一种简单RF预失真电路的研究

2012-09-19罗运生

电子与封装 2012年11期

张建，罗运生

（南京电子器件研究所，南京 210016）

1 引言

随着现代无线通信技术的发展，为了提高功放的效率，降低其失真，经常采用非线性功率放大器结合线性化技术来实现。功放的线性化技术包括几种方法：前馈法、负反馈法、预失真、功率回退法、非线性器件法、包络消除与恢复等。其中由于预失真电路实现简单、成本低，得到了广泛的实际应用。本文介绍一种简单的模拟预失真电路。它利用二极管的非线性特性，产生了正的幅度偏移和负的相位偏移，以补偿功率放大器的非线性失真。

2 功率放大器的非线性

图1表示功率放大器的非线性模型，x（t）为输入信号，y（t）为输出信号。则输出信号可以表示为：

根据功率放大器的非线性理论分析，功率放大器的非线性特征主要包括两个方面：幅度-幅度失真特性和幅度-相位失真特性。图2左表示功率放大器的幅度-幅度失真特性，即随着输入信号（Pin）的增大，功率放大器的增益会出现一定的压缩。图2右表示功率放大器的幅度-相位失真特性，即随着输入信号的增大相位会出现一定的增长，这是因为调幅信号的幅度变化同时引起了相位变化或相位调制。

图1 功率放大器的非线性模型

图2 功率放大器的非线性特征

在现代通信系统中，若输入信号x（t）为线性调制信号或者多载波信号，功率放大器会产生很严重的非线性失真，特别是三阶交调失真。这就要求射频功率放大器设计在考虑效率的同时必须兼顾线性，这就引入了预失真技术。

3 预失真原理及应用

3.1 预失真的基本原理

对于射频功率放大器来讲，预失真技术是比较简单的线性化技术。根据频带可划分为基带预失真、中频预失真和射频预失真。本文所采用的射频预失真能够实现功放在整个带宽内的线性化，所以在卫星通信中有广泛的应用。图3表示射频预失真的基本原理框图：在功率放大器的前级加上一个预失真器（Pre-distorter），预失真器产生与功放相反的失真特性，从而使功率放大器的非线性得到补偿。

图3 射频预失真的基本原理框图

图4表示预失真电路利用预失真器产生与功放相反的幅度-幅度和幅度-相位失真。预失真电路的关键问题就是确认所需要的失真特性以及构造一个有与此类似失真特性的电路。

图4 与功放相反的幅度-幅度和幅度-相位失真

3.2 一种简单的预失真电路及实际测试

图5表示射频预失真电路图，其具体电路由一个受偏压控制的肖特基二极管、一个偏置电阻、两个隔直电容构成。肖特基二极管随着输入信号的变化，会出现变阻特性，即随着输入信号的增大，肖特基二极管的阻抗会变大。

图5 射频预失真电路图

在交流状态下，肖特基二极管可近似看作一个电阻与电容的并联。则该模拟预失真电路的交流等效电路可用图6表示，其中Rb是偏置电阻，Rd是二极管并联等效电阻，Cj是二极管结电容，其中Rb会出现变阻特性。

图6 预失真电路的交流等效电路

由图6，根据二端口网络的计算公式可得式（2）：

通过ADS软件仿真，图7表示增益、相位与阻抗R的关系，与式（3）、式（4）的计算结果相符。又随着输入信号的增大，肖特基二极管的Rd会增大，即R增大。很明显可以看出，随着输入信号的增大，阻抗R会变大，预失真电路就产生了与功放相反的幅度-幅度失真特性与幅度-相位失真特性。

通过图5制作一个实际的预失真电路。图8表示预失真电路在不同偏压下的输入-增益特性曲线。从图8中可以看出，在不同的偏压下，由于二极管工作状态的不同，预失真电路也显示出了不同的特点。在零偏压下，插入损耗基本没有变化。而偏压在一定数值（如1V、2.3V、3V）时，预失真电路随着输入信号的增加，插入损耗不断降低，这样就实现了预期的幅度-失真特性。

预失真器应用在一个c波段功率放大器上，图9表示该功率放大器的输入-增益曲线。可以看出，增益会随输入信号的不断增大而不断出现压缩特性，与图2分析相似。该功率放大器在输入信号为9dBm时，增益压缩了1dB，此时的输出功率为35.53dBm。

图7 增益、相位与阻抗R的关系图

图8 不同偏压下的预失真电路输入-增益特性曲线

图9 功率放大器输入-增益曲线

将预失真器与功率放大器级联，在不同的偏压下测试输出-增益曲线如图10表示。从图2～图8可以看出，由于预失真电路的插入损耗，加入预失真电路后系统的增益明显减小。加入预失真电路与未加预失真电路时的输出-增益曲线有了非常明显的变化，因为预失真电路的幅度-幅度失真特性，加入预失真电路后系统的增益压缩得到一定的补偿。特别是在偏压为2.3V时，功放的幅度-幅度失真得到了较好的改善。

输入双音信号，对功率放大器进行交调测试。图11表示在不同的偏压下，功率放大器的载波-三阶交调比（IMD3）。如图11所示未加预失真器时，功率放大器在1dB增益压缩点输出功率回退3dB处测得IMD3为20dB；加0V偏压时，IMD3基本没有改善；当偏压为2.3V，IMD3改善了3dB。可以看出此二极管对功率放大器的IMD3改善有限。

更换了一种二极管，应用于相同的功率放大器上，在不同偏压下的IMD3如图12所示。可以看出在1dB增益压缩点输出功率回退3dB处，IMD3改善了4dB。在1dB增益压缩点输出功率回退4dB处，IMD3改善了10dB。而在回退5dB处可以改善20dB。由两组测试数据可以发现，在输入功率从小变大时，由于二极管的非线性，功率放大器的IMD3开始会变差，后来由于变阻特性，IMD3得到一定的改善。可以通过偏压和偏置电阻来控制其工作状态，在不同的输出功率下得到最大的IMD3改善。