CN101388649B - 一种低非线性功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种功率放大器，具体涉及低非线性失真的功率放大器。包括主功率放大器、失真信号发生器、失真信号放大器、第一耦合器、第二耦合器、衰减器和移相器；主功率放大器对射频输入信号A进行放大的同时，对耦合出的旁路射频输入信号进行衰减和反相，再经失真信号发生器产生与主功率放大器产生的三阶交调失真信号反相的信号；放大后的失真信号与主功率放大器输出信号相耦合，使得主功率放大器产生的三阶交调失真信号和失真信号放大器产生的与主功率放大器产生的三阶交调失真信号等幅反相的失真信号相抵消，最终得到理想的射频功率放大信号。本发明具有性能优良、效率高和结构简单、成本低的优点，可用于各种需要使用线性化功率放大器的系统中。

Description

一种低非线性功率放大器

技术领域

本发明涉及一种功率放大器，具体涉及用于减小或基本上消除由放大器产生的非线性失真的功率放大器。

背景技术

基本的放大器在大功率信号放大时呈现非线性：若有两个相近的频率W1和W2信号，通过放大器，则将产生新的组合频率，一般表示为mW1+nW2(m、n为自然数)，最靠近W1和W2的频率分量是2W1-w2和2W2-W1(即三阶交调失真信号)，由于这两个频率分量是最主要的非线性失真的来源，因为它们距离信号的频率最近，在放大器的通带内难于滤除，故以它们的幅度与基波幅度之比值衡量放大器非线性失真的程度。

随着通信技术的发展，频谱越来越拥挤，基站也越来越多。为了满足通信系统的需要和避免信道之间的相互干扰，基站通常采用各种技术使基站中的功率放大器的性能线性化，以减少信道干扰和降低误码率。

功率放大器的线性化方法有许多种，综合起来通常可以分为功率回退法(Back-Off)、负反馈法(Feedback)、前馈法(Feedforward)、预失真法(Predistortion)等。

功率回退法就是限制功率管的实际输出功率。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。

负反馈法用在较低频段，是用于改善微波功率放大器线性性能最常见的办法。在原理上，要实现负反馈必须使输出信号和输入信号相位完全相同，但在微波频段，放大器件的渡越时间与信号周期相比，不能忽略，使负反馈技术难于直接应用于微波放大器电路。此外，微波功率放大器的增益有限，如果负反馈用于单级，则增益损失太大，用于多级电路，又难于保持稳定。

前馈技术，如图1所示，克服了延迟带来的影响，因而前馈既提供了反馈的优点，但又没有不稳定和带宽的限制，当然这样的优点是通过增加成本换来的。放大器的输出使用了反馈校准，但是由于功率放大器的输出功率电平较大，因此校准信号需要放大到一个较高的功率电平，这就需要用到一个辅助放大器，并且对这个辅助放大器的非线性失真特性有严格的限制，即其失真特性指标应处于前馈环系统指标的上限。另外，系统内不同元件的增益、相位跟踪的准确度也有很严的限制，并且还要保持其稳定性。在整个频率范围内，温度和时间的校准精度完全依赖于系统内各元件的精度。

预失真法，如图2所示，一般是已知信道的非线性失真特性，然后模拟一个失真特性与信道的非线性失真特性恰好相反的网络，插入信道中，使它们的特性互相补偿，得到线性较好的信道特性。预失真技术是开环线性化技术中最常用的一种方法，虽然开环系统的校准精度不如闭环系统，但开环系统的优势是不存在稳定性问题，且有更宽的频带。预失真技术成本低，由几个仔细优化的元件封装成单一模块，连接在信号源和功放输入之间。预失真级产生一个非线性失真信号，并输入功率放大器，以抵消功率放大器所产生的非线性失真。

这些技术都是利用主信号自身的交调信号与自身抵消，从而难免存在功率低、效率低的缺点。

发明内容

本发明提供一种低非线性功率放大器，该放大器能够减小或消除由放大器产生的失真。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种低非线性功率放大器，如图3所示，包括主功率放大器、失真信号发生器、失真信号放大器、第一耦合器、第二耦合器、衰减器和移相器。

射频输入信号A接第一耦合器输入端，第一耦合器的输出端接主功率放大器输入端，主功率放大器输出端接第二耦合器第一输入端；第一耦合器的耦合输出端接衰减器输入端，衰减器输出端接移相器输入端，移相器输出端接失真信号发生器输入端，失真信号发生器输出端接失真信号放大器输入端，失真信号放大器输出端接第二耦合器第二输入端；第二耦合器输出最终的射频输出信号B。

第一耦合器用以从射频输入信号A中耦合出一路与射频信号相同幅度和相位的旁路信号；主功率放大器用以放大射频输入信号A的功率；衰减器用以衰减第一耦合器产生的旁路信号的幅度；移相器用以对经衰减器进行幅度衰减后的旁路信号进行反相处理；失真信号发生器用以产生与主功率放大器产生的三阶交调失真信号反相的失真信号；失真信号放大器用以将失真信号发生器产生的失真信号放大至与主功率放大器产生的三阶交调失真信号相同的幅度；第二耦合器用以将经主功率放大器放大的射频信号和失真信号放大器放大的失真信号相合成，使得主功率放大器产生的三阶交调失真信号和失真信号放大器产生的与主功率放大器产生的三阶交调失真信号等幅反相的失真信号相抵消，最终得到理想的射频功率放大信号，即射频输出信号B。

本发明具有以下优点：

第一、性能优良，效率高。由于在主功率放大这一方面，对信号没有做任何改变，失真信号由失真信号发生器产生，所以不会像负反馈法、预失真法等产生功率上的衰减，从而确保了良好的效率。

第二、结构简单。本发明提供的低非线性功率放大器结构简单，利用简单的失真信号发生器代替了采用负反馈和预失真技术的功率放大器中复杂的器件，有效的降低了整个放大器的成本。

附图说明

图1是前馈技术的原理框图，其中A为射频输入，B为射频输出。

图2是预失真技术的原理框图，其中A为射频输入，B为射频输出。

图3是本发明的原理框图，其中A为射频输入，B为射频输出。

具体实施方式

一种低非线性功率放大器，如图3所示，包括主功率放大器、失真信号发生器、失真信号放大器、第一耦合器、第二耦合器、衰减器和移相器。

射频输入信号A接第一耦合器输入端，第一耦合器的输出端接主功率放大器输入端，主功率放大器输出端接第二耦合器第一输入端；第一耦合器的耦合输出端接衰减器输入端，衰减器输出端接移相器输入端，移相器输出端接失真信号发生器输入端，失真信号发生器输出端接失真信号放大器输入端，失真信号放大器输出端接第二耦合器第二输入端；第二耦合器输出最终的射频输出信号B。

第一耦合器用以从射频输入信号A中耦合出一路与射频信号相同幅度和相位的旁路信号；主功率放大器用以放大射频输入信号A的功率；衰减器用以衰减第一耦合器产生的旁路信号的幅度；移相器用以对经衰减器进行幅度衰减后的旁路信号进行反相处理；失真信号发生器用以产生与主功率放大器产生的三阶交调失真信号反相的失真信号；失真信号放大器用以将失真信号发生器产生的失真信号放大至与主功率放大器产生的三阶交调失真信号相同的幅度；第二耦合器用以将经主功率放大器放大的射频信号和失真信号放大器放大的失真信号相合成，使得主功率放大器产生的三阶交调失真信号和失真信号放大器产生的与主功率放大器产生的三阶交调失真信号等幅反相的失真信号相抵消，最终得到理想的射频功率放大信号，即射频输出信号B。

所述第一耦合器和第二耦合器采用平行耦合微带线定向耦合器。平行耦合微带线定向耦合器是由两个等宽的平行耦合微带线所构成，线长为四分之一波长，各端口都接以匹配负载Z₀，若信号从端口1输入，则端口2和4都有输出，端口3没有输出，是隔离端口。由于耦合信号(端口2的输出信号)的传输方向与输入信号方向相反，故这种定向耦合器又称为反向定向耦合器。信号源处经第一耦合器耦合出一路旁路信号，其频谱跟原信号相同，通过一个衰减器调整幅度，此处幅度的调整量要跟随后的放大器的放大倍数相协调，使两者协调后反相的三阶交调信号的幅度，与由主功率放大器产生的三阶交调分量基本相同，从而能够达到抑制非线性失真的效果。

再经移相器改变相位后，其中系统中的移相器和衰减器直接影响了前馈系统的线性，它们是整个系统的重要组成部分。移相器的作用是完成相位的匹配，经移相后的信号与原信号反相，可以采用的移相器有环流器型移相器、开关线型移相器、加载线移相器或反射型移相器。

失真信号发生器，采用高度非线性器件，用于生成与经过主功率放大器产生的三阶交调信号反相的信号，而与主信号反相的信号却得到明显抑制。本发明与以往的功率放大器的线性化方法不同的是，由于采用失真信号发生器产生的异相信号，对主信号没有做任何改变，从而不会产生类似于功率低、效率低的缺点，这是本发明的最大的优点。

经过失真信号放大器，将其异相的失真信号放大到合适的电平，由于主信号异相的信号幅度不大，因而对主信号影响不大，要选择合适的放大器，从而确保不再产生其他的频率分量，确保没有其他的非线性失真信号的出现。

然后经第二耦合器将经主功率放大器放大的射频信号和失真信号放大器放大的失真信号相合成，使得主功率放大器产生的三阶交调失真信号和失真信号放大器产生的与主功率放大器产生的三阶交调失真信号等幅反相的失真信号相抵消，最终得到理想的射频功率放大信号，即射频输出信号B。

本发明提出的方法就是通过引入失真信号发生器、失真信号放大器，减少了使用延迟线和衰减器带来的失真，产生了与以往功率放大器的线性化方法不同的效果，使得使用该装置的功率放大器具有良好的效率和功率特性，从而实现减少非线性的失真的根本目标。

最后所应说明的是：以上实施例仅以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种低非线性功率放大器，包括主功率放大器、失真信号发生器、失真信号放大器、第一耦合器、第二耦合器、衰减器和移相器；

射频输入信号A接第一耦合器输入端，第一耦合器的“输出端”接主功率放大器输入端，主功率放大器输出端接第二耦合器第一输入端；第一耦合器的“耦合输出端”接衰减器输入端，衰减器输出端接移相器输入端，移相器输出端接失真信号发生器输入端，失真信号发生器输出端接失真信号放大器输入端，失真信号放大器输出端接第二耦合器第二输入端；第二耦合器输出最终的射频输出信号B；

第一耦合器用以从射频输入信号A中耦合出一路与射频信号相同幅度和相位的旁路信号；主功率放大器用以放大射频输入信号A的功率；衰减器用以衰减第一耦合器产生的旁路信号的幅度；移相器用以对经衰减器进行幅度衰减后的旁路信号进行反相处理；失真信号发生器用以产生与主功率放大器产生的三阶交调失真信号反相的失真信号；失真信号放大器用以将失真信号发生器产生的失真信号放大至与主功率放大器产生的三阶交调失真信号相同的幅度；第二耦合器用以将经主功率放大器放大的射频信号和失真信号放大器放大的失真信号相合成，使得主功率放大器产生的三阶交调失真信号和失真信号放大器产生的与主功率放大器产生的三阶交调失真信号等幅反相的失真信号相抵消，最终得到理想的射频功率放大信号，即射频输出信号B。

2.根据权利要求1所述的低非线性功率放大器，其特征在于，所述第一耦合器和第二耦合器采用平行耦合微带线定向耦合器。

3.根据权利要求1所述的低非线性功率放大器，其特征在于，所述移相器为环流器型移相器、开关线型移相器、加载线移相器或反射型移相器。

4.根据权利要求1所述的低非线性功率放大器，其特征在于，所述失真信号发生器采用高度非线性器件，用于生成与经过主功率放大器产生的三阶交调信号反相的信号，而与主信号反相的信号却得到明显抑制。

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