量调制器是一种能够控制射频信号的幅度和相位的设备。它将信号分解为两个分量，分别称为同相分量和正交分量，这两个分量之间相位相差90度。通过调整这些分量，图4中的矢量调制器匹配了环路的增益和相位。

自适应前馈系统

自适应前馈功率放大器会监测系统的线性性能，并相应地调整环路参数。图5展示了自适应前馈功率放大器的简化框图。

图5. 一种采用导频辅助的前馈功率放大器的框图。图片由Richard N. Braithwaite提供。

在这个例子中，导频信号在主放大器之前被引入。导频信号被前馈电路视为一种不需要的失真。理想情况下，它不应该出现在最终输出中。这为我们提供了一种评估放大器线性性能的方法。随后，存在多种算法可以通过微调信号抵消环路和误差抵消环路来优化性能。这些算法旨在确定能够最小化残余失真的控制参数。利用自适应前馈系统，我们可以实现比其他方式更低的失真水平。

优点与缺点

与反馈方法相比，前馈技术具有多项优势。首先，它可以校正幅度和相位误差。然而，更重要的是，即使其构成模块存在较大的相位偏移，前馈功率放大器系统本质上也是稳定的。这种稳定性源于输出信号并未反馈到输入端。前馈方法的另一个重要优势是其宽带宽。这种宽带功率放大器对于多载波无线通信（包括无线基站所使用的通信方式）至关重要。它也是一种相对低噪声的线性化技术。主放大器的噪声理想情况下会以与失真相同的方式被抵消。这还带来了前馈系统的另一个好处：它们几乎可以即时校正失真误差。因此，它们不受通常与功率放大器相关的记忆效应的影响。记忆效应是一种现象，功率放大器的输出受到输入信号历史的影响。它会削弱预失真线性化技术的有效性，我们将在后续文章中讨论这一点。总的来说，前馈功率放大器系统具有以下优势：

• 可以校正相位和幅度误差。

• 即使存在相位偏移，也具有本质稳定性。

• 带宽宽。

• 噪声低。

• 不受记忆效应的影响。

然而，它们也存在一些缺点。正如我们之前提到的，加入模拟延迟元件需要使用微带线等无源器件。这些器件中的功率损耗是一个关键问题。此外，构建输出减法器需要使用低损耗元件（例如高频变压器），以确保效率。