盧曉輝，張小津

（北京交通大學(xué) 電 子信息工程學(xué)院，北京 1 00044）

全球鐵路移動通信系統(tǒng)（GSM-R）的引入提高了鐵路無線通信裝備的水平，為鐵路安全運行提供了可靠的無線通信平臺。但是鐵路的GSM-R是基于公網(wǎng)的GSM之上的，它的通信模式與公網(wǎng)相同，使用的頻率范圍與公網(wǎng)的GSM很接近，因此在鐵路沿線尤其是在城市的環(huán)境下，GSM-R與公網(wǎng)GSM的非線性信號會產(chǎn)生相互影響，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常使用。如何提高系統(tǒng)的線性性能是一個需要解決的問題。

射頻功率放大器是射頻系統(tǒng)的重要部件，也是產(chǎn)生非線性信號的主要部件，它的線性性能直接關(guān)系到通信系統(tǒng)的非線性性能，因此提高功率放大器的線性度是一種改善系統(tǒng)線性度的方法。

1 非線性信號的產(chǎn)生和影響

1.1 互調(diào)干擾的產(chǎn)生與分析

互調(diào)干擾是指兩個或多個頻率不同幅度相近的信號通過非線性電路時，會產(chǎn)生與有用信號頻率相同或相近的頻率組合，而對通信系統(tǒng)構(gòu)成的一種干擾。在移動通信系統(tǒng)中，產(chǎn)生互調(diào)干擾的原因主要有3個方面：發(fā)射互調(diào)、接收互調(diào)和外部效應(yīng)引起的互調(diào)。

系統(tǒng)通常采用共用寬帶功率放大器的方式來實現(xiàn)多信道通信，因此當(dāng)系統(tǒng)工作在多信道載波模式時，多個頻率相近的載波會同時通過末級功率放大器，由于功率放大器的非線性，多個載波之間會產(chǎn)生互調(diào)干擾信號并伴隨有用信號發(fā)射，造成了通信系統(tǒng)的發(fā)射互調(diào)；接收機互調(diào)主要是由高放級及第一混頻級電路的非線性所引起；外部效應(yīng)引起的互調(diào)主要是由于發(fā)射機饋線、高頻濾波器等無源電路接觸不良，以及由于異種金屬的接觸部分非線性等原因，使強電場的發(fā)散信號引起互調(diào)，產(chǎn)生干擾源。

由于功率放大器是主要的功率輸出器件，它的輸出功率以及互調(diào)干擾遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接收互調(diào)和外部效應(yīng)引起的互調(diào)，因此引起互調(diào)干擾的主要原因就是功率放大器的非線性。功率放大器產(chǎn)生的互調(diào)失真，以2階和3階失真幅度為最大，階數(shù)越高失真越小。2階互調(diào)fa+fb、fa-fb，因其頻率遠(yuǎn)離主載波信號頻率fa、fb，很容易采用物理濾波器的方法濾除，所以不在考慮范圍之內(nèi)。3階互調(diào)的2種模型2fa-fb、fa+fb-fc，因其頻率接近或等于主載波信號頻率，對通信的影響最大。3階以上互調(diào)失真幅度較小，同時由于頻點距離主載波信號較遠(yuǎn)，可以被濾波器抑制，均不在考慮范圍之內(nèi)。

1.2 互調(diào)干擾對GSM-R的影響

非線性度對GSM-R的影響有3個方面：互調(diào)干擾對系統(tǒng)的影響，對相鄰基站小區(qū)的影響，對自身上行信號的影響。

2 前饋功率放大器的設(shè)計方案、仿真及測試

2.1 功率放大器線性化技術(shù)

（1）功率回退技術(shù)。把功率放大器的輸出功率從1 dB壓縮點向后回退，工作在遠(yuǎn)小于1 dB壓縮點的電平上，使功率放大器遠(yuǎn)離飽和區(qū)，工作在線性區(qū)，從而改善功率放大器的3階交調(diào)系數(shù)。實際上，功率回退法是選用輸出功率較大的功率放大管輸出較小功率，來達(dá)到改善線性的目的，它是以犧牲直流功耗和功率放大器的效率來換取功率放大器線性度的改善。

（2）負(fù)反饋技術(shù)。將放大器的輸出信號送入反饋網(wǎng)絡(luò)后在放大器的輸入端產(chǎn)生反饋信號。該反饋信號與放大器原來輸入的信號共同控制放大器的輸入，構(gòu)成反饋放大器。反饋放大器利用放大器輸出的非線性失真信號抵消放大器自身的一部分非線性，因此負(fù)反饋對放大器輸出信號的穩(wěn)定性、增益的穩(wěn)定性、非線性失真等都有改善作用。

（3）預(yù)失真技術(shù)。對通過模擬電路網(wǎng)絡(luò)或者數(shù)字算法等技術(shù)手段產(chǎn)生特定的補償信號，對功率放大器輸入輸出的非線性信號進(jìn)行校正，從而達(dá)到改善線性度的目的。預(yù)失真技術(shù)按照工作頻段可以分為射頻預(yù)失真，中頻預(yù)失真和基帶預(yù)失真。其中射頻預(yù)失真對功率放大器工作頻段內(nèi)的射頻信號進(jìn)行補償；中頻預(yù)失真通過將射頻信號變?yōu)橹蓄l頻率，在中頻頻率上對失真信號進(jìn)行補償，但是其精度不如射頻預(yù)失真；基帶預(yù)失真是通過軟件算法將功率放大器的預(yù)失真系數(shù)計算出來，通過不同的權(quán)重來補償功率放大器的線性度。

（4）前饋技術(shù)。將主功率放大器產(chǎn)生的失真信號進(jìn)行提取，通過調(diào)節(jié)主信號和失真信號的幅度和相位，在放大器輸出端對失真信號進(jìn)行抵消來達(dá)到線性化的目的。前饋技術(shù)兼顧了閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點，既可以得到與閉環(huán)系統(tǒng)相仿的線性化水平，還具有開環(huán)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和寬帶。因此，前饋系統(tǒng)的工作頻率和動態(tài)范圍較其它線性化技術(shù)要好很多，同時在電路中功率放大器產(chǎn)生的非線性信號被抵消，如果幅度和相位調(diào)節(jié)精確的話，可以達(dá)到很高的線性度改善效果。

2.2 前饋功率放大器原理

前饋功率放大器的各部件全部工作在射頻頻段。由信號抵消環(huán)路和失真抵消環(huán)路組成。輸入初始信號在信號抵消環(huán)路中通過功率分配器C1一分為二，其中一路通過主功率放大器、耦合器后將主功率放大器一部分信號提取出來，然后經(jīng)過衰減器和移相器，輸入到另外一路的輸出口；另外一路為延遲線，主要作用是通過延遲信號，使本路信號的相位與通過主功率放大器的信號幅度相同，相位翻轉(zhuǎn)180°，在合成器C3處，通過主功率放大器的信號分量與通過下面支路的輸入信號分量進(jìn)行抵消，抵消后只剩下功率放大器產(chǎn)生的失真信號輸入到失真抵消環(huán)路環(huán)路。失真抵消環(huán)路的上支路為延遲線，作用是抵消輔助功率放大器帶來的信號相位的延遲；下支路的輸入信號為失真信號，通過輔助放大器放大后，再經(jīng)過衰減器和移相器的調(diào)節(jié)，使提取的失真信號分量與上面支路信號中的失真信號分量幅度相等，相位翻轉(zhuǎn)180°，最后在C4合成器處進(jìn)行抵消，最終的輸出信號是主功率放大器被抵消了失真信號分量的輸出信號，從而達(dá)到了提高線性度的目的。前饋功率放大器的原理如圖1。

圖1 前饋功率放大器原理圖

2.3 前饋功率放大器的設(shè)計及仿真

GSM-R前饋功率放大器的整體結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 前饋功率放大器的整體結(jié)構(gòu)圖

前饋功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)：工作頻率范圍：930 MHz～934 MHz。壓縮點輸出功率：>43 dBm。3階交調(diào)分量：<－60 dBc@43 dBm。增益：>40 dB。輸入輸出駐波：<1.5。

2.3.1 主功率放大器的設(shè)計

主功率放大器由3級放大器級聯(lián)實現(xiàn)，射頻信號經(jīng)過前級功放、推動級和輸出級3級放大后，最終輸出功率不小于 43 dBm（20 W），3階交調(diào)分量不超過35 dBc。采用3級放大的方式實現(xiàn)放大器的設(shè)計，主要考慮電路實現(xiàn)的難易程度，功率放大器的穩(wěn)定性因素，為了提高功放的線性度，使用了較小增益但是輸出功率較大的功率放大器。為了取得較好的線性度指標(biāo)，一般會采用功率回退的方式使功率放大器處于線性區(qū)，這將影響功率放大器的效率和增益。在實際設(shè)計中，增益由多級放大器來實現(xiàn)。將每級放大器的增益平均分配，同時留出一定的余量，使功率放大器工作在線性區(qū)，兼顧功率放大器的線性度指標(biāo)。級聯(lián)的級數(shù)也不可太多，以免增加功放的故障點和調(diào)試難度。本系統(tǒng)的增益分配如下：第1級增益為 13 dB，第2級增益為 18 dB，第3級增益 17 dB，去除功分器和耦合器的損耗后，總的增益大概為 42 dB左右。

主功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)：工作頻率范圍：930 MHz～934 MHz。輸出功率：>43 dBm。3階交調(diào)分量：<－35 dBc@43 dBm。增益：>40 dB。輸入輸出駐波：<1.5。

2.3.2 輔助功率放大器的設(shè)計

輔助功率放大器由2級放大器級聯(lián)組成，射頻信號經(jīng)過前級功放、輸出級2級放大后，最終輸出功率不小于10 dBm，3階交調(diào)分量不超過65 dBc，對輔助放大器的要求是增益高，線性度高，不會引入新的失真分量。因此輔助放大器需要采用回退功率的方式進(jìn)行設(shè)計。射頻小信號經(jīng)過2級放大，最終輸出功率不小于 10 dBm。本系統(tǒng)的增益分配如下：第1級增益為 21 dB，第2級增益為 18 dB，總的增益大概為39 dB左右。

輔助放大器的設(shè)計指標(biāo)：工作頻率范圍：930 MHz～934 MHz。輸出功率：>10 dBm。3階交調(diào)分量：<－65 dBc@10 dBm。增益：>35 dB。輸入輸出駐波：<1.5。

2.3.3 功分器和耦合器的設(shè)計

（1）功分器

功分器是進(jìn)行功率分配的，在前饋功率放大器中的作用是將對主功率放大器通路信號和輔助功率放大器通路信號進(jìn)行分配或合成，大功率微波功分器采用波導(dǎo)或同軸結(jié)構(gòu)，中小功率則采用帶狀線或微帶線結(jié)構(gòu)。本設(shè)計中采用的是 930 MHz～940 MHz 等功率分配的微帶功分器。

功分器設(shè)計指標(biāo)：工作頻率范圍：930 MHz～934 MHz。插入損耗：<3.5 dB。端口間隔離度：>20 dB。連續(xù)通過功率：>20 W。輸入輸出駐波：<1.5。

（2）耦合器設(shè)計

耦合器是進(jìn)行功率耦合提取的，在前饋功率放大器中的作用是將對主功率放大器通路信號進(jìn)行耦合，提取一部分信號進(jìn)入輔助放大器進(jìn)行主載波對消和3階互調(diào)信號放大，本設(shè)計中采用的是930 MHz ～940 MHz的30 dB微帶耦合器。

耦合器設(shè)計指標(biāo)：工作頻率范圍：930 MHz～934 MHz。插入損耗：<0.3 dB。耦合損耗：30 dB。連續(xù)通過功率：>20 W。輸入輸出駐波：<1.5。

2.3.4 系統(tǒng)仿真

經(jīng)過上面對各部件的設(shè)計，在此基礎(chǔ)上擬定了適用于 GSM-R前饋功率放大器系統(tǒng)的ADS仿真電路圖，對整個前饋放大器系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。

系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖3，圖4。

圖3 主功放抵消前的輸出信號

圖4 主功放抵消后的輸出信號

以上對中心頻率為 932 MHz 的 GSM-R前饋功率放大器進(jìn)行了仿真，結(jié)果顯示未線性化前，這款射頻功率放大器的3階交調(diào)失真為 39 dBc，而采用前饋線性化方法之后的3階交調(diào)減小了 29 dB，達(dá)到了68 dBc，證明前饋系統(tǒng)對于功率放大器的線性度具有較強的改善作用。

2.3.5 前饋功率放大器系統(tǒng)測試

根據(jù)設(shè)計指標(biāo)和仿真結(jié)果，對GSM-R前饋功放進(jìn)行實驗室的實際測試。

所使用的儀表工具：信號源Agilent E4432，頻譜儀Agilent E4402B，萬用表，30 dB衰減器，測試電纜，直流電源DH3210，轉(zhuǎn)接頭若干。

雙音輸入信號分別為931.9 MHz，932. 1 MHz，幅度為0 dBm。

圖5 未開啟前饋時主功放的輸出

圖5 中，當(dāng)主功放輸出在43 dBm（即20 W）時，3階互調(diào)信號幅度約在0 dBm左右，與前節(jié)仿真結(jié)果基本一致。圖6中，當(dāng)主功放輸出在43 dBm（即20 W）時，3階互調(diào)信號幅度約在－20 dBm左右，最終互調(diào)為－63 dBc，較未進(jìn)行前饋前的功放改善了20 dBc，實際測試結(jié)果顯示，前饋系統(tǒng)對功率放大器的線性度的改善較為明顯。

圖6 開啟前饋后主功放的輸出

3 結(jié)束語

本文使用前饋線性化方法設(shè)計了中心頻率 932 MHz、帶寬 4 MHz、輸出功率 20 W 的功率放大器，對其進(jìn)行了部件及系統(tǒng)仿真，并依據(jù)結(jié)果實現(xiàn)了前饋功率放大器的硬件設(shè)計，最終測試結(jié)果顯示輸出信號中3階交調(diào) IMD3 達(dá)到－63 dBc，比線性化前減小了 20 dB，實現(xiàn)了較好的線性輸出。

前饋系統(tǒng)對功率放大器線性度的改善較為理想，是實現(xiàn)功率放大器線性度的一種有效手段。采用矢量幅度調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)較為精確的幅度和相位調(diào)節(jié)，達(dá)到了較好的效果。前饋功放雖然是一種較為理想的線性化技術(shù)，但是也存在一些問題，電路復(fù)雜度高，調(diào)試?yán)щy，幅度和相位會隨著外界環(huán)境的變化而變化，對抵消效果產(chǎn)生比較大的影響，導(dǎo)致前饋功放的線性度變差，在實際的產(chǎn)品中，需要一些額外的電路來進(jìn)行自適應(yīng)的控制，來穩(wěn)定前饋功放的線性度指標(biāo)。

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