馮長樂

（河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊 050200）

0 引 言

現(xiàn)階段，通信產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展，相關(guān)技術(shù)手段的更新速度也在不斷加快。在無線通信系統(tǒng)中，射頻（Radio Frequency，RF）功率放大器作為重要組成部分可以有效發(fā)揮擴(kuò)大頻譜范圍的作用，提高信號(hào)傳輸水平，但是運(yùn)用射頻功率放大器容易引發(fā)信號(hào)失真。為了降低信號(hào)失真的影響，提高射頻功率放大器在無線通信中的應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)積極做好射頻功率放大器的線性技術(shù)優(yōu)化，提高無線通信質(zhì)量。

1 射頻功率放大器概述

射頻功率放大器在無線發(fā)射機(jī)設(shè)備中發(fā)揮著重要作用。在無線通信的發(fā)射機(jī)設(shè)備運(yùn)營過程中，必須明確無線信號(hào)的傳輸范圍，同時(shí)有效調(diào)節(jié)射頻信號(hào)的功率參數(shù)[1]。在實(shí)際操作中，必須確保整個(gè)操作流程的合理性，使得無線通信發(fā)射機(jī)發(fā)出的射頻信號(hào)功率符合信號(hào)覆蓋的要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍信道干擾的控制效果。針對(duì)射頻功率放大器模塊，該組成部分通常在無線通信系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用價(jià)值。通過射頻功率放大器能夠針對(duì)無線通信系統(tǒng)的信號(hào)功率和輸出效率進(jìn)行有效分類，在判別射頻功率放大器性能時(shí)，一般采用增益效果、輸出功率和三階互調(diào)系數(shù)來評(píng)價(jià)。

2 射頻功率放大器的原理

在無線發(fā)射機(jī)中，射頻功率放大器是非常重要的組成部分。采用無線電發(fā)送器時(shí)，應(yīng)注意先明確信號(hào)的覆蓋范圍，再調(diào)節(jié)射頻信號(hào)的功率。實(shí)際的操作過程中，應(yīng)該將重點(diǎn)放在行動(dòng)方案的可行性上，使得無線發(fā)送器能夠提供足夠的射頻能量，并能有效抑制周邊通信信道對(duì)它的影響。就目前國內(nèi)的無線電波功放而言，射頻功率放大器功放的種類很多，可以按其輸出效率。功率大小等進(jìn)行歸類。在對(duì)射頻功率放大器功放的性能進(jìn)行判定時(shí)，主要考慮的是增益情況、輸出功率以及3 階互調(diào)系數(shù)等[2]。

3 射頻功率放大器的非線性特性概述

射頻功率放大器中以半導(dǎo)體元件作為核心組成部分，本身就具有特定的非線性[3]。針對(duì)射頻功率放大器的非線性分析中，一般將輸出和輸入功放的關(guān)系表示為

式中：U1(t)為輸入電壓，通常指電壓瞬時(shí)值；U0(t)為輸出電壓，通常指電壓瞬時(shí)值。

射頻功率放大器的非線性曲線如圖1 所示。從中能夠看出，在射頻功率放大器的輸入功率比較小的情況下，輸入功率和輸出功率具有線性關(guān)系，比值為常數(shù)，關(guān)系圖為直線；隨著射頻功率放大器輸入功率的增加，輸入功率與輸出功率的關(guān)系出現(xiàn)非線性變化，比值不再是常數(shù)；而隨著射頻功率放大器輸入功率的減小，輸入功率和輸出功率曲線也將呈現(xiàn)非線性特征，并逐漸形成平緩曲線。通過分析射頻功率放大器的非線性曲線圖，可以看出線性和功率成反比關(guān)系。當(dāng)輸入功率處于線性范圍，在功放輸出信號(hào)和輸入信號(hào)為倍數(shù)關(guān)系的情況下，并不存在非線性失真以及其他分量。然而當(dāng)射頻功率放大器的輸入功率較低時(shí)，因放大倍數(shù)小會(huì)造成其工作效率偏低，將無法滿足無線通信的覆蓋范圍需求，因此只能依靠應(yīng)用更多的射頻功率放大器來提高放大等級(jí)，這也造成了一定程度上的資源浪費(fèi)[4]。

圖1 射頻功率放大器的非線性曲線

為了滿足射頻功率放大器在無線通信應(yīng)用中的效率標(biāo)準(zhǔn)，必須保證射頻功率放大器處于飽和區(qū)域。而通過射頻功率放大器的非線性曲線來看，如果射頻功率放大器處于飽和區(qū)域，則很容易引發(fā)非線性失真現(xiàn)象，導(dǎo)致接收器無法精準(zhǔn)還原無線信號(hào)，最終使無線傳輸失敗[5]。

4 射頻功率放大器的非線性失真分析

4.1 靜態(tài)非線性失真

該類型的非線性失真一般考慮處于飽和區(qū)產(chǎn)生諧波失真與互調(diào)失真的情況，具體分析如下。

4.1.1 諧波失真

引發(fā)諧波失真的原因是當(dāng)射頻功率放大器的功放信號(hào)放大后，不僅包括基波信號(hào)，也包含倍頻信號(hào)[6]。在不考慮非線性失真特性的情況下，射頻功率放大器的功放輸出信號(hào)為

式中：y(t)為射頻功率放大器的功放輸出信號(hào)；k1為射頻功率放大器的功放倍數(shù)。

如果將非線性失真因素考慮進(jìn)來，射頻功率放大器的功放輸出信號(hào)為

通過式（3）可以看出，射頻功率放大器的功放輸出信號(hào)不僅能實(shí)現(xiàn)線性輸出，同時(shí)也會(huì)生成其他分量。為了分析射頻功率放大器的諧波失真原因，利用單音信號(hào)x(t)=Ucosω0t作為待測(cè)信號(hào)，將其與式（3）結(jié)合，計(jì)算功放輸出為

通過式（4）可以看出，射頻功率放大器功放輸出信號(hào)除了基波分量，還包括2 倍頻、3 倍頻以及其他倍頻，充分表明了射頻功率放大器諧波失真的特性。

4.1.2 互調(diào)失真

產(chǎn)生互調(diào)失真主要是由于射頻功率放大器的基波分量和諧波失真分量等多個(gè)分量與頻率交匯，形成新的頻率分量。為了明確互調(diào)失真特性，通過雙音信號(hào)x(t)=U(cosω1t+cosω2t)進(jìn)行測(cè)試。將其帶入式（3），可以求得射頻功率放大器的輸出信號(hào)為

通過式（5）可以看出，輸出信號(hào)不僅包括基波分量和倍頻分量，同時(shí)諧波失真也產(chǎn)生了混頻分量，從而驗(yàn)證了射頻功率放大器的互調(diào)失真特性。

4.2 動(dòng)態(tài)非線性失真

對(duì)于無線通信系統(tǒng)中的射頻功率放大器而言，出現(xiàn)動(dòng)態(tài)非線性失真的現(xiàn)象主要受到功放記憶效應(yīng)的影響，其中的記憶效應(yīng)一般指的是放大器輸出的信號(hào)和輸入信號(hào)具有一定關(guān)聯(lián)性[7]。動(dòng)態(tài)非線性失真主要是由匹配網(wǎng)絡(luò)電抗和內(nèi)部元件造成的，結(jié)合產(chǎn)生原因又可分為熱效應(yīng)和電效應(yīng)2 類。其中，熱效應(yīng)受到不同因素的影響，又分為短期熱效應(yīng)和長期熱效應(yīng)。短期熱效應(yīng)主要是晶體管的溫度發(fā)生改變引發(fā)的非線性失真；長期熱效應(yīng)則是由于晶體管內(nèi)部散熱與外部環(huán)境影響而引發(fā)的非線性失真。電效應(yīng)則主要是由于偏置電路和儲(chǔ)能元件相互干擾并疊加后引發(fā)的分量失真[8]。

5 射頻功率放大器技術(shù)在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

5.1 前饋法的應(yīng)用

前饋法是在20 世紀(jì)初期被科學(xué)家提出的，在早期得到廣泛應(yīng)用。起初，前饋法主要運(yùn)用于電路制造和維修領(lǐng)域，特別是開環(huán)電路中對(duì)前饋法的應(yīng)用較為常見。隨著科技水平不斷提升，該方法在各個(gè)領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用。以頻帶來說，前饋法的應(yīng)用需要做好小分貝電路元件的限制。在輔助放大器應(yīng)用中，由于元件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此該技術(shù)的應(yīng)用也存在較大的難度。此外，前饋法的應(yīng)用還能夠改善功放線性特征，不僅可以實(shí)現(xiàn)元器件的增益效果，還能降低對(duì)其他信號(hào)傳輸產(chǎn)生的干擾。前饋射頻功率放大器在實(shí)際應(yīng)用中主要由誤差放大器、耦合器、減法器以及延時(shí)單元組成，所有部分在射頻功率放大器中均發(fā)揮著相應(yīng)的作用。在實(shí)際運(yùn)行中，前饋射頻功率放大器容易出現(xiàn)失衡狀態(tài)。為此在控制射頻功率放大器時(shí)，需要確保各項(xiàng)操作的規(guī)范性與準(zhǔn)確性，保證射頻功率放大器的應(yīng)用獲得理想效果。

5.2 反饋法的應(yīng)用

在射頻功率放大器的應(yīng)用中，除了前饋法以外，反饋法也具有良好的應(yīng)用。當(dāng)無線信號(hào)傳輸過程中發(fā)生射頻功率放大器功放失真的現(xiàn)象，通過反饋法可以對(duì)失真的信號(hào)進(jìn)行科學(xué)處理。在反饋技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，其只需運(yùn)用簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)就能夠達(dá)到理想的失真處理效果。在低頻電子技術(shù)的應(yīng)用中，反饋技術(shù)能夠有效抵消射頻功率放大器產(chǎn)生的失真現(xiàn)象，使通頻帶和非線性失真指標(biāo)得以滿足。通常情況下，在應(yīng)用射頻功率放大器反饋技術(shù)時(shí)，通常容易受到限制，尤其是在高頻段寬帶條件下的信號(hào)傳輸中，其輸入信號(hào)和反饋信號(hào)將出現(xiàn)反差，因此反饋法一般只應(yīng)用于低頻段寬帶中。

5.3 EER 法的應(yīng)用

包絡(luò)消除和恢復(fù)（Envelope Elimination and Restoration，EER）作為一種常見的射頻功率放大器現(xiàn)行技術(shù)手段，其作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻功率放大器功能的進(jìn)一步放大，為無線信號(hào)傳輸提供可靠支持。以中頻段輸入信號(hào)來說，利用ERR 法能夠產(chǎn)生同等幅度的輸入信號(hào)，再通過混頻器將信號(hào)進(jìn)行變頻處理，使得輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化成射頻信號(hào)。該技術(shù)在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用具有較高的難度。因此，在ERR 法的應(yīng)用過程中，應(yīng)合理控制變頻器輸入信號(hào)，可以發(fā)揮ERR 法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，有效分離混頻器中的信號(hào)，確保中頻信號(hào)得以有效加強(qiáng)，以此來實(shí)現(xiàn)控制射頻功率放大器的功能。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，EER 技術(shù)還可以發(fā)揮自身良好的靈活特點(diǎn)，能夠有效調(diào)節(jié)載頻通路信號(hào)和電源通路信號(hào)的相位差。

5.4 預(yù)失真法的應(yīng)用

該技術(shù)方法通常運(yùn)用在射頻功率放大器的功放前，將預(yù)失真設(shè)備加入在無線通信系統(tǒng)中能夠確保射頻功率放大器的功放非線性得到有效抵消，充分發(fā)揮射頻功率放大器的線性特征。在該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用過程中，可以發(fā)揮出高效率、低成本以及控制便捷等優(yōu)勢(shì)。射頻功率放大器中預(yù)失真技術(shù)的主要應(yīng)用分為射頻預(yù)失真和數(shù)字預(yù)失真。對(duì)比這2 種方法可以看出，數(shù)字預(yù)失真技術(shù)一般用來處理數(shù)字信號(hào)，射頻預(yù)失真一般是進(jìn)行射頻功率放大器功放的互調(diào)失真處理。由于工作環(huán)境和條件差異，信號(hào)預(yù)失真相位也存在一定差異，為了確保信號(hào)預(yù)失真得到有效處理，需要合理控制自適應(yīng)程度，以此來達(dá)到良好的信號(hào)傳輸效果。

6 結(jié) 論

隨著我國現(xiàn)代科技水平的不斷提升，對(duì)無線通信技術(shù)也提出了全新的要求。為了提高無線通信技術(shù)的應(yīng)用范圍，滿足人們生產(chǎn)和生活的需求，在無線通信業(yè)務(wù)中對(duì)射頻功率放大器的運(yùn)用越來越廣泛。但是在射頻功率放大器應(yīng)用中容易引發(fā)失真現(xiàn)象，為了有效降低射頻功率放大器功放時(shí)的失真情況，需要合理優(yōu)化射頻功率放大器的線性技術(shù)，發(fā)揮射頻功率放大器的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，為無線通信系統(tǒng)的信號(hào)傳輸提供可靠支持。