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射频功率放大器终极篇-提高线性度大招

作者:广州市明测电子仪器有限公司 浏览: 发表时间:2021-04-03 16:21:34

上一篇我们介绍了射频放大器的终极矛盾是线性度和效率。那么聪明的射频人们对这样的矛盾又会想出哪些方法呢?今天射频君就来给大家分享一下提高线性度的大招。


提高功率放大器线性度的基本方法主要可以分为五种:功率回退、预失真、负反馈、前馈和包络消除与恢复法。


功率回退


由于非线性行为很多发生在功放的非线性区,那让功放在远离非线性区工作的功率回退技术是实际应用中最直接的方法,也就是用输出功率容量大的管子输出小功率。一般来说,功率放大器的输入功率减小ldB,交叉调制系数CM就改善2dB。该方法需要让功放工作在远离饱和点的状态,以消耗较大直流功率来提高功放的线性度。这就相当于是能挑300斤担子的汉子,只挑100斤,当然会觉得轻松。



图1. 功率回退技术示意



功率回退法设计简单,而且易于实现,只要设计好静态直流工作点和功放的匹配电路即可,是提高放大器线性度的有效方法。然而,由于工作点远离饱和点,效率比较低;另一方面,当输出功率回退到一定程度时,比如当三阶互调值小于-45dBc以下时,继续回退很难进一步提高放大器的线性度;而且,对于宽带信号,由于记忆效应回退技术的效果有限。综合来说,功率回退法适用于对线性度要求不高、输出功率较小的场合。


预失真


预失真是在信号进入放大器之前先对信号做与放大器幅度和相位相反的预先处理。实现方式是在功放前加一个数字或模拟非线性电路作为预失真器,用来补偿功放的非线性失真。纳尼,没听懂,这么通俗讲吧,就是一个要减肥的人还想吃大餐,那只能提前减肥并且把吃大餐的体重余量减出来,就妥妥的不怕增肥了。。。




预失真技术的好处是不必要求功率回退,放大器可以工作在ldB压缩点附近甚至饱和区,所以能得到较高的效率。预失真是现在发现最快、目前主流的线性化方法。但是预失真回路由于某些因素引起的失真不能起到补偿作用,比如由于温度、直流电压的变化以及器件老化等引起的器件非线性的波动。


3. 负反馈


负反馈是将放大器输出的非线性失真信号通过反馈网络反相后反馈到输入端,与输入端的信号合成作为功放的输入信号,从而减少功放的非线性。负反馈信号和放大器本身的输入信号共同控制放大器的输入,从而增加了放大器输出信号的稳定性、增益平坦度以及提高了线性度。



负反馈的主要方法有极化环与笛卡尔环等。极化环的线性化功能由其调制解调电路通过相位比较和峰值检测完成;笛卡尔环是把输出信号解调后与输入信号比较,产生预失真信号重新调制并由饱和放大器放大。但是都只适合窄带,而且由于是闭环有不稳定性。


4. 前馈


前馈是功放线性化技术中发展最迅速,也是最先进的方法。前馈技术起源于“反馈”,不同在于把输出的信号处理后再向前耦合到功放的输出端。射频信号进入前馈网络后,进入功放部分的非线性失真会输出需要的主信号和三阶交调干扰信号,提取相位相反的三阶交调分量放大输出到主放大器的环路,就可以抵消主放大器支路上的非线性分量,改善功放的线性度。


图4. 前馈技术示意图


前馈技术具有较高校准精度、稳定信号的优点。但是前馈功放的抵消要求很高,需要幅度、相位和时延的完全匹配,因此工作温度变化、功率变化以及器件老化等因素都会造成抵消的失灵。


5. 包络消除与恢复法(EER)


EER技术中射频输入信号的幅度和相位分开,相位信号经过非线性功率放大器。此类放大器工作在开关状态,故从理论上来讲会有100%的效率。同样,幅度信号在被放大之前可以从射频输入信号分离出来。而在信号被放大的过程中,包络信号又可以恢复到载波信号中。幅度信号和相位信号在时间的要求方面要尽量一致,因此在相位信号支路加入延时线,力求根据控制该线的长短来满足上述要求。当然EER技术本身也存在缺点。当包络恢复到载波信号时,是根据调节射频功率放大器的偏置电压来完成实现的,其实调节漏极电压来校正放大器的输出信号的幅度时,相位本身也在变化。这样就会把有用信号的频谱延伸,从而消弱了射频功率放大器的线性度。另外,包络恢复反馈环路的动态范围也比较小。



在以上讨论的各种线性化技术中,前馈线性化技术具有较宽的带宽和较好的线性度改善,但是效率不高。负反馈技术对失真有比较理想的抑制作用,还可以控制功放的输入输出阻抗和减小噪声的影响,减小功放元件对温度的敏感性,但负反馈技术在改善系统线性度的同时是需要牺牲功放的增益,用来达到压缩信号的失真。负反馈技术带宽非常有限不适合宽带放大电路,若相位控制不好,很容易产生正反馈导致系统的不稳定。预失真线性化技术具有无条件稳定、成本低廉、带宽适中等优势。模拟预失真电路不但系统结构简单成本低,而且线性度改善较好同时带宽适中。但是模拟预失真的工作带宽受限于模拟预失真器和功放本身的相位平坦度和增益。


通过对射频功放线性化技术的总结,可以粗略的看到一些未来的趋势。射频功率放大器会向着低功耗、高线性度的方向发展。随着各种线性化调制技术的不断采用,射频功放的非线性会越来越突出,所以如何提高线性度将会是一个非常重要的研究课题。


这期的线性度提高大招就给大家介绍到这里,下期跟大家分享一下提高效率的方法哦,敬请关注。


Posted in 射频器件.


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