基于功率检测自适应的前馈功放设计

摘要：分析了常用双环自适应前馈电路在屏蔽和宽带频率兼顾等地方的缺陷，设计了一个功率检测自适应电路。功率检测自适应应用于前馈系统第一极环路，通过MCU监控电压检测值，自动调节第一环路的移相、调幅矢量调节器，改变相位、幅度参数，以达到环路抵消最好，保证在功率与频率不断变化的情况下，误差信号提取时刻都保持最纯净。仿真结果显示，在输出125W的GSM前馈系统中，可使其IMD3小于-65dBc。
关键词：前馈电路；功率检测；自适应电路；三阶交调

0 引言
    随着现代无线通信的迅速发展，射频功率放大器朝着大功率，高效率与高线性的方向发展而目前引起功率放大器的非线性的因素主要有以下两点：工作于甲乙类状态的大功率LDMOS的应用越来越广泛；非线性器件的引入，多载波技术的应用都将使输出信号产生交调失真。因此，在设计射频功率放大器时，线性度是需要考虑的关键指标。目前常用的线性化技术有功率回退、预失真技术(APD／DPD)、前馈技术(FF)等。其中，功率回退技术能一定程度的改善窄带信号的线性度；而预失真技术通过反馈信号对失真信号进行校准，对线性度有较大的改善；前馈技术，由于其采用两个环路精确抵消，能较好地改善线性指标，而且不受带宽限制，所以在线性化方面有较大优势，但效率较低。本文首先简述了一般前馈线性化技术自适应方面的缺陷，而后在此基础上进行改进，添加了自适应算法，并通过功率检测自适应电路对误差提取信号进行改善，从而达到改善输出信号线性度的目的。

1 自适应前馈控制原理
    前馈电路系统相比其他线性化技术较为复杂，其原理主要是通过移相器和矢量调幅器的调节来实现两个环路的抵消；因此，要在功率和频率不断变化的情况下实现精确的抵消，在前馈系统中必须加入自适应电路。前馈系统的两个环路分为信号抵消环路和误差抵消环路。为了确保两个环路均能达到较好的抵消效果，一般情况下第一环和第二环均要加入自适应控制。目前应用于前馈系统中的自适应方法主要有直接信号相关检测法，导频检测和最小功率检测。本文主要是介绍在第一环最小功率检测法的实际应用中做出的几点改进，如图1所示，在传统的前馈系统中第一环和第二环均使用到最小功率检删法。
    从图1中可以看出，第一环最小功率检测放在功分器2后面，此处功率检测芯片一般使用比较经典的AD8362，通过其检测到的功率值判断主信号是否完全被抵消。主信号完全被抵消才意味着误差信号提取最纯净。

    在理论上认为输入信号是纯净的，在功分器1后一路信号经过主放大后经过耦合器，一路信号经过无源器件(功分器、延时线等)延时后，在合成器1处进行抵消，将抵消的信号送到功率检测器，这样通过功率检测器检测到的功率就可以判断当前抵消状态，然后调节移相器和矢量调幅器后与之前检测到的信号功率进行比较，当检测到的功率最小时说明环路抵消最好，这时的电路参数值就是当前环境下电路的最优参数。另外导频法也是前馈系统中一种常用的自适应方法。导频是在电路中引入一个适当功率大小的导频信号，导频信号进入前馈系统以后将被看作一个失真信号而得到一定程度的抵消，如果导频信号通过前馈系统后被完全抵消了，那么由放大器产生的非线形失真信号也会被前馈系统最大程度的压缩，但是导频信号法不仅电路系统和控制程序复杂，而且还会引入新的交调失真，所以应用起来也较有难度。

2 改进的自适应前馈
    对自适应前馈系统的改进主要考虑以下3点：首先，自适应前馈的改进电路尽量减少新的失真信号，其次，环境适应能力要强，在温度、输入功率和频率不断变化的情况下均要满足抵消要求；另外，误差提取环路中最优权重系数的收敛要比较快。而误差消除环路的最有权重系数收敛相对可以慢些。本文在原双环自适应前馈的基础上，通过实际应用中的经验和仿真，对原前馈系统的最小功率检测法进行了改进，改进方法如下：
2．1 误差提取信号后加放大管
    在第一环误差信号提取链路中，由于主信号被完全抵消，信号中只剩下纯净的误差信号。所以信号非常小，一般纯净的误差信号只有-50 dBm左右。所以在其经过功分器2后，如果直接进入检波器会影响功率检测。另外-50 dBm左右的信号经过较长的链路也会带来干扰，达不到最佳抵消效果。
    如图2所示，在功分器2前加一个放大管后，将误差信号放大到-30 dBm左右达到了改善误差链路的目的。

    将经过改进后的链路进行仿真，未加放大管的仿真结果(如图3(a)所示)与加放大管之后的前馈系统仿真结果如图3(b)所示。
    从仿真结果可以看出，由于在未加增益管前，误差信号功率太小，在抵消时容易受到外界干扰，无法在抵消过程中看到真实的情况。看到的只是干扰信号与误差信号的叠加。
2．2 用MCU控制第一环移相器和适量调幅器
    要使误差信号在任何时刻提取保持最纯净，那么第一环移相器与适量调幅器就需要不断调整，如何做到自适应，使第一环移相器和适量调幅器在不同情况下进行调节是误差信号提取最好是自适应前馈功放的重点。如图4所示，本文采用AD8362检测误差信号反馈至MCU，MCU接收反馈信息后根据检测到电压的大小调节第一环移相器与适量调幅器，当调节到检测到的电压最小时便是最好的电路参数。从而得到最纯净的误差信号。

3 误差信号提取的仿真
    为了对该前馈系统改进点进行验证，本节通过对改进前后的误差提取环路进行仿真，通过对仿真结果的比较可以看出本文对自适应前馈功放的优化。
    图5是将无自适应前馈系统抵消状态与有了自适应的前馈系统的仿真结果进行比较，可以看出来在改进前误差提取信号不纯净，主信号功率比较大。改进后主信号已经差不多被完全抵消，与三阶互调信号功率相近。

    在误差信号提取纯净后，即可进行第二环抵消，通过调节第二环移相器和矢量调幅器以使整个前馈系统1MD3达到最优。图6是GSM125W前馈系统第二环抵消仿真结果。

4 结语
    本文提出的基于最小功率检测的自适应前馈功放经过仿真验证，可以通过AD8362将检测到的信号功率传递到MCU，单片机通过检测的功率值调节移相器和矢量调幅器，当检测到最小功率时即是误差提取最纯净的时候。并对误差提取环路电路做了一些改进。该电路在用于前馈系统中可以确保第一环抵消一直最好。从而解决了整个前馈抵消环路不同功率和频点兼顾的问题。