摘要 随着移动通信、卫星通信的发展，越来越紧张的无线资源对多载波通信系统的性能提出了越来越高的要求，其中之一是提高功率放大器的线性度。功率放大器非线性失真对于单频信号的输入，产生谐波失真；对于多路信号的输入，除谐波外，还会产生互调分量，引起互调失真。对幅度和相位失真要求很高的系统，如微波测试设备、雷达发射单元、移动通信基站、电子对抗、卫星通信、微波遥感等系统而言，这是一个非常重要的问题。为了尽量减少非线性失真的影响，就需要采用功放的线性化方法。
关键词 微波功放线性化；前馈技术
1 三阶互调产生的机理
功率放大器的线性常用三阶互调来表示，三阶互调的大小表示放大器线性的高低。当两个不同频率的信号共同作用在一个非线性系统时，由于非线性作用，将会产生无穷多的寄生信号，在这些信号中以三阶分量最大，称为三阶互调，因此在功率放大器线性化技术中只考虑三阶分量。其产生机理可从以下看出：
功率放大器输出信号So（t）和输入信号Si（t）的非线性可以用下述幂级数表示：
在上式中，次幂越高，影响越小，为简便起见，可以取前三项近似分析功放非线性的影响，则有：
当有两个不同频率的信号同时输入时，即Si（t）=A（cosω1t+cosω2t）时，则有：
从上式可以看出，在正弦信号的激励下，非线性放大器的输出中包含一些新的频率分量。除了基波信号及它们的各次谐波以外，其他新的频率信号统称为非线性互调产物。其中（2ω1-ω2）和（2ω2-ω1）称为三阶互调。在ω1≈ω2时，三阶互调的频率接近基波信号频率。两个三阶互调信号分别出现在基波信号的两侧，且幅度相等。
三阶互调是一种非线性干扰噪声，会使系统的性能恶化，它的大小不仅直接影响放大信号的质量，更重要的是在多载波输入时，所产生的互调产物会严重地干扰其他通信系统的正常工作。放大器的三阶互调是因为放大器的非线性引起，要减小三阶互调的影响，就必须提高放大器的线性。
2 传统的线性化技术
2.1 功率回退法（Back-Off）
功率回退法就是限制功率管的实际输出功率。输入功率在1d B压缩点附近功率每回退1d B，三阶交调系数将降低2d B。例如，一个1d B压缩点输出功率10W的功率放大器，对应的三阶交调系数为-20分贝，若减小输入功率，使输出功率仅为1W，则三阶交调系数变为-40d B。功率回退法是一种最简单、最可靠的线性化措施，但它限制了功率放大器器件的实际应用功率，当需要高功率输出，用单管不能达到要求的功率时，可采用功率合成技术，不过，这将增加放大器的复杂性和成本。一般来说，放大器工作在饱和或接近饱和状态时效率最高，当要求载波交调分量比（C/I）为35d B时，与饱和功率比较，功率回退约5.5d B，要求65d B时，功率回退15d B，这是一个非常可观的回退量。
2.2 预失真法
预失真技术是Mac Donald在1958年提出的，原理是根据预先得到的功率放大器的非线性情况，在功率放大器前增加一个非线性电路（预失真电路）用以补偿功率放大器的非线性，使功率放大器的非线性得以矫正。预失真线性化技术的优点在于不存在稳定性问题、有更宽的信号带宽、能够处理含多载波的信号。简单的预失真技术成本较低，由几个仔细选取的元件组成预失真电路，连在信号源与功放之间，就构成预失真线性功放，用少量的元件就降低了互调产物几个d B。然而，如果对线性要求很高，就必须首先将模拟信号数字化，精确地测出功率放大器的非线性，而后形成补偿表，利用数字处理技术对非线性进行补偿。对于线性要求不高的场合，采用模拟电路组成预失真电路，具有电路结构简单、成本低、易于高频和宽带应用等优点；而对于线性要求较高的场合，必须采用数字处理技术对非线性进行补偿，这样就会比较复杂。
2.3 前馈法
前馈技术既具备提供较高校准精度的优点，又没有不稳定和带宽受限的缺点；但是，由于在输出端进行校准时，功率电平较大，校准信号要放大到较高的功率电平，这就需要额外的辅助放大器，而且要求这个辅助放大器本身的失真特性处在前馈系统的指标之上。因此，前馈技术会使成本提高。这些优点是用高成本换来的[1]。
3 前馈法改进
3.1 方法
传统的前馈技术有很多优点，但是其缺点也很明显：在主功率放大器的输出端多增加的耦合器和移相器，会使输出功率下降，直接导致了成本增加。另外，对于同一个放大管在对外部的输出功率不变的情况下，如果没有这些功率损失，那么该放大管就可以采用较小的输出功率，其结果等效于该放大管有更大的功率回退，按照功率回退的理论，功率回退1d B，三阶互调可以改善2d B。鉴于此，对前馈线性化技术做了改进，改进后，主放大器的输出减少一个耦合器和移相器。将移相器2放在误差放大器的前面也是考虑到减小对误差放大器输出功率的影响。
3.2 实验结果
为了验证上述改进技术效果，作者使用同样的放大管，按照改進前后的前馈技术分别制作了两个频段为900MHz～1000MHz高线性功率放大器，放大器的输出功率约为4W。测试时，分别输入两个频率为942MHz和942.6MHz，频率间隔为600k Hz的信号。利用传统的前馈技术制作的功率放大器测得的三阶互调为46.13d Bc；利用改进的前馈技术制作的功率放大器测得的三阶互调为51.97d Bc。由上述实验可以看出，使用同样的放大管，按照改进的前馈技术制作的放大器与传统的前馈技术制作的放大器相比，其三阶互调改善约5.84d B，线性得到明显的提高[2]。
4 结束语
仿真和实验测试结果都表明：通过采用前馈技术对功率放大器进行线性化，其线性化程度明显提高，表现在其带外抑制度明显提高，对邻道的干扰明显减弱，这在多载波通信系统及将来的移动通信中有非常重要的应用。
参考文献
[1] 贺昱曜，闫茂德.非线性控制理论及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007：79.
[2] 胡跃明，胡终须，毛宗源，等.非线性控制系统的近似化方法[J].控制理论与控制应用，2010，18（2）：160-165.
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