一種簡單RF預(yù)失真電路的研究

張 建，羅運(yùn)生

（南京電子器件研究所，南京 210016）

1 引言

隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的發(fā)展，為了提高功放的效率，降低其失真，經(jīng)常采用非線性功率放大器結(jié)合線性化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。功放的線性化技術(shù)包括幾種方法：前饋法、負(fù)反饋法、預(yù)失真、功率回退法、非線性器件法、包絡(luò)消除與恢復(fù)等。其中由于預(yù)失真電路實(shí)現(xiàn)簡單、成本低，得到了廣泛的實(shí)際應(yīng)用。本文介紹一種簡單的模擬預(yù)失真電路。它利用二極管的非線性特性，產(chǎn)生了正的幅度偏移和負(fù)的相位偏移，以補(bǔ)償功率放大器的非線性失真。

2 功率放大器的非線性

圖1表示功率放大器的非線性模型，x（t）為輸入信號，y（t）為輸出信號。則輸出信號可以表示為：

根據(jù)功率放大器的非線性理論分析，功率放大器的非線性特征主要包括兩個(gè)方面：幅度-幅度失真特性和幅度-相位失真特性。圖2左表示功率放大器的幅度-幅度失真特性，即隨著輸入信號（Pin）的增大，功率放大器的增益會(huì)出現(xiàn)一定的壓縮。圖2右表示功率放大器的幅度-相位失真特性，即隨著輸入信號的增大相位會(huì)出現(xiàn)一定的增長，這是因?yàn)檎{(diào)幅信號的幅度變化同時(shí)引起了相位變化或相位調(diào)制。

圖1 功率放大器的非線性模型

圖2 功率放大器的非線性特征

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，若輸入信號x（t）為線性調(diào)制信號或者多載波信號，功率放大器會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的非線性失真，特別是三階交調(diào)失真。這就要求射頻功率放大器設(shè)計(jì)在考慮效率的同時(shí)必須兼顧線性，這就引入了預(yù)失真技術(shù)。

3 預(yù)失真原理及應(yīng)用

3.1 預(yù)失真的基本原理

對于射頻功率放大器來講，預(yù)失真技術(shù)是比較簡單的線性化技術(shù)。根據(jù)頻帶可劃分為基帶預(yù)失真、中頻預(yù)失真和射頻預(yù)失真。本文所采用的射頻預(yù)失真能夠?qū)崿F(xiàn)功放在整個(gè)帶寬內(nèi)的線性化，所以在衛(wèi)星通信中有廣泛的應(yīng)用。圖3表示射頻預(yù)失真的基本原理框圖：在功率放大器的前級加上一個(gè)預(yù)失真器（Pre-distorter），預(yù)失真器產(chǎn)生與功放相反的失真特性，從而使功率放大器的非線性得到補(bǔ)償。

圖3 射頻預(yù)失真的基本原理框圖

圖4表示預(yù)失真電路利用預(yù)失真器產(chǎn)生與功放相反的幅度-幅度和幅度-相位失真。預(yù)失真電路的關(guān)鍵問題就是確認(rèn)所需要的失真特性以及構(gòu)造一個(gè)有與此類似失真特性的電路。

圖4 與功放相反的幅度-幅度和幅度-相位失真

3.2 一種簡單的預(yù)失真電路及實(shí)際測試

圖5表示射頻預(yù)失真電路圖，其具體電路由一個(gè)受偏壓控制的肖特基二極管、一個(gè)偏置電阻、兩個(gè)隔直電容構(gòu)成。肖特基二極管隨著輸入信號的變化，會(huì)出現(xiàn)變阻特性，即隨著輸入信號的增大，肖特基二極管的阻抗會(huì)變大。

圖5 射頻預(yù)失真電路圖

在交流狀態(tài)下，肖特基二極管可近似看作一個(gè)電阻與電容的并聯(lián)。則該模擬預(yù)失真電路的交流等效電路可用圖6表示，其中Rb是偏置電阻，Rd是二極管并聯(lián)等效電阻，Cj是二極管結(jié)電容，其中Rb會(huì)出現(xiàn)變阻特性。

圖6 預(yù)失真電路的交流等效電路

由圖6，根據(jù)二端口網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算公式可得式（2）：

通過ADS軟件仿真，圖7表示增益、相位與阻抗R的關(guān)系，與式（3）、式（4）的計(jì)算結(jié)果相符。又隨著輸入信號的增大，肖特基二極管的Rd會(huì)增大，即R增大。很明顯可以看出，隨著輸入信號的增大，阻抗R會(huì)變大，預(yù)失真電路就產(chǎn)生了與功放相反的幅度-幅度失真特性與幅度-相位失真特性。

通過圖5制作一個(gè)實(shí)際的預(yù)失真電路。圖8表示預(yù)失真電路在不同偏壓下的輸入-增益特性曲線。從圖8中可以看出，在不同的偏壓下，由于二極管工作狀態(tài)的不同，預(yù)失真電路也顯示出了不同的特點(diǎn)。在零偏壓下，插入損耗基本沒有變化。而偏壓在一定數(shù)值（如1V、2.3V、3V）時(shí)，預(yù)失真電路隨著輸入信號的增加，插入損耗不斷降低，這樣就實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的幅度-失真特性。

預(yù)失真器應(yīng)用在一個(gè)c波段功率放大器上，圖9表示該功率放大器的輸入-增益曲線?？梢钥闯?，增益會(huì)隨輸入信號的不斷增大而不斷出現(xiàn)壓縮特性，與圖2分析相似。該功率放大器在輸入信號為9dBm時(shí)，增益壓縮了1dB，此時(shí)的輸出功率為35.53dBm。

圖7 增益、相位與阻抗R的關(guān)系圖

圖8 不同偏壓下的預(yù)失真電路輸入-增益特性曲線

圖9 功率放大器輸入-增益曲線

將預(yù)失真器與功率放大器級聯(lián)，在不同的偏壓下測試輸出-增益曲線如圖10表示。從圖2～圖8可以看出，由于預(yù)失真電路的插入損耗，加入預(yù)失真電路后系統(tǒng)的增益明顯減小。加入預(yù)失真電路與未加預(yù)失真電路時(shí)的輸出-增益曲線有了非常明顯的變化，因?yàn)轭A(yù)失真電路的幅度-幅度失真特性，加入預(yù)失真電路后系統(tǒng)的增益壓縮得到一定的補(bǔ)償。特別是在偏壓為2.3V時(shí)，功放的幅度-幅度失真得到了較好的改善。

輸入雙音信號，對功率放大器進(jìn)行交調(diào)測試。圖11表示在不同的偏壓下，功率放大器的載波-三階交調(diào)比（IMD3）。如圖11所示未加預(yù)失真器時(shí)，功率放大器在1dB增益壓縮點(diǎn)輸出功率回退3dB處測得IMD3為20dB；加0V偏壓時(shí)，IMD3基本沒有改善；當(dāng)偏壓為2.3V，IMD3改善了3dB?？梢钥闯龃硕O管對功率放大器的IMD3改善有限。

更換了一種二極管，應(yīng)用于相同的功率放大器上，在不同偏壓下的IMD3如圖12所示?？梢钥闯鲈?dB增益壓縮點(diǎn)輸出功率回退3dB處，IMD3改善了4dB。在1dB增益壓縮點(diǎn)輸出功率回退4dB處，IMD3改善了10dB。而在回退5dB處可以改善20dB。由兩組測試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在輸入功率從小變大時(shí)，由于二極管的非線性，功率放大器的IMD3開始會(huì)變差，后來由于變阻特性，IMD3得到一定的改善?？梢酝ㄟ^偏壓和偏置電阻來控制其工作狀態(tài)，在不同的輸出功率下得到最大的IMD3改善。

圖10 不同偏壓下輸出-增益曲線圖

圖11 不同偏壓下的載波-三階交調(diào)比

圖12 不同偏壓下的IMD3

4 結(jié)束語

本文利用肖特基二極管的變阻特性，研究了一種并聯(lián)二極管的預(yù)失真電路。通過偏壓的變化來調(diào)節(jié)二極管的工作狀態(tài)，以補(bǔ)償功率放大器的增益壓縮。預(yù)失真電路在功率放大器輸入信號為小信號下，IMD3沒有改善反而惡化。預(yù)失真電路應(yīng)用頻帶較寬，但是實(shí)際工程應(yīng)用中因功率放大器復(fù)雜多變，需要大量實(shí)驗(yàn)。

[1]李智群，王志功.射頻集成電路與系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2008.187-188.

[2]Peter B.Kenington High-Linearity RF Amplifier Design[M].Boston London: Artech House.351-353.