无线通信系统中射频功放线性化技术

文/朱惠

近年来，无线通信系统快速发展，功率放大器在航天航空、移动通信终端、基站等领域都得到了广泛的应用。但功率放大器由于其本身固有的非线性，效率和线性度成反比。当功率放大器工作在高效率区域时，往往处于功放的饱和区，放大 后的信号已经完全失真；当功放工作在纯线性区时，功放的工作效率又很低，造成了很大的效率浪费，提升了整个无线通信系统的成本。为了解决这一问题，对于功放线性化的研究有重要的意义。

1 功放非线性特性

功率放大器的非线性特性主要有静态非线性和动态非线性，其中动态非线性又被称为记忆效应。

1.1 功放的静态非线性

若功率放大器为一个理想的元器件，经过功放放大后的输出信号可以表示为：

其中y(t)是经过功放放大的输出信号，k1是功放的增益系数。但功放是一个非线性元器件，随着输入功率的增加，功放进入饱和区会产生饱和失真。因此表征功率放大器非线性特性输出信号的数学表达式为：

其中，n为非线性阶数，kn为每阶非线性所对应的非线性增益。当功率放大器工作在1dB压缩点之前时，功放基本上处于线性工作区，输出功率和输入功率之比为一个常数。当功率放大器工作在1dB压缩点之后时，饱和输出功率和输入功率比值不成线性关系，随着功放输入功率越来越大，功放的非线性越来越强，直到达到功放的峰值功率。

功放的静态非线性失真主要表现为谐波失真和交调失真。谐波失真是由于产生了基波频率分量以外的倍频分量。以单音信号带入式（2）可以得到：

由公式（3）可以看出，除了基波分量w0外，还产生了二倍频和三倍频。经过功放放大后，倍频分量对原基波信号造成了失真影响。

交调失真是指产生了基波频率相互加减混合的新的频率分量。以双音信号带入公式（3）可以得到：

1.2 功放的动态非线性

功率放大器的动态非线性是指功放当前的输出不仅与功放当前的输入有关还与功放之前的输入有关。功放的动态非线性有热效应和电效应两种。其中热效应是由功放本身放热和环境温度影响的。功率放大器在工作时，会根据自身工作频率调节功率放大器的晶体管温度，当功放工作频率过高时，晶体管温度调节会跟不上功放的频率调节，就会产生动态非线性失真。电效应是由于功放自身组成中含有储能元器件，导致偏执电路没有办法完全去除失真量。

2 功放线性化技术

功率放大器的静态非线性和动态非线性严重影响了功放的工作性能，进而影响了整个无线通信系统的性能。为了解决这一问题，对于功放线性化技术的研究显得尤为重要。

2.1 功率回退技术

功率回退技术的目的是使功放工作在线性区，保证功放输出信号的线性度。功率回退技术的原理是牺牲功放的效率，降低输入信号功率，进而使得功放工作在线性区。功率回退技术通常是回退到功率放大器的1dB压缩点。这种技术牺牲了功放的效率，尤其是当前4G以及5G的信号峰均比都很高，功率回退技术毫无疑问的提高了无线通信系统的效率成本，不是一种经济的功放线性化技术。经常用于doherty这种具有高峰值功率的功率放大器中。

2.2 前馈和负反馈技术

图1：谐波失真原理图

上世纪二十年代，Harold.S.Black提出了前馈技术和负反馈技术，用于功放线性化中，大大的降低了功率放大器的非线性失真。前馈技术的原理是先提取出输入信号的失真信息，在功放输出端减去功放输入信号的失真信息进而得到无失真的信号。前馈技术工作在模拟域，不受信号带宽限制，因此在当前4G和5G超宽带的情况下，是一种值得深究的技术。但是前馈技术部署后参数会随着外界环境而产生变化，需要定期调试，操作比较复杂。

负反馈技术的原理是牺牲功放的增益来应对非线性失真，但是实践表明，负反馈技术系统不稳定，而且延迟不定，限制了该技术的发展。

2.3 数字预失真技术

预失真技术是MacDonald在上世纪五十年代提出的，其原理是在功放前加入一个与功放具有相反特性的预失真模型，两次非线性进而补偿功放本身的非线性。预失真器的非线性失真是由功率放大器的非线性特性的逆变换得来的。近年来，由于数字行业的快速发展，以及数字预失真技术具有的低成本和方便调试的优点，该技术成为功放线性化技术中的主流技术。

3 总结

本文主要介绍了功放的非线性特性，并针对功放的静态非线性和动态非线性提出了几种功放线性化技术。