【摘要】分析了表示功率放大器线性的参数——三阶互调产生的机理，给出了几种最常用的提高功率放大器线性的方法，同时分析了这几种方法的优缺点，着重分析了传统的前馈技术所存在的问题，并给出了对传统前馈技术的改进方法。通过实验对比表明，该方法比传统的前馈技术有明显的改进。
【关键词】功率放大器 三阶互调 线性化技术 改进的前馈技术
1 引言
功率放大器是现代电子系统中最重要的器件之一，它广泛应用于雷达、航天、通信、电子对抗等系统中，对信号进行功率放大，它的性能的好坏直接影响整个系统的性能。功率放大器的线性是功率放大器非常重要的指标，线性高的功率放大器不仅可以大大减小放大信号的失真，也可以有效减少对其它电子系统的干扰，因此功率放大器的线性化技术很早就受到人们的关注，国外很多大学和机构都对这一技术做了专项研究，并取得较好的研究成果。国内在这方面研究起步较晚，且水平不高，国内所使用的高线性功放基本依赖进口。近些年，随着科技的发展，对功率放大器的线性要求越来越高，目前的线性化技术的发展已远远不能满足现代电子和通讯对功率放大器线性度的要求。
2 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：
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，其它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。如图1所示。
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它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。
3 传统的线性化技术
提高功率放大器线性的技术很多，常用的有三种：功率回退法、预失真法、前馈法。
3.1 功率回退法
在众多线性化技术中，功率回退技术是最常用的方法，该方法是利用自动功率控制技术，把功率放大器的输出功率控制在一定的范围内，使放大管的工作范围远小于1dB压缩点功率，功率放大器远离饱和区，工作在线性较好的区域，从而改善功率放大器的三阶互调。即选用功率较大的管子作小功率管使用，比如用80W的放大管设计4W的功率放大器，实际上是以牺牲放大管的输出功率来提高功放的线性度。
功率回退法因为不需要增加任何附加设备，实现起来比较简单，是一种改善放大器线性度很有效的办法，但是，这种方法会使功放的效率大大降低。此外，当功率回退到了一定的程度，继续回退功率对提高放大器的线性度的作用将不再明显。并且，采用此方法会受到放大管的功率限制，不能设计出大功率的放大器。因此，对于大功率放大器且线性度要求很高的场合，完全靠功率回退是不够的。
3.2 预失真法
预失真技术是MacDonald在1958年提出的[1]，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dB。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]。
3.3 前馈法
前馈和负反馈技术是1928年美国人Harold.S.Black提出的[4，5]，其原理是：射频信号输人后，经功分器分成两路。一路进入主功率放大器，由于其非线性失真，输出端除了有需要放大的主频信号外，还有三阶互调干扰信号。另一路信号进入移相器1，经移相器1使该信号反相，反相后的信号，与从主功放输出中耦合的一部分信号，经过适当的幅度调整后在合成器中叠加，使主载频信号完全抵消，只剩下反相的三阶互调分量。三阶互调分量经误差放大器适当放大后与经移相器2移相的主功放输出信号在耦合器中叠加，抵消主功放的三阶交调干扰，从而得到线性的放大信号。如图2所示：
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，校准信号需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。另外，由于在主放大器的输出端添加了两个耦合器和一个移相器，其耦合损耗和插入损耗将导致主放大器的输出功率下降[6]。
4 改进的前馈法[7]
4.1 改进方法
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1dB，三阶互调可以改善2dB。鉴于此，对前馈线性化技术做了改进，原理框图如图3所示。从图中可以看出，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。
4.2 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，按照改进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600kHz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46.13dBc；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51.97dBc。
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5.84dB，线性得到明显的提高。
5 结论
传统的前馈技术能够改善放大器的三阶互调，提高放大器的线性，但是需要在放大管的输出端添加两个耦合器和一个移相器，这些器件的插损牺牲了放大器的部分功率，从而导致设计同样性能放大器必须使用更大功率的放大管，或者使用同样的放大管设计出的放大器性能变差。由实验可以看出，通过对传统前馈技术的改进，可以大大减小传统前馈技术附加器件的影响，有效提高放大器的线性，对设计高线性功放具有一定的实际意义。
参考文献：
[1] MacDonald J R. Nonlinear Distortion Reduction by Complementary Distortion[J]. IRE Transactions on Audio， Sep/Oct 1959： 128-133.
[2] 李波. 无线通信中射频功率放大器预失真技术研究[D]. 西安： 西安电子科技大学， 2009.
[3] 刘建新，胡华. 短波功率放大器非线性失真的改进策略[J]. 舰船电子工程， 2008（11）： 88-89.
[4] Black H S. Translating System： U.S Patent 1686972[P]. 1928-10-09.
[5] Black H S. Wave Translation System： U.S. Patent 2102671[P]. 1937-11.
[6] 刘宁波，陈向东，陈冠. 带基波放大器的前馈功率放大器设计[J]. 微电子学， 2008（5）： 56-57.
[7] 程书田. TD-SCDMA干线放大器关键技术研究[D]. 杭州： 浙江大学， 2008.