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了解一种用于高功率射频发射机的重要设计技术：前馈线性化，其工作原理是基于失真信号的抵消。

在无线通信系统中，功率放大器的高效性和高线性度至关重要。高效性对于降低能耗、延长电池寿命和简化热管理至关重要。而线性度则对于确保放大信号具有最小的失真至关重要。然而，设计用于最大化效率的功率放大器通常会表现出较大的非线性。

有几种不同的功率放大器线性化技术可供选择。自电话通信诞生以来，放大器中的失真问题就一直存在，因此其中一些技术已经存在了很长时间。例如，Harold Black分别在1928年和1937年申请了前馈和反馈电路技术的专利。最初这些技术旨在最小化中继放大器的失真，后来被用于线性化射频功率放大器。

在本文中，我们将讨论前馈线性化技术。图1展示了一个前馈功率放大器（PA）系统的基本框图。

基本的前馈功率放大器拓扑结构。

图1 基本的前馈功率放大器拓扑结构。图片由Steve Arar提供

如图所示，前馈结构实际上需要两个放大器。该拓扑结构通过确定主放大器添加的失真信号并将其从系统输出中减去，从而增强整体线性度。让我们探讨一下该电路的工作原理。

输入信号被应用到两条不同的路径。在上部路径中，输入信号由主功率放大器放大。非线性放大器的输出可以看作是输入信号的线性复制和由非线性引起的误差信号的总和。因此，节点m处的电压可以表示为：

公式1

其中：

Av是功率放大器的电压增益

Vd是由放大器的非线性产生的误差信号。

在框图中，垂直分支将非线性功率放大器的总输出衰减Av倍，以产生节点n处的电压。根据公式1，我们有：

公式2

从Vn中减去输入Vin，我们得到节点p处的失真信号的衰减版本：

公式3

从输入到第一个减法器的两条路径形成了一个环路，消除了节点p处的输入信号。这被称为信号抵消环路。

接下来，节点p处的电压被应用到一个增益为Av的误差放大器，生成电压Vq = Vd。这为我们提供了失真信号Vd。最后，Vq从Vm中减去，生成输出电压：

公式4

尽管放大器是非线性的，但整体输出是输入信号的线性复制。前馈功率放大器系统的第二个环路被称为误差抵消环路。

误差放大器

第二个环路中放大器引入的任何跟踪误差都会在输出端无补偿地出现。因此，误差放大器的失真特性决定了系统的整体线性度。

在第一个减法器的输出端，信号被抵消，只剩下失真分量。假设这个残余信号很小，误差放大器比主放大器更不容易受到失真的影响。然而，随着信号幅度的增加，失真分量会迅速增加。例如，放大器中的三阶失真产生的失真分量会随着输入信号幅度的增加而呈立方增长。

因此，尽管通常主放大器决定了整个系统的功率等级，但误差放大器的功率能力也是一个重要的设计考虑因素。它受到多个不同参数的影响，包括：

从输入到第一个减法器的信号路径中引入的衰减。

主放大器的AM-PM失真。

有关前馈功率放大器设计这一方面的更多信息，请参阅Steve Cripps的《无线通信中的射频功率放大器》。

误差放大器还应提供足够的输出功率以克服输出组合器的损耗。通常，这需要将误差放大器的尺寸与主功率放大器相当，这可能会增加系统的成本并降低其效率。

增益和相位匹配是必需的

让我们回到图1。为了使之前的电路分析有效，通向减法器的路径必须具有完美的相位匹配，并且其相关组件必须具有完美的增益匹配。例如，如果从输入到第一个减法器的两条路径表现出不同的延迟，信号抵消将无法进行。

需要在频率、温度和时间上实现精确的增益和相位跟踪。此外，放大器会引入一些信号路径延迟。因此，我们需要引入两个延迟块来均衡相应路径的延迟。如图2所示。

在图1的电路中添加延迟元件。

图2 在图1的电路中添加延迟元件。图片由Steve Arar提供

在上图中，延迟块τ1补偿了主放大器和衰减器引起的相位偏移。同样，延迟块τ2补偿了误差放大器引入的相位偏移。延迟块可以由无源集总元件网络或传输线构成。

但请记住，这些块会导致功率耗散并降低放大器的效率。设计宽带延迟块也是一个重大挑战。

实际实现

图3展示了一个更实际的前馈功率放大器实现。

使用定向耦合器的更实际的前馈功率放大器系统。

图3 一个更实际的前馈功率放大器的框图。图片（修改）由William F. Egan提供

在这里，定向耦合器被战略性地用于在电路的关键节点处采样和路由信号。系数cn和cn′分别表示每个耦合器的耦合系数和主线增益。

与我们之前检查的电路不同，这种安排在信号抵消环路中没有明显的衰减器块。相反，衰减是由环路中的定向耦合器引起的。

使用矢量调制器的前馈功率放大器系统

图4展示了另一种前馈功率放大器系统的变体。在该电路中，两个矢量调制器（VM）被放置在主放大器（MA）和误差放大器（EA）之前。

使用矢量调制器的前馈功率放大器。

图4 使用矢量调制器的前馈功率放大器。图片由Richard N. Braithwaite提供

矢量调制器是一种可以控制RF信号幅度和相位的设备。它将信号分成两个分量，称为同相和正交分量，彼此相差90度。通过调整这些分量，图4中的矢量调制器匹配环路的增益和相位。

自适应前馈系统

自适应前馈功率放大器监控系统的线性性能并相应地调整环路参数。图5展示了一个自适应前馈功率放大器的简化框图。

使用导频辅助的前馈功率放大器。

图5 使用导频辅助的前馈功率放大器的框图。图片由Richard N. Braithwaite提供

在这个例子中，导频信号在主放大器之前引入。导频信号在前馈电路中被视为不需要的失真。理想情况下，它不应出现在最终输出中。这为我们提供了一种评估放大器线性性能的方法。

之后，存在多种算法通过微调信号抵消和误差抵消环路来优化性能。这些算法旨在确定最小化残余失真的控制参数。使用自适应前馈系统使我们能够实现比原本更低的失真水平。

优点和缺点

与反馈方法相比，前馈技术有几个优点。首先，它可以校正幅度和相位误差。更重要的是，前馈功率放大器系统在其构建模块表现出显著相位偏移时仍然是稳定的。这种稳定性源于输出没有被反馈到输入。

前馈方法的另一个显著优势是其宽带宽。这种宽带功率放大器对于多载波无线通信（包括无线基站使用的通信）至关重要。它也是一种相对低噪声的线性化技术。主放大器的噪声理想情况下会以与失真相同的方式被抵消。

这带来了前馈系统的另一个好处：它们几乎即时地校正失真误差。因此，它们不受通常与功率放大器相关的记忆效应的影响。记忆效应是指功率放大器的输出受到输入信号历史影响的现象。它会影响预失真线性化技术的有效性，我们将在未来的文章中讨论这一点。

总之，前馈功率放大器系统具有以下优点：

可以校正相位和幅度。

尽管存在相位偏移，仍然具有固有的稳定性。

宽带宽。

低噪声。

不受记忆效应影响。

然而，它们也有一些缺点。正如我们之前提到的，引入模拟延迟元件需要使用无源器件，如微带线。这些器件中的功率损耗是一个关键问题。此外，输出减法器的构造需要使用低损耗组件（例如高频变压器）以确保效率。

总结

前馈线性化方法基于失真信号的抵消原理。它通过确定失真信号然后从非线性功率放大器的输出中减去它来实现信号校正。前馈系统非常适合需要宽带宽的应用，使其成为移动通信网络中的重要组成部分。