CN101114811A - 基于模拟预失真的线性功率放大电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模拟预失真的线性功率放大电路，包括依次连接的：预放大器，第一温控衰减器，模拟预失真器，第二温控衰减器，推挽放大器，及末级高功率放大器。本发明还公开了一种利用该电路的方法，通过增加拓扑结构较为简单的模拟预失真器电路产生预失真信号平衡功率放大器的失真信号，及通过调整推挽放大器和末级高功率放大器功率管的匹配电路和偏置电压，使两功率管进行幅度和相位的互补，达到预失真的效果，使射频输出信号达到较好的线性。本发明电路形式简单、工作效率高、占用PCB面积小、成本低廉，非常适合应用于TD－SCDMA基站、直放站系统的多载波线性功率放大器电路。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率放大电路，具体涉及一种基于模拟预失真的线性功率放大电路。本发明还涉及一种利用该电路的线性功率放大方法。
背景技术
随着第三代(3G)移动通讯技术，特别是TD-SCDMA(时分同步、码多分地址接入：Time Division Synchronous Code Division MultipleAccess)标准的产业化进程的迅猛推进，各种无线通信业务不断增加，对通信系统容量的要求也越来越大。为了追求更高的数据速率和频谱效率，第三代移动通讯普遍采用的线性调制方式、多载波技术等都会导致信号包络的剧烈变化，从而使得发射功率放大器产生峰值压缩和交调失真，这种峰值的压缩和频谱的再生将会导致本信道的EVM(矢量幅度误差ErrorVector Magnitude)和BER(比特误码率Bit Error Rate)恶化同时对相邻的信道产生较大的干扰。因此，为了确保产生较小的失真(即保证功率放大器是对输入信号进行线性地放大)，在这样的通讯系统中，一般对于发射功率放大器的线性度要求是非常高的。
另外，在基站、直放站系统中，发射功率放大器都占用了较大的成本和功耗份额。为了有效降低系统的设备成本和运营成本，功率放大器的效率也是一个非常重要的指标，较高效率的功率放大器意味着采用较小功率、较低成本的功率管以及较小的系统功耗。虽然采用A、AB类功率放大器进行一定的功率回退可能会达到要求，但它的效率太低。因此，在高功率放大器功率回退的基础上进行有效的线性化矫正处理，可以较好地解决信号的频谱再生和效率提升等问题。
TD-SCDMA的TDD工作模式以及N频点、智能天线等技术的引入，直接导致在该系统中发射功率放大器除了满足以上所提到的高线性度、低交调失真、较高效率以外，还要面临多载波信号线性功率放大、高速时分工作要求。而且，对于多天线系统而言，由于使用的功率放大器数量非常的多，因此还需要线性功率放大器具有小体积、低成本、低功耗等技术特点。传统方式的在WCDMA(宽带码多分地址连接：Wide-band Code DivisionMultiple Access)和CDMA2000系统中应用较为广泛的功率放大器线性化技术如数字预失真(Digital Pre-Distortion)、前馈(Feed Forward)、闭环模拟预失真(Looped APD)等方法，不但系统复杂、成本高昂，而且有些技术无法高速时分工作，虽然在对功率放大器线性的改善程度上有优势，但在成本、体积、功能等诸多方面都无法满足系统要求。因此，寻求一种简单、高效、低成本的功率放大器线性化技术解决上述问题对于TD-SCDMA基站、直放站系统是十分必要的。
现有的预失真技术主要是基于数字基带或中频信号，往往需要从功率放大器反馈回来失真信号做比较、运算，通过DSP运算后，在数字域做幅度、相位补偿处理，然后经过数模转换以及正交调制等方法将预失真信号变换至射频再送与功率放大器，抑或将需补偿的预失真分量通过改变幅度或相位调制器的控制量，将原始输入信号产生预失真分量后送功率放大器。例如中国发明专利公开说明书CN1700591A，公开日为2005年11月23日，公开了一种预失真器，及中国发明专利公开说明书CN1860678A，公开日为2006年11月8日，公开了一种用于无线发射机的预失真器。这些预失真器所得到的线性改善程度往往比较高，但电路复杂、器件众多、成本昂贵，非常不利于线性功率放大器的小型化及低成本设计。
在TD-SCDMA系统中大都采用了智能天线技术，对应于每根天线就需要有一个与之配对的发射功率放大器，因此在TD-SCDMA基站中功率放大器的数量是相当多的，例如对于一个三扇区24天线系统的TD-SCDMA基站而言，单个基站就需要24只发射功率放大器，这就要求每个功率放大器在输出较大功率、高线性的前提下，保持较小的体积和较低的成本。
在TD-SCDMA线性功率放大器设计时，如果不考虑使用任何线性矫正电路，则需选用较大功率裕量的末级高功率放大器进行功率回退工作，以使输出信号保持较小的失真，这带来的负面影响是较大的功率管成本较高并且较低的工作效率会导致系统的热耗增加，严重威胁系统的工作稳定性和可靠性，同时系统运营的经济性不高。因此，设计一种简单有效的功率放大器线性矫正电路，将对其有莫大的帮助。
如图1为模拟预失真技术的基本原理：当非恒包络信号经过一个较小功率裕量的高功率放大器放大时，其峰值较高的部分将由于高功率放大器的非线性饱和而产生幅度失真(AM-AM)和相位失真(AM-PM)，导致输出矢量信号的幅度和相位出现偏差，同时导致频谱扩展，对邻道信号干扰。于是在输入信号进入功率放大器之前，首先经过一个模拟预失真器，该预失真器在较小功率信号通过时，即会产生非线性失真，而且随输入功率的增加，产生的失真信号成分也随之增加。该模拟预失真器产生的预失真信号中的交调分量在经过高功率放大器放大后，与高功率放大器产生的交调分量相位相差180°，通过调整预失真信号中交调分量的幅度，即可部分抵消功率放大器输出的交调分量，使功率放大器的线性得到改善。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于模拟预失真的线性功率放大电路，可以满足TD-SCDMA系统对发射功率放大器低失真、高效率、低成本、小体积、TDD模式(时分双工模式Time Division Dual)和多载波工作等要求。本发明还要提供一种利用该电路的线性功率放大方法。
为了解决以上技术问题，本发明提供了一种基于模拟预失真的线性功率放大电路，包括依次连接的：预放大器U1，第一温控衰减器U2，模拟预失真器，第二温控衰减器U3，推挽放大器，及末级高功率放大器。
本发明还提供一种利用上述电路的基于模拟预失真的线性功率放大方法，包括如下步骤：首先射频输入信号经过预放大器U1调整信号的功率，以达到模拟预失真器的输入功率要求；然后调整后的信号进入第一温控衰减器U2，补偿模拟预失真器随温度变化时工作点的漂移；补偿后的信号经过模拟预失真器产输出带有预失真信号的射频输出信号；该信号经过第二温控衰减器U3，做增益逆补偿，使放大链在整个工作温度范围内保持增益基本恒定；补偿后的信号经过推挽放大器U4和末级高功率放大器U5使射频功率逐级放大，较大峰值信号输入时，推挽放大器U4和末级高功率放大器U5会产生不同程度的失真，通过调节推挽放大器U4和末级高功率放大器U5的偏置电压，使推挽放大器U4的失真分量与末级高功率放大器U5的失真分量叠加后部分抵消，抵消后的失真分量与预失真信号再进行叠加之后整个电路最终输出线性改善的并放大的射频输出信号。
因为本发明采用很少数量的分立元器件以及通过调整推挽放大器和末级功率放大器的偏置和匹配，即达到了提高功率放大器线性度的效果，且电路形式简单、工作带宽较宽、工作效率高、占用PCB面积小、成本低廉，非常适合应用于TD-SCDMA基站、直放站系统的多载波线性功率放大器。相对于不含该模拟预失真电路的TD-SCDMA多载波功率放大器而言，线性改善5～7dB、效率提升3～5％、成本降低10～15％、体积基本没有增加。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是模拟预失真技术基本原理图；
图2是本发明的电路结构图；
图3是本发明的推挽放大器和末级高功率放大器互补曲线图；
图4是本发明的模拟预失真器电路拓扑结构图。
具体实施方式
本发明的基于模拟预失真的线性功率放大电路如图2所示，包括依次连接的：预放大器U1，第一温控衰减器U2，模拟预失真器，第二温控衰减器U3，推挽放大器U4，及末级高功率放大器U5。推挽放大器U4和末级高功率放大器U5采用LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)。
首先射频输入信号经过预放大器U1调整信号的功率，以达到模拟预失真器的输入功率要求；然后调整后的信号进入第一温控衰减器U2，补偿模拟预失真器随温度变化时工作点的漂移；补偿后的信号经过模拟预失真器输出带有预失真信号的射频输出信号；该信号经过第二温控衰减器U3，做增益逆补偿，使放大链在整个工作温度范围内保持增益基本恒定；补偿后的信号经过推挽放大器U4和末级高功率放大器U5使射频功率逐级放大，较大峰值信号输入时，推挽放大器U4和末级高功率放大器U5会产生不同程度的失真，通过调节推挽放大器U4和末级高功率放大器U5的偏置电压，使推挽放大器U4的失真分量与末级高功率放大器U5的失真分量叠加后部分抵消，抵消后的失真分量与预失真信号再进行叠加之后整个电路最终输出线性改善的并放大的射频输出信号。
图2中圆环内表示射频信号的频谱成分，其中实线表示原始信号的频谱成分，虚线表示交调失真分量，射频信号本身具有较好的线性，经过虚线框内的模拟预失真器电路后产生所需要的交调预失真信号，带有交调预失真信号的射频信号进入推挽放大器和末级高功率放大器，该部分交调预失真信号与高功率放大器产生的失真信号幅值相等、相位相反，相互抵消后最终输出线形较好的射频输出信号。
如图4是模拟预失真器电路拓扑结构，模拟预失真器(APD)是一个主支路上并联到地的负载支路，当该支路的阻抗不同时，吸收的射频能量大小及对相位的影响也不同。模拟预失真器电路包括射频耦合电容C1，其一端接入主射频接入点A，另一端连接：并联到地的电阻R1和R2；并联到地且极性相反的微波锗二极管D1和D2；以及射频耦合电容C2。C2的另一端串联一段微带线TLine以及可调电阻RP到地。
射频信号从主射频接入点A经耦合电容至APD电路中，R1、R2为调节二极管输入功率的负载电阻。D1、D2为微波锗二极管，随着输入功率的不同，D1、D2的导通程度即有所不同，呈现非线性的阻抗特征，使得主射频接入点A产生非线性的预失真交调信号。微带传输线TLine和可调电阻RP用于调节APD电路的等效阻抗R+jX。
从Smith圆图上看，当主射频接入点A的输入功率较小时，D1、D2处于截止状态，主射频接入点A的等效输入阻抗R+jX基本恒定在一个点上，通过微带传输线TLine和可调电阻RP的调节，可使APD的等效阻抗R+jX处于较接近原点的地方；当主射频接入点A输入功率增加到一定程度时，D1、D2逐渐开始导通，主射频接入点A的等效输入阻抗R+jX将逐渐偏离原来的位置，向远离原点处移动，这导致主射频接入点A的信号幅度及相位同时发生改变。为达到预失真的效果，必须保证随着主射频接入点A功率的增大，R+jX的模及角度都是在增加的，调整模拟预失真器产生的交调信号和高功率放大器的交调分量相位差为180°，这样才能保证该预失真信号和功率放大器的非线性失真有效抵消，使最终输出的信号保持较高的线性度，这一点可以通过合理调整微带传输线TLine和可调电阻RP的值使主射频接入点A的等效输入阻抗R+jX在Smith圆图上处于合适的位置来实现。
如图3是本发明的推挽放大器U4和末级高功率放大器U5随输入功率变化的幅度、相位互补示意图。LDMOS功率放大器在目前的微波放大器领域占有着主导地位，在本发明中推挽级和末级功率放大器都采用LDMOS功率放大器。由于改变LDMOS功率管的偏置电压可以使LDMOS功率管工作在A类、AB类、和C类放大区，并呈现出不同的AM-AM和AM-PM特性，所以我们可以通过合理的设置第一级和第二级LDMOS功率管的偏置和匹配电路的电压，使两级功率放大器呈现不同的但具有一定互补的AM-AM和AM-PM特性，以达到失真互补的效果，进而改善整个功率放大器线性度。这样做的另一个好处是可以使两个LDMOS功率管不必都工作在非常高的线性区，较低的偏置电压使得两功率管消耗相对较少的电流，以达到提高整个功率放大器工作效率的目的。
本发明主要从两个方面来对功率放大器的输出线性做预失真改善。其一是额外增加拓扑结构较为简单的模拟预失真器电路在放大链中；其二是通过调整推挽放大器和末级高功率放大器功率管的匹配电路和偏置电压，使两功率管进行幅度和相位的互补，达到预失真的效果。
当输入信号形式为TD-SCDMA六载波信号，TDD工作模式。信号中心频率2017.5MHz，PAR(峰均比Peak-to-Average Ratio)＝12.5dB@CCDF0.01％，ACPR(相邻信道功率比Adjacent Channel PowerRatio)≤-55dB@±1.6MHz；≤-60dB@±3.2MHz，线性功率放大器的输出功率为34.5dBm。实际测试结果较未采用模拟预失真电路及匹配方法的功率放大器输出线性有5～7dB的改善。
通过上述实施例可以看出本发明的基于模拟预失真的线性功率放大电路及方法仅采用很少数量的分立元器件以及通过简单调整推挽和末级功率管的偏置和匹配，即达到了提高功率放大器线性度的效果，且电路形式简单、工作带宽较宽、工作效率高、占用PCB面积小、成本低廉，非常适合应用于TD-SCDMA基站、直放站系统的多载波线性功率放大器。相对于不含该模拟预失真电路的TD-SCDMA多载波功率放大器而言，线性改善5～7dB、效率提升3～5％、成本降低10～15％、体积基本没有增加。
Claims (5)
1.一种基于模拟预失真的线性功率放大电路，其特征在于，包括依次连接的：
预放大器U1，其作用是调整模拟预失真器的输入功率；
第一温控衰减器U2，其作用是补偿模拟预失真器随温度变化时工作点的漂移；
模拟预失真器，其作用是产生预失真信号；
第二温控衰减器U3，其作用是做增益逆补偿，使放大链在整个工作温度范围内保持增益基本恒定；
推挽放大器U4，其作用是放大信号的功率；
及末级高功率放大器U5，其作用是进一步放大信号的功率。
2.如权利要求1所述的基于模拟预失真的线性功率放大电路，其特征在于，所述的模拟预失真器包括：射频耦合电容C1，其一端接入主链路射频接入点A，另一端连接并联到地的两个电阻R1、R2，和并联到地且极性相反的两个二极管D1、D2，以及一个射频耦合电容C2，所述的射频耦合电容C2的另一端串联一段微带线TLine以及可调电阻RP到地；
所述的电阻R1、R2用于调节二极管输入功率；
所述的二极管D1、D2随着输入功率的不同，导通程度有所不同，呈现非线性的阻抗特征，使得主射频接入点A产生非线性的预失真信号；
所述的微带线TLine和可调电阻RP，用于调节模拟预失真器电路的等效阻抗。
3.如权利要求1所述的基于模拟预失真的线性功率放大电路，其特征在于，所述的推挽放大器和末级高功率放大器均采用LDMOS功率放大器，工作在不同的工作点，并呈现不同的幅度失真和相位失真特性。
4.一种基于模拟预失真的线性功率放大方法，其特征在于，包括如下步骤：首先射频输入信号经过预放大器U1调整信号的功率，以达到模拟预失真器的输入功率要求；然后调整后的信号进入第一温控衰减器U2，补偿模拟预失真器随温度变化时工作点的漂移；补偿后的信号经过模拟预失真器产输出带有预失真信号的射频输出信号；该信号经过第二温控衰减器U3，做增益逆补偿，使放大链在整个工作温度范围内保持增益基本恒定；补偿后的信号经过推挽放大器U4和末级高功率放大器U5使射频功率逐级放大，较大峰值信号输入时，推挽放大器U4和末级高功率放大器U5会产生不同程度的失真，通过调节推挽放大器U4和末级高功率放大器U5的偏置电压，使推挽放大器U4的失真分量与末级高功率放大器U5的失真分量叠加后部分抵消，抵消后的失真分量与所述的预失真信号再进行叠加之后整个电路最终输出线性改善的并放大的射频输出信号。
5.如权利要求4所述的基于模拟预失真的线性功率放大方法，其特征在于，所述的抵消后的失真分量与所述的预失真信号幅值相等相位相反。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Owner name: SHENZHEN LITONG YATAI TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: WSC WIRELESS TECHNOLOGIES (SHANGHAI) CO., LTD. Effective date: 20140812 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 201203 PUDONG NEW AREA, SHANGHAI TO: 518000 SHENZHEN, GUANGDONG PROVINCE |
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Effective date of registration: 20140812 Address after: 518000 Guangdong city of Shenzhen province Nanshan District Gao Xin Road No. 009 Chinese Technology Development Park three building 28 floor tower A1 Patentee after: Shenzhen Litong Yatai Technology Co., Ltd. Address before: 201203, room 2, building 690, No. 304 blue wave road, Shanghai, Pudong New Area Patentee before: Wavicle wireless Technologies Shanghai Co., Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 518057 Guangdong city of Shenzhen province Nanshan District Gao Xin Road No. 009 Chinese Technology Development Park three building 17 floor Patentee after: Li Tong, Polytron Technologies Inc Address before: 518000 Guangdong city of Shenzhen province Nanshan District Gao Xin Road No. 009 Chinese Technology Development Park three building 28 floor tower A1 Patentee before: Shenzhen Litong Yatai Technology Co., Ltd. |