功率放大器的线性化技术

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。

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。

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。

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。

微波功率放大器技术与设计众所周知，当前国内外抑制信号二、三次谐波绝大多数采用的方式就是在功放后加开关滤波器。

通过以往大量的实践结果表明，在45dbm/路辐射功率的环境中进行操作可以在规定的时间空间范围内实现二次35dbc与三次40dbc（基于当前国内开关滤波器的标准），但该技术就目前而言仅在低频、窄带信号中能够有效开展，在高频和宽带环境很难发挥出最佳效应。

但是通过以往大量的仿真实验结果以及总结的经验发现，如果运用得当，数字预失真技术在解决微波功率放大器线性化技术方面比上面方法能够取得更好的效果，因为它可以满足通信信号电磁环境模拟器对谐波和互调分量的指标要求，鉴于此，本文是对微波功率放大器技术与设计工作进行分析，仅供参考。

标签：功率放大器；预失真技术；线性化；移动通信引言：微波集成电路技术是无线系统小型化的关键技术.在毫米波集成电路中，高性能且设计紧凑的功率放大器芯片电路是市场迫切需求的产品.总的来说，微波功率放大器的芯片性能很大程度上取决于制造工艺，而每种工艺对功率放大器有着不同的特点或优势.对于工作频率不高于100GHz的芯片而言，砷化镓和氮化镓材料具有功率方面的优势.如果频率作为器件的首要考虑，那么选用磷化铟器件制作的功率放大器其频率可以高到500GHz以上.当然，对于工业制造来说，产品的成本也是功率放大器设计以及量产的重要因素，特别是对于消费电子产品类，互补金属氧化物半导体（CMOS）利于片上系统集成，因此具有成本优势.从应用场景来看，毫米波芯片工作于不同的频率有着不同的要求，比如在Ka波段的26.5～40GHz，目前主要用于卫星和中长距点对点通信，大功率是这个波段功率放大器的首要指标，因而氮化镓和砷化镓的功率放大器芯片是首选.对于60GHz而言，由于电磁波在该频率的衰减很大，主要潜在应用于短距离的高速通信并面向消费电子市场，因而成本较低的CMOS半导体和锗化硅器件是未来该频段芯片设计的首选。

模拟电子技术基础知识功率放大器的线性度与效率优化在模拟电子技术中，功率放大器起着非常重要的作用。

功率放大器能够将微弱的输入信号放大到较大的输出功率，广泛应用于音频放大器、射频通信等领域。

然而，功率放大器的线性度与效率问题一直是工程师们需要关注和解决的核心课题。

一、功率放大器的线性度优化功率放大器的线性度是指输入功率与输出功率之间的关系是否是线性的。

在理想情况下，放大器的线性度应该是完全线性的，在任意输入功率下，输出功率的增加应保持与输入功率的增加成正比的关系。

然而，在现实中，由于非线性元件、电源波动、反馈环路等原因，功率放大器的线性度经常无法完全满足要求。

为了解决功率放大器的线性度问题，可以采取以下措施进行优化：1. 选择合适的放大器类型：根据不同的应用场景和要求，选择合适的放大器类型，如B类、AB类、C类、D类等。

不同类型的放大器具有不同的线性度特点，工程师需要根据实际需求进行选择。

2. 使用线性化技术：通过引入线性化技术，可以有效地提高功率放大器的线性度。

常见的线性化技术包括预失真技术、反馈技术、交叉耦合技术等。

这些技术能够在一定程度上抑制功率放大器的非线性失真，提高线性度。

3. 优化电源供电：功率放大器的线性度受到电源波动的影响较大。

因此，优化电源供电是提高功率放大器线性度的重要手段之一。

可以采用稳压电源、滤波电路等方法来降低电源波动对功率放大器线性度的影响。

二、功率放大器的效率优化功率放大器的效率是指输出功率与输入功率的比值，即输出功率的百分比。

在实际应用中，功率放大器的效率通常要求尽可能地高，以确保尽量少的输入功率能够输出较大的功率。

为了提高功率放大器的效率，可以采取以下方法进行优化：1. 选择高效的功率放大器结构：不同的功率放大器结构具有不同的效率特点。

例如，级联放大器与并联放大器相比，级联放大器的效率较高。

因此，在实际设计中，根据具体要求选择适合的功率放大器结构是提高效率的关键。

2. 优化负载匹配：负载匹配对功率放大器的效率影响较大。

射频功率放大器线性化技术发展现状的研究1.引言1.1 论文背景在现代无线通信系统之中，射频前端部件对于系统的影响起到了至关重要的作用。

随着科技的进步，射频前端元件如低噪声放大器（LNA）、混频器（Mixer）、功率放大器（PA）等都已经集成到一块收发器之中，但其中对性能影响最大是功率放大器。

功率放大器是一种将电源所提供的能量提供给交流信号的器件，使得无线信号可以有效地发射出去。

根据功率放大器的分析模型（泰勒级数模型），可知到当输入信号的幅度很小的时候，对于功率放大器的非线性特性影响较小。

但当输入信号的幅度比较大的时候，就会对功率放大器的非线性度产生很大的影响，所以说对功率放大器的非线性性能产生影响的关键因素就是输入信号幅度的增强并且不断地变化。

随着无线用户数量人数的不断增加，有限的通信频段变得越来越拥挤。

为了提高频谱的利用效率，线性化调制技术技术譬如正交幅度调制（QAM）、正交相位键控（QPSK）、正交频分复用（OFDM）就在现代的无线通信之中就被广泛的应用，因为这几种技术的频谱利用率更高。

但是这些线性化调制技术都是包络调制信号，这就必然会引入非线性失真的问题。

通信系统中的很多有源器件都是非线性器件，一旦包络调制信号通过该系统时，就会产生非线性失真，谐波的频段很多时候会影响到相邻的信道中的信号，会对系统产生一定程度的干扰，因此高功率高频率的射频发射系统的输入信号也必须控制在一定的幅度范围以内。

对于那些包络变化的线性化调制技术就必须采用线性发射系统。

然而发射系统中非线性最强的器件是功率放大器，同时发射系统都要求有尽量高的发射效率，所以为了效率，射频功放基本都工作在非线性状态，所以如何提高功率放大器的线性度就显得异常关键。

现在整个通信领域，射频功率放大器的线性化技术已成为一个越来越重要的研究领域。

1.2射频功率放大器线性化技术国内外研究现状RF功率放大器的线性化技术研究可以追溯到1920年，1928美国人Harold．S．Black 在贝尔实验室工作的发明了负反馈和前馈技术并应用到放大器设计中，功率放大器的失真得到了明显的改善。

中图分类号:T N702 文献标识码:A 文章编号:1009-2552(2007)03-0045-06线性化Doherty 功率放大器设计耿　知,郭　伟(华中科技大学电子与信息工程系,武汉430074)摘　要:结合射频数字预失真技术和Doherty 技术提出了一种WC DM A 线性化功率放大器的设计方案。

通过计算机辅助设计和ADS 仿真分析,功率放大器在输出35瓦(45.4dBm )的情况下,AC LR 达到-55dBc 。

关键词:WC DM A ;射频数字预失真;Doherty ;邻近信道泄漏功率比;PAEDesign of linearized Doherty pow er amplifierGE NG Zhi ,G UO Wei(Dep artment of Electronic and I nform ation E ngineering ,Central China U niversity ofScience and T echnology ,Wuh an 430074,China )Abstract :A design of linearized WC DM A power am plifier is introduced in this paper ,combining RF DPDand Doherty techniques.By the help of com puter aided design and ADS s oftware simulation ,it presents that when power am plifier outputs 35W ,AC LR has reached -55dBcs.K ey w ords :WC DM A ;RFDPD (radio frequency digital predistortion );Doherty ;AC LR ;PAE0　引言WC DM A 采用的QPSK 调制方式和3.84MH z 的扩频码使得射频信号呈现出很高的峰均比(PAR )和快速的包络变化,这对功率放大器的设计提出了更高的线性要求。

第3章功率放大器线性化技术第2章已经探讨了功率放大器的基本知识和指标，并对此类放大器的非线性特性进行了较为详细的分析。

由于功率放大器线性指标对GSM-R 直放站的性能影响较大，在研制GSM-R 直放站功率放大器电路前，对各种功率放大器线性化技术进行分析和仿真是必要的。

本章分析了现存的主要几种功放线性化技术原理，并着重对正交平衡放大器技术及模拟预失真技术进行了方案设计和仿真。

仿真结果表明正交平衡式功率放大器相较于单管功率放大器以及基于单管功率放大器具有同等复杂度的线性化功率放大电路具有更加好的三阶互调抑制。

而模拟预失真技术则可以进一步提高功率放大器的线性性能。

3.1 经典功率放大器线性化技术作为移动通信发射机的关键部件，射频放大器直接影响着发射机性能的优劣。

不同于理想线性放大器，由于需要工作在大信号状态，功率放大器特别是非A 类功率放大器都不满足线性叠加定理。

功率放大器的输出信号是输入信号的非线性变换结果，该信号在带内会产生波形失真（一般用EVM 指标衡量），在频带外会产生多余的频率分量（如谐波分量、三阶互调分量）。

这些影响随着输出信号功率的增加而增加。

正如第2章第2节所述，功率放大器非线性特性对单载波信号的影响主要表现为AM-PM 调制，对多载波信号或其他宽带信号的影响则表现为三阶互调和频谱扩展问题。

另外，功率放大器的非线性形式及参数还具有记忆效应，对温度湿度历史输入信号等因素敏感，随着这些因素而变。

需要说明的是，功率放大器的非线性参量随着功率放大器元器件的差异而具有很不相同的情况，这导致功率放大器始终不能有一个大统一的线性化方法，很多古老的折中方法依然具有重要的指导价值。

3.1.1功率回退法功率放大器的非线性随着输出功率的增加而变坏，将功率放大器的输入信号功率降低可以有效的降低功放电路的非线性。

以等幅双音信号输入为例，根据第2章中关于输出信号幂级数分析式（2.11）的分析，一个典型功率放大器输出基频分量功率曲线和输出三阶互调分量功率曲线如图3-1所示，也即：,13()2()23.75()in in dB IMD dBc P P dBc ⎡⎤≈--⎣⎦ (3.1)图3-1 三阶互调截断点当in P 超过,1in dB P 之后，in P 继续增加，输出功率虽然略有增加，但是三阶互调却急剧恶化，in P 每增加1dB ，IMD3就恶化2dB 。

功放放大器线性相关知识概述信号在通过射频通道（这里所谓的射频通道是指射频收发信机通道，不包括空间段衰落信道）时会有一定程度的失真，失真可以分为线性失真和非线性失真。

产生线性失真的主要有一些滤波器等无源器件，产生非线性失真的主要有一些放大器、混频器等有源器件。

另外射频通道还会有一些加性噪声和乘性噪声的引入。

1.功率放大器作为基站、直放站中的主要核心模块，对整个系统的通信质量起着至关重要的作用，而功放的线性指标，则是功放设计的基础和核心。

下面先介绍一下一些与线性相关的基本知识。

（1）信号的峰值功率、平均功率和峰均比PAR很多信号从时域观测并不是恒定包络，而是如下面图形所示。

峰值功率即是指以某种概率出现的肩峰的瞬态功率。

通常概率取为0.01%。

峰值功率即是指以某种概率出现的肩峰的瞬态功率。

通常概率取为0.01%。

平均功率是系统输出的实际功率。

在某个概率下峰值功率跟平均功率的比就称为在某个概率下的峰均比，如PAR=9.1@0.1%,各种概率下的峰均比就形成了CCDF曲线（互补累积分布函数）。

在概率为0.01%处的PAR，一般称为CREST因子。

功率放大器在设计的过程中，其线性指标和峰均比关系很大，（2）线性失真线性失真又可以分成线性幅度失真和线性相位失真，从频域可以很方便表示这些失真，如下图：（3）非线性失真非线性失真与线性失真相似，可以分成非线性幅度失真和非线性相位失真，图形表示如下：（4）非线性幅度失真非线性幅度失真常用1dB压缩点、三阶交调、三阶截止点等指标衡量，下面分别讨论这三个指标。

例如一个射频放大器，当输入信号较小时，其输出与输入可以保证线关系，输入电平增加1dB，输出相应增加1dB，增益保持不变，随着输入信号电平的增加，输入电平增加1dB，输出将增加不到1dB，增益开始压缩，增益压缩1dB时的输入信号电平称为输入1dB压缩点，这时输出信号电平称为输出1dB压缩点。

如下图：（3）三阶交调三阶交调（双音三阶交调）是用来衡量非线性的一个重要指标，在这里仍以放大器为例来说明三阶交调指标。