发射机的功率与线性化-笛卡尔环技术
在现代无线通信系统中，射频发射机的性能直接影响通信质量。功率放大器（PA）作为发射机的核心部件，其增益特性受环境温度（-40℃~+85℃）和电源电压波动（±10%）影响显著，实测数据表明此类干扰可导致输出功率产生 ±3dB 的波动。为满足 ±1dBm、±0.5dBm等标准对功率稳定性的严苛要求，传统开环方案已难以满足需求。本文系统研究基于负反馈机制的笛卡尔环（Cartesian Loop）技术，通过理论建模、仿真验证和工程实现，展示其在功率稳定与线性化方面的独特优势。
一、功放非线性与功率稳定性挑战
1.1 功放特性分析
功率放大器的非线性特性主要表现为：
AM/AM 失真：输入信号幅度变化引起输出幅度非线性
AM/PM 失真：输入信号幅度变化引起相位非线性
热记忆效应：温度变化导致增益动态漂移
实验数据显示，某 LDMOS 功放模块在 25℃至 85℃范围内，1dB 压缩点（P1dB）变化可达 + 2.8dBm 至 + 1.2dBm，三阶交调点（IP3）恶化 5dB。
1.2 稳定性需求分析
系统级功率稳定度要求：
LTE：±1dBm（3GPP TS 36.101）
NB-IoT：±2dBm（3GPP TS 36.101）
5G NR：±0.5dBm（3GPP TS 38.104）
传统开环方案的局限性：
温补电路响应速度慢（ms 级）
电源调制补偿精度不足（±0.5dB）
负反馈
负反馈的基本原理及框图如下图所示
2.1 经典反馈系统建模
基本数学模型：
Y(s)=[1+A(s)]/[1+B(s)A(s)]*X(s)
其中：
A(s) 为功放传递函数
B(s) 为反馈网络传递函数
环路增益 T(s)=A(s)B(s)
稳定性判据：
相位裕度 ϕm>45∘
增益裕度 Gm>6dB
2.2 工程实现关键参数
参数 | 典型值 | 影响分析 |
反馈深度 | 20~40dB | 深度越深稳定性越好，但易振荡 |
环路带宽 | 1~10MHz | 需大于信号调制带宽 |
耦合器精度 | ±0.1dB | 影响补偿精度 |
解调器相位误差 | <5° | 引入正交失真 |
由上述公式可知，负反馈可以实现发射机的功率稳定控制。
笛卡尔环
笛卡尔环的原理框图如下：
笛卡尔环是一种模拟预失真方案，反馈信号从功放输出端耦合回来，经过同步解调处理与输入的基带信号相减产生误差信号，通过环路滤波器，经过正交调制上变频后送至功放。反馈回来的基带信号与原信号叠加得到失真信号，失真信号与原信号反向叠加，通过反向补偿实现系统的线性。预失真技术实现机理如下图所示。
笛卡尔环从环路的角度看，本质上是一种负反馈。原理框图如下图所示。
从上述公式可以看出，负反馈方案可以降低由功放带来的噪声。
关键模块设计：
同步解调器：采用科斯塔斯环（Costas Loop）实现载波同步
误差计算器：支持复数域误差信号生成
环路滤波器：采用二阶巴特沃斯滤波器（截止频率 5MHz）
邻信道功率抑制比
1技术途径及工作机理
发射邻道抑制除了与本振源相位噪声有关外，还与功放的邻道指标有关，功放输出非线性对邻道的恶化如图所示。
功放的非线性导致互调分量落入邻道附近，展宽发射频谱，为了提高对邻道的抑制，在设计功放的过程中通常采取回退的方式，降低互调分量。功放的互调可以通过双音干扰模拟，由于邻道的分量主要是由于带宽的调制结果，因此双音分析比单音更能模拟实际情况。双音信号经过功放如式所示：
其中互调分量2f1-f2、2f2-f1等将落在邻道附近，邻道指标可参考互调指标。
下图为笛卡尔环的ADS仿真实际效果。
仿真结果如下图所示：
从仿真结果中可以看出，笛卡尔环对发射的邻道功率抑制有很好的作用。下图为实际的验证数据。可以看出笛卡尔环对邻道功率抑制比的改善。
综上所述，经过理论计算与实际验证分析，笛卡尔环技术，可以满足对发射邻道功率抑制比的要求。
