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[摘 要]随着无线通信的迅猛发展，通信频率资源变得越来越紧张，功率放大器是射频系统的关键部件，也是产生非线性的主要部件，因此对功率放大器的线性化是一项即具有重要实际意义又具有挑战性的课题。
[关键词]前馈、线性功率放大器、系统分析
中图分类号：TN722.75 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）32-0362-01
一、引言
频率这种宝贵的无线电资源就像石油一样具有不可再生性，并且随着人们对移动通信技术的迅猛需求，其稀缺性也日益凸显，尤其对于新的 3G 运营商而言，这种稀缺性更加突出，很自然地，从战略角度出发，人们总是希望尽可能多的拥有这类资源，并努力提高其利用效率。随着无线通信的迅猛发展，通信频率资源变得越来越紧张，这就导致了各种具有高频谱利用率和宽频带通信体制的出现。在现代数字通信系统中，多采用 QPSK 或 16QAM 的调制方式。这种调制方式产生的信号是非恒定包络的调相信号，而且系统又多是多载波、多信道的。这就需要射频系统有很好的线性，否则就会产生失真。这种失真表现为常见的交调失真（IMD 失真），导致的带内信号干扰已调信号，已调矢量信号的幅度和相位出现偏差，同时导致频谱扩展，干扰临道信号，误码率恶化等等。同时，功率放大器是射频系统的关键部件，也是产生非线性的主要部件，因此改善功放的非線性具有重大意义。
二、当前的研究状况
由于高效率、高线性度功率放大器的大量需求，许多公司都投入了大量的物力和财力来进行这方面的技术研究。其中最有效的方法，就是在高效率的 Doherty技术的基础上施加线性化方法，以同时实现高效率和高线性度的要求。但是，由于商业原因，这些研究成果的详细资料都未公开。 在国外，TriQuint 半导体公司设计的用于 WCDMA 系统的大功率 Doherty 放大器，效率可以达到 57%，施加数字预失真技术，在输出功率为 50 瓦时，ACPR可以达到-55dBc；Ui，N.等人用氮化镓 HEMT 设计的 Doherty 放大器在输出功率为 80 瓦时，漏极效率为 42%，ACPR 为-52dBc；韩国 Bumman Kim 带领的小组也做了大量 Doherty 放大器的研究工作。 尽管在国内，高校与公司也进行了高效率、同时高线性度功率放大器的研究，但是与国外已经报道出的设计相比，还是存在有一定的差距。
三、微波功率放大器的线性化技术
如何来消去这些非线性失真，使其对系统的影响减小？提高放大器线性度最简单的方法，将放大器工作在甲类，并降低工作电平，直到得到所要求的线性度。典型的甲类功率放大器中，n 阶交调分量输出功率随输入功率变化为 n dB/dB，而线性输出变化为 1dB/dB。所以少许的功率回退可以使交调产物大幅压缩，特别是对高阶产物，这就是功率回退法。但这种方法对放大器的效率和放大器本身的工作能力来说是一种浪费，随着电子、通信技术的发展人们更侧重于采用线性化技术，常用的线性化技术主要有三种：反馈技术（Feedback）、预失真技术（Pre-Distortion）和前馈技术（Feedforward）
四、阻抗匹配
在射频系统中系统阻抗通常为 50 ？，而微波功率管的输入、输出阻抗值很小，通常只有几欧姆或零点几欧姆，并且随着功率管输出功率能力的提高，单管的输入和输出阻抗值在逐渐减小。虽然近年来随着厂家技术水平的提高和制造工艺的不断改进，在功率管内部加入了一些内匹配电路，使单管的输入和输出阻抗值有所提高，但大功率的功率管输入、输出阻抗仍然只有几个欧姆。这样就要求我们在功率放大器的设计过程中，必须考虑到把功率管的输入、输出阻抗从几个欧姆匹配到 50？。
对于任何一个功率放大器电路，阻抗匹配的好坏直接影响到电路的稳定性，以及整个功率放大器的线性度和工作效率。所以阻抗匹配电路的设计是设计功率放大器中非常关键的部分。在设计匹配电路时同时考虑到功率放大器的工作带宽、驻波、线性度和谐波衰减等多项要求。在设计匹配电路过程中，往往不可能同时让所有的指标都达到最优的状态，所采用的匹配电路要综合权衡以上的指标。通常把我们最关注的几个性能指标放在首位，而牺牲功放的其它一些性能指标，另外在设计中我们还要考虑到性能的一致性和可生产性及实际所要求的电路尺寸等要求。
功放单元的设计包括单级功放和多级功放的设计。对于单级功率放大器，可以通过对放大器两个射频信号端口匹配网络的合理设计，从而使功率放大器获得最大的输出功率或是最大增益；而两级或多级功率放大器的设计除了要考虑输入和输出匹配电路外，还要考虑到各级间匹配电路，级间匹配电路的目的是使后级功放管的输入阻抗和前级阻抗管的输出阻抗共轭匹配。 应用在不同频段的功率管，其外围的输入、输出匹配电路的类型也有所不同，集总参数元件构成的匹配电路能够应用到 UHF 频段及以下的频率范围。而在更高频率的应用场合，则需用分布参数元件来实现匹配电路。
五、功率放大器的线性化技术
常用的功率放大器的线性化技术有功率回退技术、反馈技术、前馈技术和预失真技术。功率回退技术即用减小功率放大器输出功率的方法来改善线性度，功率放大器输出功率每减小1dB，其三阶交调系数改善2dB。功率回退是改善功放线性的一种常用的有效方法，其优点是简单，容易实现；缺点是降低了功率放大器的功率附加效率，且不能充分利用晶体管功率容量，增大了放大器的成本。反馈技术是将放大器输出的非线性失真信号反馈到输入端，通过反馈反馈来达到对交调产物的抑制，这种方法以降低放大器的增益为代价，并且反馈网络在宽频带内很难保证反馈信号与功率放大器输入信号反相，相移控制很困难，通常只应用在低频场合。
参考文献
[1]李良朝.S波段固态大功率放大器及径向波导功率合成器研究：[硕士学位论文]，成都：电子科技大学，2007
[2]陈玉梅.VHF宽带功率放大器的研制：[硕士学位论文]，成都：电子科技大学，2007
[3]杜艳玲，杨大宝，王忠.P波段宽带功率放大器设计与制作.2005年全国微波毫米波会议论文集.北京：电子工业出版社，2005，350-352
[4]陈玉梅，钱光弟，龚兰.30MHz-512MHz宽带功率放大器的研制.中国测试技术，2007，33（2），137-140
[关键词]前馈、线性功率放大器、系统分析
中图分类号：TN722.75 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）32-0362-01
一、引言
频率这种宝贵的无线电资源就像石油一样具有不可再生性，并且随着人们对移动通信技术的迅猛需求，其稀缺性也日益凸显，尤其对于新的 3G 运营商而言，这种稀缺性更加突出，很自然地，从战略角度出发，人们总是希望尽可能多的拥有这类资源，并努力提高其利用效率。随着无线通信的迅猛发展，通信频率资源变得越来越紧张，这就导致了各种具有高频谱利用率和宽频带通信体制的出现。在现代数字通信系统中，多采用 QPSK 或 16QAM 的调制方式。这种调制方式产生的信号是非恒定包络的调相信号，而且系统又多是多载波、多信道的。这就需要射频系统有很好的线性，否则就会产生失真。这种失真表现为常见的交调失真（IMD 失真），导致的带内信号干扰已调信号，已调矢量信号的幅度和相位出现偏差，同时导致频谱扩展，干扰临道信号，误码率恶化等等。同时，功率放大器是射频系统的关键部件，也是产生非线性的主要部件，因此改善功放的非線性具有重大意义。
二、当前的研究状况
由于高效率、高线性度功率放大器的大量需求，许多公司都投入了大量的物力和财力来进行这方面的技术研究。其中最有效的方法，就是在高效率的 Doherty技术的基础上施加线性化方法，以同时实现高效率和高线性度的要求。但是，由于商业原因，这些研究成果的详细资料都未公开。 在国外，TriQuint 半导体公司设计的用于 WCDMA 系统的大功率 Doherty 放大器，效率可以达到 57%，施加数字预失真技术，在输出功率为 50 瓦时，ACPR可以达到-55dBc；Ui，N.等人用氮化镓 HEMT 设计的 Doherty 放大器在输出功率为 80 瓦时，漏极效率为 42%，ACPR 为-52dBc；韩国 Bumman Kim 带领的小组也做了大量 Doherty 放大器的研究工作。 尽管在国内，高校与公司也进行了高效率、同时高线性度功率放大器的研究，但是与国外已经报道出的设计相比，还是存在有一定的差距。
三、微波功率放大器的线性化技术
如何来消去这些非线性失真，使其对系统的影响减小？提高放大器线性度最简单的方法，将放大器工作在甲类，并降低工作电平，直到得到所要求的线性度。典型的甲类功率放大器中，n 阶交调分量输出功率随输入功率变化为 n dB/dB，而线性输出变化为 1dB/dB。所以少许的功率回退可以使交调产物大幅压缩，特别是对高阶产物，这就是功率回退法。但这种方法对放大器的效率和放大器本身的工作能力来说是一种浪费，随着电子、通信技术的发展人们更侧重于采用线性化技术，常用的线性化技术主要有三种：反馈技术（Feedback）、预失真技术（Pre-Distortion）和前馈技术（Feedforward）
四、阻抗匹配
在射频系统中系统阻抗通常为 50 ？，而微波功率管的输入、输出阻抗值很小，通常只有几欧姆或零点几欧姆，并且随着功率管输出功率能力的提高，单管的输入和输出阻抗值在逐渐减小。虽然近年来随着厂家技术水平的提高和制造工艺的不断改进，在功率管内部加入了一些内匹配电路，使单管的输入和输出阻抗值有所提高，但大功率的功率管输入、输出阻抗仍然只有几个欧姆。这样就要求我们在功率放大器的设计过程中，必须考虑到把功率管的输入、输出阻抗从几个欧姆匹配到 50？。
对于任何一个功率放大器电路，阻抗匹配的好坏直接影响到电路的稳定性，以及整个功率放大器的线性度和工作效率。所以阻抗匹配电路的设计是设计功率放大器中非常关键的部分。在设计匹配电路时同时考虑到功率放大器的工作带宽、驻波、线性度和谐波衰减等多项要求。在设计匹配电路过程中，往往不可能同时让所有的指标都达到最优的状态，所采用的匹配电路要综合权衡以上的指标。通常把我们最关注的几个性能指标放在首位，而牺牲功放的其它一些性能指标，另外在设计中我们还要考虑到性能的一致性和可生产性及实际所要求的电路尺寸等要求。
功放单元的设计包括单级功放和多级功放的设计。对于单级功率放大器，可以通过对放大器两个射频信号端口匹配网络的合理设计，从而使功率放大器获得最大的输出功率或是最大增益；而两级或多级功率放大器的设计除了要考虑输入和输出匹配电路外，还要考虑到各级间匹配电路，级间匹配电路的目的是使后级功放管的输入阻抗和前级阻抗管的输出阻抗共轭匹配。 应用在不同频段的功率管，其外围的输入、输出匹配电路的类型也有所不同，集总参数元件构成的匹配电路能够应用到 UHF 频段及以下的频率范围。而在更高频率的应用场合，则需用分布参数元件来实现匹配电路。
五、功率放大器的线性化技术
常用的功率放大器的线性化技术有功率回退技术、反馈技术、前馈技术和预失真技术。功率回退技术即用减小功率放大器输出功率的方法来改善线性度，功率放大器输出功率每减小1dB，其三阶交调系数改善2dB。功率回退是改善功放线性的一种常用的有效方法，其优点是简单，容易实现；缺点是降低了功率放大器的功率附加效率，且不能充分利用晶体管功率容量，增大了放大器的成本。反馈技术是将放大器输出的非线性失真信号反馈到输入端，通过反馈反馈来达到对交调产物的抑制，这种方法以降低放大器的增益为代价，并且反馈网络在宽频带内很难保证反馈信号与功率放大器输入信号反相，相移控制很困难，通常只应用在低频场合。
参考文献
[1]李良朝.S波段固态大功率放大器及径向波导功率合成器研究：[硕士学位论文]，成都：电子科技大学，2007
[2]陈玉梅.VHF宽带功率放大器的研制：[硕士学位论文]，成都：电子科技大学，2007
[3]杜艳玲，杨大宝，王忠.P波段宽带功率放大器设计与制作.2005年全国微波毫米波会议论文集.北京：电子工业出版社，2005，350-352
[4]陈玉梅，钱光弟，龚兰.30MHz-512MHz宽带功率放大器的研制.中国测试技术，2007，33（2），137-140