劉成國(guó) 楊國(guó)緯 劉尚合

（1.武漢理工大學(xué)理學(xué)院，射頻與微波技術(shù)研究中心，湖北 武漢430070；2.軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)技術(shù)研究所，河北 石家莊050003）

引 言

現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，功率放大器作為核心部件之一，其效率和線性度極大地影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能，而效率和線性度又是一對(duì)矛盾的指標(biāo)，需要權(quán)衡取舍［1］.隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，頻譜資源越來(lái)越緊張［2］，傳輸信息量越來(lái)越大，于是越來(lái)越復(fù)雜的信號(hào)調(diào)制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，例如多載波技術(shù)、正交頻分多址技術(shù)和多元線性幅度調(diào)制技術(shù)［3-4］等.它們輸出的幾乎都是非恒定包絡(luò)的調(diào)制信號(hào)，并且輸出信號(hào)峰均比極大［5-6］，容易進(jìn)入功率放大器的非線性區(qū)域?qū)е滦盘?hào)失真，造成明顯的頻譜擴(kuò)展干擾，所以要求功放具有很好的線性度［7-8］，而功放模塊作為整個(gè)通信系統(tǒng)中最耗電的部分，高效率也是對(duì)其的一個(gè)必然要求.LINC技術(shù)［9-10］中由于其功放可以工作在飽和狀態(tài)，所以具有很高的效率；其次，只要調(diào)整好兩支路的幅相平衡，就可以獲得較好的線性度.所以現(xiàn)在LINC技術(shù)被廣泛運(yùn)用到射頻功率放大器電路中［11-14］.本文通過(guò)研究LINC理論，對(duì)原有理論提出了一些有效的改進(jìn)，并進(jìn)行了仿真分析.

1 基本原理

對(duì)于一般的帶通信號(hào)

其中E（t）＝Emsinφ（t）≥0為實(shí)包絡(luò).將其視為L(zhǎng)INC放大器的輸入信號(hào)，輸入到信號(hào)分離器中，如圖1所示.

圖1 LINC放大器原理圖

信號(hào)經(jīng)過(guò)分離器后拆成兩個(gè)幅度相等且恒定的信號(hào)S1（t）和S2（t）.

兩個(gè)放大器也可以是兩個(gè)功率振蕩器，只需其是相位鎖定或注入鎖定即可，同時(shí)兩個(gè)放大器要有相同的增益.

1.1 信號(hào)分離的具體實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)原理是將輸入信號(hào)分解為包絡(luò)信號(hào)（即基帶信號(hào)）與恒包絡(luò)角調(diào)信號(hào)（即載波信號(hào)），將包絡(luò)信號(hào)通過(guò)相位調(diào)制器反相調(diào)制到兩路恒包絡(luò)角調(diào)信號(hào)中，然后進(jìn)行變頻和放大，再對(duì)兩路信號(hào)相減，便可以將包絡(luò)信號(hào)從相位中解調(diào)出來(lái)，從而恢復(fù)出放大后的原始輸入信號(hào).

圖2 LINC的系統(tǒng)方框圖

如圖2所示，圖中的去包絡(luò)電路主要是將輸入信號(hào)的包絡(luò)去除，得到載波信號(hào).S（t）為輸入帶通信號(hào)，通過(guò)去包絡(luò)電路后得到恒包絡(luò)角調(diào)信號(hào)P（t），再通過(guò)同步檢波器，得到包絡(luò)信號(hào)E′（t），式中：

為獲得兩個(gè)分離信號(hào)，先分析放大器的反饋環(huán)路，該放大器有比較大的電壓增益Gl＝-V0/Vi，P（t），經(jīng)過(guò)相移后再由V0（t）對(duì)其進(jìn)行相位調(diào)制，然后經(jīng)過(guò)混頻和低通濾波，得到

為了使其閉環(huán)穩(wěn)定，?。黭1V0（t）｜≤π/2.假設(shè)放大器的輸入阻抗比R1和R2大得多，可以得到

可以看出，式（8）與式（4）有相同的形式，只要使Gl足夠大就能讓它們充分近似.Gl的大小由LINC總的失真限制規(guī)定，如果k1和K足夠大，Gl就可以小于單位增益，這個(gè)基帶放大器就可以用一個(gè)被動(dòng)求和網(wǎng)絡(luò)代替，可以增加分量分離器的可實(shí)現(xiàn)帶寬.若選擇K、R1和R2的值使得K·R2/R1＝Em，則

那么圖2中的輸出則變?yōu)?/p>

當(dāng)然，反饋環(huán)路的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足相移的要求以及增益對(duì)穩(wěn)定性的需要.應(yīng)該注意，如果反饋環(huán)路中的相位調(diào)制器不能使相位線性改變，即不是電壓V0的線性函數(shù)（比如k1是V0的函數(shù)），那么高增益反饋環(huán)路將通過(guò)使V0（t）失真使其滿足sin［k1（V0）V0（t）］＝V1（t）和k1（V0）V0（t）＝φ（t）來(lái)補(bǔ)償這個(gè)缺陷，唯一需要的是圖2中的兩個(gè)相位調(diào)制器一定要有相同的調(diào)制特性k1（V0）.當(dāng)然，如果調(diào)制器能實(shí)現(xiàn)sin-1特性，也就不需要反饋環(huán)路了.

這里需要說(shuō)明一下，文獻(xiàn)［9］中認(rèn)為通過(guò)同步檢波器后輸出的包絡(luò)信號(hào)是E（t），經(jīng)過(guò)反饋電路后，得到.而本文分析經(jīng)過(guò)同步檢波器后得到的信號(hào)是E′（t），再經(jīng)過(guò)電路分析得出式（8）.

1.2 變頻并實(shí)現(xiàn)放大

通過(guò)把低頻的信號(hào)轉(zhuǎn)換成O1（t）和O2（t）兩路信號(hào)，用相同的振蕩器把兩路信號(hào)混頻到高頻率并實(shí)現(xiàn)功率放大，如圖2.得到

混頻器和放大器可以是非線性的，輸出信號(hào)是頻率調(diào)制到ω0＋ω1的放大信號(hào).最后經(jīng)過(guò)一個(gè)減法器，得到

在這里需要指出的是，文獻(xiàn)［9］中推導(dǎo)得出的是4 KG/Em，根據(jù)修改后顯然應(yīng)該是KG/Em.由此，可以看出，LINC放大器要實(shí)現(xiàn)如圖1原理所示的G倍放大，需滿足K＝Em.

2 仿真結(jié)果與分析

取K＝0.5，R1＝100Ω，R2＝200Ω，輸入信號(hào)恒幅分量的頻率f0＝ω0/2π＝50MHz，調(diào)制載頻f1＝ω1/2π＝320MHz，輸入信號(hào)的其余參量為θ（t）＝1 000 t，φ（t）＝2π×105t.對(duì)電路進(jìn)行軟件仿真，運(yùn)行結(jié)果如圖3所示，其輸入信號(hào)的幅度分別為1V、5 V，包絡(luò)周期都為10-5s，電壓放大倍數(shù)為5倍.圖4為對(duì)應(yīng)的功率譜密度，功率分別集中在49.9MHz和369.3MHz.

當(dāng)輸入信號(hào)恒幅分量的頻率改為f0＝5MHz，調(diào)制載頻不變時(shí)，適當(dāng)調(diào)整采樣頻率，仿真結(jié)果如圖5所示.

從圖5可看出，輸出電壓包絡(luò)幅度和周期都沒(méi)有變化，放大無(wú)失真.圖6為其功率譜密度，圖中出現(xiàn)兩個(gè)峰值，是因?yàn)檩斎胄盘?hào)S（t）＝Emsin（φ（t））·cos（ω0（t）＋θ（t））可以看作是雙音信號(hào)，由于f0＝5MHz，而MHz，二者相差不大，所以，雙音信號(hào)二頻率相差較大，出現(xiàn)明顯頻譜擴(kuò)散.同理，輸出信號(hào)因?yàn)轭l率相差不大，未出現(xiàn)頻譜擴(kuò)散.若調(diào)整f0或φ/2πt值，使f0與φ/2πt相差很大，則無(wú)明顯頻譜擴(kuò)散現(xiàn)象.

圖6 改變輸入信號(hào)恒幅分量頻率后的信號(hào)功率譜密度

當(dāng)基帶頻率不變，調(diào)制載頻f1＝3GHz時(shí)，仿真結(jié)果如圖7所示.輸出信號(hào)包絡(luò)幅度和周期都無(wú)變化，放大信號(hào)無(wú)失真.

圖8為對(duì)應(yīng)的功率譜密度，功率分別集中在49.9MHz和3.044GHz.

由此可知，對(duì)于不同的輸入信號(hào)頻率和調(diào)制載頻，放大不會(huì)產(chǎn)生失真.

當(dāng)輸入信號(hào)幅度變?yōu)?0V，去包絡(luò)電路的系數(shù)K變?yōu)?時(shí)，仿真結(jié)果如圖9所示.圖中輸出信號(hào)幅度為50V，是輸入信號(hào)幅度的5倍，包絡(luò)周期無(wú)變化.圖10為對(duì)應(yīng)的功率譜密度，功率分別集中在49.9 MHz和369.3MHz，與沒(méi)改變輸入信號(hào)幅度前相同.

由此可知，對(duì)于不同信號(hào)幅度，放大不會(huì)產(chǎn)生失真.

3 結(jié) 論

LINC技術(shù)適用于幅度和相位均有變化的信號(hào)，主要是通過(guò)將輸入信號(hào)變換為恒定包絡(luò)的信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)線性放大，放大器可以工作在非線性區(qū)域（飽和區(qū)），因此效率很高，對(duì)高峰均比信號(hào)也不會(huì)失真.但是要求上下兩個(gè)支路的對(duì)稱性要相當(dāng)好，不能有相位延遲和幅度偏差，兩個(gè)放大器的參數(shù)也要完全一致.本文對(duì)文獻(xiàn)［9］中考克斯提出的原理進(jìn)行了改進(jìn)，提出了自己的改進(jìn)意見(jiàn)，進(jìn)行了程序仿真，并分析了結(jié)果.仿真結(jié)果表明LINC技術(shù)適用于不同幅度和頻段（信號(hào)基頻和調(diào)制載頻）的信號(hào)，在無(wú)損耗的情況下其放大倍數(shù)是由包絡(luò)信號(hào)的幅度、去包絡(luò)電路的系數(shù)以及放大器增益共同決定，為KG/Em.

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