功率放大器的线性化技术
线性功放知识简介
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➢2、为什么宽带信号要采用线性功放技术
（3）宽带信号要采用线性化技术的原因
在NCDMA或WCDMA 中，即使是单载波，也需要使用高 线度指标的RF功率放大器；这是因为。CDMA技术是随机包络 的宽带通道，如果采用一般的高功放（通常工作于AB类）进 行信号放大，将由于交调失真的影响产生频谱再生效应，对相 邻的信道产生严重的干扰，为此3GPP规定了频谱辐射屏蔽 （Spectrum emission mask）的要求，而通常所说的高功放是难 以达到这个要求的，虽然采用A类功放可能会达到这个要求， 但是它的效率太低，也难以把信号放大到几十瓦的量级，为此， 在高功放的基础上必须对其进行线性化的处理。把运用了线性 化技术的功放称为线性功放，它可以较好的解决信号的频谱再 生问题。
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➢4、预失真技术原理简介
1、模拟预失真（RF和IF预失真） （二）
图4是一种预失真线性器的结构，信号经3dB电桥后相位相差90°，一路经 具有可调移相器和衰减器的“线性支路”，另外一路经过由两个反相并联 二极管组成的“非线性支路”，然后经3dB电桥耦合器加和输出。经过 “线性支路”的信号随输入信号的增加而增加，经过“非线性支路”的信 号，随输入信号的增加不呈现线性变化，根据微波二极管非线性特性，输 入信号小时，二极管衰减大，输入信号大时，二极管衰减小。这样具有 90°相差的两路信号再输出3dB耦合器合成时，能获得图3c的曲线特征。
图7 前馈功率放大器各频点谱示意
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了解电子信息工程中的功率放大器线性度优化方法
了解电子信息工程中的功率放大器线性度优化方法电子信息工程中的功率放大器线性度优化方法涉及到一系列技术和算法，以提高功率放大器的线性度，并优化其性能和可靠性。
下面将对几种常见的功率放大器线性度优化方法进行详细介绍。
1.前向矫正技术：前向矫正技术是一种通过控制电流或电压源，在功率放大器的输入和输出之间添加一个运算电路来进行非线性矫正的方法。
这种方法的关键是选择适当的预测算法，使其能够在技术限制下实时计算出输出误差，并通过反馈机制进行非线性补偿，从而实现线性度的优化。
2.反馈线性化技术：反馈线性化技术是一种通过在功率放大器的输入和输出之间添加一个反馈回路来实现线性度优化的方法。
该方法通过将一部分放大器的输出信号与输入信号进行比较，并将误差信号反馈给放大器的控制电路，以调整放大器的工作状态，减小非线性失真，提高线性度。
3.预失真技术：预失真技术是一种通过在功率放大器的输入端添加一个预失真电路来实现线性度优化的方法。
该方法通过测量功率放大器的非线性特性，并将其反馈给预失真电路，使其能够产生与功率放大器非线性特性相反的补偿信号，从而实现线性度的优化。
4.DPD技术：DPD（Digital Predistortion）技术是一种数字预失真技术，通过使用数字信号处理技术对功率放大器的输入信号进行预处理，以抵消功率放大器非线性特性引起的失真，实现线性度的优化。
这种方法通过引入一个非线性模型来描述功率放大器的非线性特性，并使用逆模型来补偿功率放大器的非线性特性。
5.自适应算法技术：自适应算法技术是一种通过自动调整功率放大器的工作参数来实现线性度优化的方法。
该方法通过使用自适应算法，例如最小均方误差（LMS）算法或正交传感器算法，对功率放大器的输入信号和输出信号之间的误差进行实时测量，并根据误差的大小自动调整功率放大器的工作参数，以减小非线性失真，提高线性度。
总结起来，功率放大器线性度优化方法包括前向矫正技术、反馈线性化技术、预失真技术、DPD技术和自适应算法技术。
功率回退技术
1dB压缩点(P1dB)在小信号区域，放大器的输出和输入呈线性关系。
当输入功率增加时，输出功率逐渐接近非线性区，1dB压缩点被定义为放大器的增益比小信号增益低1dB时的输出功率，或说是被压缩1dB时的输出功率P1dB。
通常将1dB压缩点作为一个放大器的线性区和非线性区的分界点。
图1 1dB压缩点三次交调截取点(IP3)在射频或微波多载波通讯系统中，三阶交调截取点OIP3是一个衡量线性度或失真的重要指标。
交调失真对模拟微波通信来说，会产生临近信道的串扰，对数字微波通信来说，会降低系统的频谱利用率，并使误码率恶化；因此容量越大的系统，要求IP3越高，IP3越高表示线性度越好和更少的失真。
IP3通常用两个输入音频测试，这里所指的音频与我们低频电子线路的音频没有区别，实际上是两个靠的比较近的射频或微波频率。
图2 放大器的输出功率和互调分量岁输入功率的变化如放大器，基频是1:1增长，3rd是3:1增长，IP3点就是3rd信号影响超过基频的点。
从图2 中可以发现输出电平按照1:1的斜率随输入信号电平变化，而三阶互调失真则按照3:1的斜率变化。
虽然输出和三阶互调都会在某个电平上饱和，但将二条曲线的线性区分延长并获得相交点，这个交点对应X轴和Y轴的读数分别被称为输入和输出三次截断点IP3；而二者之差即为放大器的小信号增益，如输入IP3为5dBm，输出IP3为50dBm，则放大器增益为45dB。
功率放大器的线性化技术主要有：功率回退法、负反馈法、预失真法、前馈法。
功率回退法：功率回退法就是把功率放大器的输入功率从1dB压缩点(放大器有一个线性动态范围，在这个范围内，放大器的输出功率随输入功率线性增加。
随着输入功率的继续增大，放大器渐渐进入饱和区，功率增益开始下降，通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点，用P1dB表示。
)向后回退6-10dB，工作在远小于1dB压缩点的电平上，使功率放大器远离饱和区，进入线性工作区，从而改善功率放大器的三阶交调系数。
功率放大器的线性区
功率放大器的线性区射频功率放大器线性化技术:以输入RF信号包络的振幅和相位作为参考，与输出信号比较，进行适当的校正，常用技术有三种:功率回退，预失真，前馈。
1、功率回退这是最常用的方法，即选用功率较大的管子作小功率管使用，实际上是以牺牲直流功耗来提高功放的线性度。
功率回退法就是把功率放大器的输入功率从1dB压缩点(放大器有一个线性动态范围，在这个范围内，放大器的输出功率随输入功率线性增加。
随着输入功率的继续增大，放大器渐渐进入饱和区，功率增益开始下降，通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点，用P1dB表示。
)向后回退6-10个分贝，工作在远小于1dB压缩点的电平上，使功率放大器远离饱和区，进入线性工作区，从而改善功率放大器的三阶交调系数。
一般情况，当基波功率降低1dB时，三阶交调失真改善2dB。
功率回退法简单且易实现，不需要增加任何附加设备，是改善放大器线性度行之有效的方法，缺点是效率大为降低。
另外，当功率回退到一定程度，当三阶交调制达到-50dBc以下时，继续回退将不再改善放大器的线性度。
因此，在线性度要求很高的场合，完全靠功率回退是不够的。
2、预失真预失真就是在功率放大器前增加一个非线性电路用以补偿功率放大器的非线性失真。
预失真线性化技术，它的优点在于不存在稳定性问题，有更宽的信号频带，能够处理含多载波的信号。
预失真技术成本较低，由几个仔细选取的元件封装成单一模块，连在信号源与功放之间，就构成预失真线性功放。
手持移动台中的功放已采用了预失真技术，它仅用少量的元件就降低了互调产物几dB，但却是很关键的几dB。
预失真技术分为RF预失真和数字基带预失真两种基本类型。
RF预失真一般采用模拟电路来实现，具有电路结构简单、成本低、易于高频、宽带应用等优点，缺点是频谱再生分量改善较少、高阶频谱分量抵消较困难。
数字基带预失真由于工作频率低，可以用数字电路实现，适应性强，而且可以通过增加采样频率和增大量化阶数的办法来抵消高阶互调失真，是一种很有发展前途的方法。
基于IGBT的宽范围线性功率放大技术
第19卷第3期电 源学报Vol. 19 No. 3 2021 年5 月Journal of Power Supply May 2021 DOI:10.13234/j.issn.2095-2805.2021.3.175 中图分类号：T M46文献标志码：A基于IGBT的宽范围线性功率放大技术陈柏超，高伟，陈耀军(武汉大学电气与自动化学院，武汉430072)摘要：模块化多电平分级逐段线性化思想可以大幅提高线性功率放大器的效率，绝缘栅双极型晶体管IGBT (insulated gate bipolar transistor)作为一种大功率器件用于其中将会大大简化大功率放大器的电路，但I G B T的类别中没有P沟道管，传统的复合P管用于线性功率放大时存在输出电压动态范围不足的问题。
首先分析了该问题的形成原因，并提出一种宽动态范围的P-IGBT结构，然后分析了该结构的特性与功率放大机理，同理构造出特性完全对称的N-I G B T管，接着利用这2种异型对管构成互补线性功率放大器，最后通过实验验证了该技术的正确性。
关键词：I G B T;线性功率放大；P沟道管；线性放大区Wide-range Linear Power Amplification TechnologyBased on IGBTCHEN Baichao, GAO Wei, CHEN Yaojun(School of Electrical Engineering and Automation, W u h a n University, Wu h a n430072, China) Abstract ：The idea of modular multi-level grading segment-by-segment linearization can greatly improve the efficiency of linear power amplifiers. As a high-power device, the IGBT will greatly simplify the circuit of high-power amplifiers. However, there i s no P-channel transistor in the IGBT category, and when the traditional composite P transistor i s used for linear power amplification, there exists a problem that the dynamic range of output voltage i s insufficient. F i r s t, the cause of this problem i s analyzed, and a P-IGBT structure with a wide dynamic range i s proposed.Then, the characteristics of this structure and the power amplification mechanism are analyzed. Similarly, the N-IGBT transistor with completely symmetrical characteristics i s constructed. O n this basis, the heterogeneous pair of transistor constitutes a complementary linear power amplifier. Finally, the proposed technology was verified by experiments.Keywords: IGBT; linear power amplification; P-channel transistor; linear amplification area线性功率放大技术在传统的功率变换领域占 据着重要的地位，近年来因其效率低、体积大等缺 点已逐渐被开关型功率放大器所取代。
一种基带预失真RF功率放大器线性化技术的模型仿真与实验_赵洪新
第5 期
赵洪新等 : 一种基带预失真 RF 功率放大器线性化技术的模型仿真与实验
43
F ( x m) = F r ( x m) exp( jF ( x m) ) 其中 x m = | Vm | , 为输入信号 Vm 的幅度的平方值; r 和 分别表示模值和相角。
2 2
Vol. 21 No. 5 May 2000
学术论文
一种基带预失真 RF 功率放大器线性化技术的模型仿真与实验
赵洪新, 陈忆元 , 洪 伟
( 东南大学 无线电工程系 , 江苏 南京 210096)
摘
要 : 提出了一种基于相关函数计 算的自 适应环 路延迟 补偿法 , 用于 功率放 大器的 数字式基 带
其中 , I k = ( ak , bk ) 是第 k 次迭代时的含根区间 , 满足 E ( ak ) E ( b k ) < 0; F k = ( ak + b k ) / 2 是第 k 次迭代时的近似解。 使用线性迭代法时, 迭代公式 : F i ( k + 1) = F i ( k ) - E( K ) 其中符号 i 表示预失真表的第 i 个表项。 F i ( k ) 是第 k 次迭代时的表项 i 的值, 收敛因子 一个常数 , 它决定了迭代算法的收敛速度和稳定性。 ( 8) 是
2 v = vm miຫໍສະໝຸດ ( 5) ( 6)v
mi
v a ( Fi ) = v m F( | v m| ) G | v m F ( | v m| ) |
2
2
2
| v m=
N , N 是离散点的总个数 , 也就是 LUT 表的项数。 Vmi 是常数 , F i 是对
应于 Vm i 的预失真函数值 , 它表示预失真表中第 i 个存储单 元的值。 F i 是放 大器输出函数 Va ( ) 的自变量, V a( F i ) 和 F i 的函数关系实质上就是放大器输入 / 输出特征的等价形式。 这样 , 对 LUT 的离散表项值 F i 进行自适应更新的过程归结为方程求根问题。 为了求方程 ( 5) 的根, 可以在输入信号落入第 i 个离散区间时采用一定的自适应算法来进 行。一般文献均采用线性迭代法, 这种方法运算简单, 但是它的收敛速度慢 , 容易出现不稳定。 因此 , 本文采用经典的二分求根迭代方法和线性迭代方法相结合的方法。二分方法是无条件 收敛的方法 , 不存在稳定性问题 , 但这种方法是一种逐步缩小含根区间的方法 , 而目标函数是 变动的 , 所以不能自适应跟踪。本文将这两种方法结合 , 先采用二分法定出目标解的粗略范 围, 然后使用较小的收敛因子 , 由线性迭代法跟踪精确解, 可以获得绝对稳定、 跟踪性能良好的 自适应预失真器。 使用二分法时, 第 k + 1 步迭代的含根区间 I k + 1满足: Ik + 1= ( a k , Fk ) , 当 E( a k ) E( F k ) < 0 ( F k , bk ) , 当 E ( F k ) E ( bk ) > 0 ( 7)
用ADS进行功率放大器设计及线性化半实物仿真
A gilentM easurementF orumPage 1利用ADS进行功率放大器设计及线性化半实物仿真A gilentM easurementF orum日程安排•功放模型•功放匹配阻抗确定•具体匹配电路实现•电磁效应仿真•使用调制信号进行激励•半实物DPD 仿真•总结Page 2A gilentM easurementF orum功放模型Page 3在能够获得厂商模型的前提下，功率放大器仿真可以获得和实测非常接近的结果。
但目前能够获得的模型主要为民用频段的放大器管芯。
A gilentM easurementF orum从功放厂商网站下载模型Page 4A gilentM easurementF orum1st, Sep 2008Page 5使用模型进行功放仿真电路版图ADS 仿真环境设置功放型号：6S19100功率: 34WA gilentM easurementF orumPage 6测试数据(Measurement results)ADS 仿真数据(Sim results)差异是因为滤波网络的电容具体位置不一致、板材加工精度、元器件误差、实际测试引入误差（半钢电缆的插损、SMA 接头插损、接头和微带线的不匹配等）等导致。
基本一致功放测试/仿真比对A gilentM easurement 厂商不提供模型怎么办？F orum针对MA/COM等军用放大器生产厂商，通常不能拿到管芯模型，设计师只能依据S参数、厂商提供点频阻抗进行设计，仿真意义不大。
Page 7A gilentM easurement 功率放大器X参数提取F orumPage 8A gilentM easurementF orumX 参数导入及建模Page 9在ADS2009之后，使用插件可以将NVNA测得的X参数导入ADS，并自动生成PHD模型供仿真使用。
A gilentM easurementF orumPHD 模型调用Page 10可以从模型库中调用生成的PHD模型用于仿真。
线性功率放大器介绍
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2.3 多载频线性功率放大器技术发展的一些想法
1) 对于已基本掌握的前馈技术，做好以下几方面的工作：
a、现在已开发出公司3G系统需要的800M和2100MHz多载频线性功 率放大器，那么解决好现有项目本身的自我完善，主要指的是 文档的不断完善，产品质量本身的不断完善；
b、要解决好现有产品可生产问题； c、项目改进：如由于WCDMA系统升级带来项目需求的变化，引起
提高前馈技术实现的30瓦两载波2100M线性功率放大器效率的办法， 就是首先提高主功率放大器的效率，后续的可以采用新技术进一步提高 其效率（如Doherty技术等）；还有就是在前馈技术的主环路中给主功率 放大器加模拟预失真，以提高主功率放大器的线性，从而提高线性功率 放大器的整体效率，该两种方法准备在2100M 30瓦两载波的线性功率放 大器V3.0版本上采用。
项目要求重新设计； d、系列化多载频线性功率放大器（现在正在研制CDMA2000-1X系
统所需的1900M和2100M线性功率放大器）。
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2) LPA新技术的研究 ： 实现多载频线性功率放大器现在在国际主要是采用的
是前馈技术，其主要优点是实现的带比较宽、改善量比较 大，缺点是效率还比较低。依据以上情况国外的一些公司 前几年就提出了为提高效率实现多载频线性功率放大器的 其他技术，如基带预失真技术等；
6. 3G线性功率放大器现状和近期规划
6.1 LPA-P2（800M40瓦4载波线性功率放大器） 6.2 LPA-L1（1900M40瓦4载波线性功率放大器） 6.3 LPA-S1（2100M30瓦2载波线性功率放大器）
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基带数字预失真的硬件原理
❖ 极性环
VCO
PA
视频放大器 AGC
定向耦合器 线性化输出
信号 （1.F.)
峰值检波
LPF
鉴相器 （1.F.)
峰值检波 下变频
RF频综源
❖ 笛卡儿环
Iin Qin
I-Q调制器 90o移相
IOUT QOUT
90o移相 I-Q解调器
定向耦合器 PA
线性化输出
LO
衰减器
新一代基站功放和传统功放的技术比较
N/A 3.6-6.0 30
Typical efficiency (%)
>50
>50
>50
Several 2G Digital Wireless Systems
Standard
GSM
IS-54
IS-95
PDC
PHS
Year introduced
1990
1991
1993
1991
1993
Uplink frequency band
射频及微波固态功率放大器
内容
1 射频及微波功率放大器发展动态
2
射频及微波功率放大器设计
3
功率放大器的线性化技术
4 射频及微波固态功率放大器中的新颖技术
绪论 射频及微波固态功率放大器发展动态
Several 1G Analog Wireless Systems
Standard
AMPS/NAMP S
Europe
North America North America Japan
Japan
(MHz)
890-915 824-849
824-849
940-959
1,895-1,907
Carrier spacing (kHz)
200
30
1,250
25
300
Multiple access Modulation
技术 类型
基于 前馈 技术 的功 放
基于 DPD 技术 的功
放
基于 DPD
加 Dohe rty技 术的
技术成 熟度 成熟
步入成 熟
试验阶 段
技术 难度 中
难
难
功放 效率
低于 10％
是否获得 商用
是
生产 难度
难
体积 大
可靠 性
低
成本 高
高，
是
典型
值19
％
高，
否
典型
值27
％
易小高低 易小高低
第二章 射频及微波功率放大器设计
频率范围 MHz
GS M
890∼1900
PCS
1850∼191 0
Pout(dB m)
32∼35
28∼32
增益 (dB)
功率附加效率(%)
偏置 (V)
>30 50∼55
3∼5.8
>24 30∼42
3∼5.8
蜂窝 824∼928 28∼32.5 >27 30∼60
3∼5.8
数字移动通信对非线性分析的影响 ➢非恒包络信号—对非线性敏感
30/10
25
25/12.5
Multiple access
FDMA
FDMA
FDMA
Modulation
FM
FM
FM
Maximum transmit power (dBm) 27.8
PA voltage (V)
3.6-6.0
Typical PA quiescent current (mA) 30
N/A 3.6-6.0 30
基本原理: 输入功率减小1dB时，三阶交调系数改 善 2dB，通过减小输入功率的方法改善功率 放大 器的线性。 优缺点:简单、易实现
降低效率、增大成本 小功率、适用于线性要求不很高的系统
❖ 负反馈法
B
+ - BVo+ A
+
Vi
Vi BVo
Vo
-
-
-
优缺点:简单、易实现 频带较窄、稳定性较差 适用于线性要求不高的系统
❖ 前馈技术：
采用前馈技术优点是能大大改善功放的线性度， 缺点是成本较高、难度大、功放的效率会比较 低，这种技术近几年在国内外已经得到了广泛 的应用。
❖ 预失真技术
预失真又分这模拟预失真（APD）和数字预失真 （DPD）
1、模拟预失真是指在功放输入前加入一个预失真 器，这种预失真器产生的非线性与功放产生的 非线性相们相反，从而可以实验非线性的矫正， 模拟预失真又分为射频预失真和中频预失真。
TDMA/F DMA
TDMA/FDMA
GMSK
p /4-DQPSK
CDMA/FDMA OQPSK
TDMA/FD MA
p /4DQPS K
TDMA/FD MA
p /4DQPS K
Duplex mode
FDD
FDD
FDD
FDD
TDD
Maximum transmit power (dBm)
30
27.8
27.8
3.5-6.0
3.5-6.0
3.5-4.8
3.1-3.6
ACPR (dBc)
N/A
-26
-26
-48
-50
Typical PA quiescent current (mA) 20
180
200
150
100
Typical efficiency (% )
Байду номын сангаас
>50
>40
>30
>50
>50
用于移动通信的功率放大器
ETACS
JTACS/NTA CS
Year introduced
1983/1988
1985
1988/1993
Uplink frequency band (MHz)
North America
United Kingdom
824－49
890－15
Japan 915－25
Channel bandwidth (kHz)
33
19
Long-term mean power (dBm)
21
23
17
28
10
Peak-to-average power ratio (dB)
0
3.2
5.1
2.6
2.6
Transmit duty ratio (% )
12.5
33.3
Variable
33.3
33.3
PA voltage (V)
3.5-6.0
这种技术优点是实现简单、技术难度小、成本低； 缺点是线性度改善不高。
NG (预失真器）
PA
2、基带数字预失真技术
基带数字预失真技术是近几年发展起来的一种 新型技术，是线性功放发展的主流。这项技 术目前还不是很成熟、是未来线性功放发展 的方向。其优点是线性度高、效率高；缺点 是电路复杂、实现难度较大。原理是将功放 输入的信号取样，下变频到中频、经数字中 频处理后、提取基带数字信号的辐度和相位 信息，再将输出的非线性的信号同样变频到 基带，并提取相应的信息，两者相比较，再 通过相位和辐度调整电路将输入信号进行动 态地矫正。
NADC(π/4-QPSK)、CDMA(QPSK、OQPSK) ➢高功率附加效率—非线性状态较强 ➢低邻信道干扰—要求线性好 ➢挑战
解决高功率附加效率与低邻信道干扰的矛盾
如何在线性度和效率之间做到较好的兼顾？
高功放的发展现状
❖ 功率回退：
传统的功率放大器一般采用回退技术来实现不同 功放要求，是目前主要采用的技术。