功率放大器是現(xiàn)代通信中一個(gè)重要的元件

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現(xiàn)代通信系統(tǒng)趨向于使用線性調(diào)制方式，這就要求射頻系統(tǒng)具有很好的線性特性

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因此，對(duì)功放的輸出進(jìn)行線性化成為現(xiàn)代通信中一個(gè)重要的課題。

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在現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)之中，射頻前端部件對(duì)于系統(tǒng)的影響起到了至關(guān)重要的作用。

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隨著科技的進(jìn)步，射頻前端元件如低噪聲放大器（LNA）、混頻器（Mixer）、功率放大器（PA）等都已經(jīng)集成到一塊收發(fā)器之中，但其中對(duì)性能影響最大是功率放大器。

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功率放大器是一種將電源所提供的能量提供給交流信號(hào)的器件，使得無(wú)線信號(hào)可以有效地發(fā)射出去。

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根據(jù)功率放大器的分析模型（泰勒級(jí)數(shù)模型），可知當(dāng)輸入信號(hào)的幅度很小的時(shí)候，對(duì)于功率放大器的非線性特性影響較小。

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但當(dāng)輸入信號(hào)的幅度比較大的時(shí)候，就會(huì)對(duì)功率放大器的非線性度產(chǎn)生很大的影響，所以說對(duì)功率放大器的非線性性能產(chǎn)生影響的關(guān)鍵因素就是輸入信號(hào)幅度的增強(qiáng)并且不斷地變化。

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隨著無(wú)線用戶數(shù)量人數(shù)的不斷增加，有限的通信頻段變得越來(lái)越擁擠。

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為了提高頻譜的利用效率，線性化調(diào)制技術(shù)技術(shù)譬如正交幅度調(diào)制（QAM）?、正交相位鍵控（QPSK）?、正交頻分復(fù)用（OFDM）就在現(xiàn)代的無(wú)線通信之中就被廣泛的應(yīng)用，因?yàn)檫@幾種技術(shù)的頻譜利用率更高。

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但是這些線性化調(diào)制技術(shù)都是包絡(luò)調(diào)制信號(hào)，這就必然會(huì)引入非線性失真的問題。

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通信系統(tǒng)中的很多有源器件都是非線性器件，一旦包絡(luò)調(diào)制信號(hào)通過該系統(tǒng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生非線性失真，諧波的頻段很多時(shí)候會(huì)影響到相鄰的信道中的信號(hào)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生一定程度的干擾，因此高功率高頻率的射頻發(fā)射系統(tǒng)的輸入信號(hào)也必須控制在一定的幅度范圍以內(nèi)。?

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對(duì)于那些包絡(luò)變化的線性化調(diào)制技術(shù)就必須采用線性發(fā)射系統(tǒng)。

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然而發(fā)射系統(tǒng)中非線性最強(qiáng)的器件是功率放大器，同時(shí)發(fā)射系統(tǒng)都要求有盡量高的發(fā)射效率，所以為了效率，射頻功放基本都工作在非線性狀態(tài)，

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所以如何提高功率放大器的線性度就顯得異常關(guān)鍵。

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現(xiàn)在整個(gè)通信領(lǐng)域，射頻功率放大器的線性化技術(shù)已成為一個(gè)越來(lái)越重要的研究領(lǐng)域。

射頻PA的線性化技術(shù)??

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射頻功率放大器的非線性失真會(huì)使其產(chǎn)生新的頻率分量，如對(duì)于二階失真會(huì)產(chǎn)生二次諧波和雙音拍頻，對(duì)于三階失真會(huì)產(chǎn)生三次諧波和多音拍頻。

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這些新的頻率分量如落在通帶內(nèi)，將會(huì)對(duì)發(fā)射的信號(hào)造成直接干擾，如果落在通帶外將會(huì)干擾其他頻道的信號(hào)。

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為此要對(duì)射頻功率放大器的進(jìn)行線性化處理，這樣可以較好地解決信號(hào)的頻譜再生問題。?

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射頻功放基本線性化技術(shù)的原理與方法不外乎是以輸入RF信號(hào)包絡(luò)的振幅和相位作為參考，與輸出信號(hào)比較，進(jìn)而產(chǎn)生適當(dāng)?shù)男Ｕ?/p>

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目前己經(jīng)提出并得到廣泛應(yīng)用的功率放大器線性化技術(shù)包括，功率回退，負(fù)反饋，前饋，預(yù)失真，包絡(luò)消除與恢復(fù)（EER），利用非線性元件進(jìn)行線性放大（LINC）?。

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較復(fù)雜的線性化技術(shù)，如前饋，預(yù)失真，包絡(luò)消除與恢復(fù)，使用非線性元件進(jìn)行線性放大，它們對(duì)放大器線性度的改善效果比較好。

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而實(shí)現(xiàn)比較容易的線性化技術(shù)，比如功率回退，負(fù)反饋，這幾個(gè)技術(shù)對(duì)線性度的改善就比較有限。

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1、功率回退?

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這是最常用的方法，即選用功率較大的管子作小功率管使用，實(shí)際上是以犧牲直流功耗來(lái)提高功放的線性度。?

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功率回退法就是把功率放大器的輸入功率從1dB壓縮點(diǎn)

（放大器有一個(gè)線性動(dòng)態(tài)范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)，放大器的輸出功率隨輸入功率線性增加。隨著輸入功率的繼續(xù)增大，放大器漸漸進(jìn)入飽和區(qū)，功率增益開始下降，通常把增益下降到比線性增益低1dB時(shí)的輸出功率值定義為輸出功率的1dB壓縮點(diǎn)，用P1dB表示。）

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向后回退6-10個(gè)分貝，工作在遠(yuǎn)小于1dB壓縮點(diǎn)的電平上，使功率放大器遠(yuǎn)離飽和區(qū)，進(jìn)入線性工作區(qū)，從而改善功率放大器的三階交調(diào)系數(shù)。

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一般情況，當(dāng)基波功率降低1dB時(shí)，三階交調(diào)失真改善2dB。?

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功率回退法簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)，不需要增加任何附加設(shè)備，是改善放大器線性度行之有效的方法，缺點(diǎn)是效率大為降低。

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另外，當(dāng)功率回退到一定程度，當(dāng)三階交調(diào)制達(dá)到-50dBc以下時(shí)，繼續(xù)回退將不再改善放大器的線性度。因此，在線性度要求很高的場(chǎng)合，完全靠功率回退是不夠的。

2、預(yù)失真?

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預(yù)失真就是在功率放大器前增加一個(gè)非線性電路用以補(bǔ)償功率放大器的非線性失真。

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預(yù)失真線性化技術(shù)，它的優(yōu)點(diǎn)在于不存在穩(wěn)定性問題，有更寬的信號(hào)頻帶，能夠處理含多載波的信號(hào)。

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預(yù)失真技術(shù)成本較低，由幾個(gè)仔細(xì)選取的元件封裝成單一模塊，連在信號(hào)源與功放之間，就構(gòu)成預(yù)失真線性功放。

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手持移動(dòng)臺(tái)中的功放已采用了預(yù)失真技術(shù)，它僅用少量的元件就降低了互調(diào)產(chǎn)物幾dB，但卻是很關(guān)鍵的幾dB。?

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預(yù)失真技術(shù)分為RF預(yù)失真和數(shù)字基帶預(yù)失真兩種基本類型。

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RF預(yù)失真一般采用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于高頻、寬帶應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是頻譜再生分量改善較少、高階頻譜分量抵消較困難。?

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數(shù)字基帶預(yù)失真由于工作頻率低，可以用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，適應(yīng)性強(qiáng)，而且可以通過增加采樣頻率和增大量化階數(shù)的辦法來(lái)抵消高階互調(diào)失真，是一種很有發(fā)展前途的方法。

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這種預(yù)失真器由一個(gè)矢量增益調(diào)節(jié)器組成，根據(jù)查找表（LUT）的內(nèi)容來(lái)控制輸入信號(hào)的幅度和相位，預(yù)失真的大小由查找表的輸入來(lái)控制。

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矢量增益調(diào)節(jié)器一旦被優(yōu)化，將提供一個(gè)與功放相反的非線性特性。

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理想情況下，這時(shí)輸出的互調(diào)產(chǎn)物應(yīng)該與雙音信號(hào)通過功放的輸出幅度相等而相位相反，即自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊就是要調(diào)節(jié)查找表的輸入，從而使輸入信號(hào)與功放輸出信號(hào)的差別最小。

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注意到輸入信號(hào)的包絡(luò)也是查找表的一個(gè)輸入，反饋路徑來(lái)取樣功放的失真輸出，然后經(jīng)過A/D變換送入自適應(yīng)調(diào)節(jié)DSP中，進(jìn)而來(lái)更新查找表。?

數(shù)字預(yù)失真技術(shù)?

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數(shù)字預(yù)失真技術(shù)是指在通信系統(tǒng)的基帶部分完成信號(hào)預(yù)失真的功能，以得到能夠滿足功率放大器線性化指標(biāo)。

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在數(shù)字預(yù)失真技術(shù)中DSP、FPGA（Field?Programmable?Gate?Array）芯片是預(yù)失真系統(tǒng)的主要組成部分。

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調(diào)制信號(hào)通過預(yù)失真器得到失真信號(hào)，失真信號(hào)通過D／A轉(zhuǎn)換器變成模擬信號(hào)，模擬信號(hào)被調(diào)制到RF載波信號(hào)上，最后進(jìn)入RF功率放大器，得到線性化輸出。

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RF功率放大器的輸出被定向耦合器提取一部分，經(jīng)過解調(diào)后返回到基帶部分，該信號(hào)通過A／D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)，該信號(hào)是用來(lái)調(diào)節(jié)預(yù)失真的性能，使得輸出信號(hào)的線性化更加可觀。?

模擬預(yù)失真技術(shù)?

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模擬預(yù)失真技術(shù)的實(shí)現(xiàn)有多重方式。

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如串聯(lián)二極管預(yù)失真器，它主要有一個(gè)肖特基二極管并聯(lián)一個(gè)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種結(jié)構(gòu)可以在低電壓偏置下獲得正的幅度和負(fù)的相位。

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通過調(diào)節(jié)偏壓和電容來(lái)完成預(yù)失真器的功能，從而使得預(yù)失真器的非線性與放大器的非線性完全相反。

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但其對(duì)線性度改善并不明顯，不過卻是一種低成本的簡(jiǎn)單可行的方法。

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此外還有并聯(lián)二極管預(yù)失真器。

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另外采用變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)預(yù)失真功能也是一種常用的方法，該方法主要有兩部分功能區(qū)改善功率放大器的線性度。

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變?nèi)荻O管是用來(lái)補(bǔ)償功率放大器的AM-PM效應(yīng)，而為了補(bǔ)償功率放大器的AM-AM效應(yīng)，該預(yù)失真器引入了二階諧波控制技術(shù)。

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該技術(shù)比起簡(jiǎn)單的串、并聯(lián)二極管技術(shù)，它的插入損耗要低很多。

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該技術(shù)應(yīng)用于砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)單管功率放大器變?nèi)荻O管可以對(duì)GaAs?FET輸入端進(jìn)行容性補(bǔ)償，目的在于消除功率放大器的?AM-PM效應(yīng)。

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采用二階諧波注入技術(shù)補(bǔ)償了功率放大器的AM-AM非線性特性。

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這樣就可以很好的消除AM-PM、AM-AM效應(yīng)，從而使功率放大器的線性度有所改善。

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另外還有諸如場(chǎng)效應(yīng)管預(yù)失真器，諧波預(yù)失真器，二極管反向平行對(duì)的預(yù)失真器等模擬預(yù)失真技術(shù)。

3、前饋?

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前饋技術(shù)起源于“反饋”，應(yīng)該說它并不是什么新技術(shù)，早在二三十年代就由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室提出來(lái)的。

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除了校準(zhǔn)（反饋）是加于輸出之外，概念上完全是“反饋”。??

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前饋線性放大器通過耦合器、衰減器、合成器、延時(shí)線、功分器等組成兩個(gè)環(huán)路。

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射頻信號(hào)輸入后，經(jīng)功分器分成兩路。

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一路進(jìn)入主功率放大器，由于其非線性失真，輸出端除了有需要放大的主頻信號(hào)外，還有三階交調(diào)干擾。

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從主功放的輸出中耦合一部分信號(hào)，通過環(huán)路1抵消放大器的主載頻信號(hào)，使其只剩下反相的三階交調(diào)分量。

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三階交調(diào)分量經(jīng)輔助放大器放大后，通過環(huán)路2抵消主放大器非線性產(chǎn)生的交調(diào)分量，從而了改善功放的線性度。?

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前饋技術(shù)既提供了較高校準(zhǔn)精度的優(yōu)點(diǎn)，又沒有不穩(wěn)定和帶寬受限的缺點(diǎn)。

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當(dāng)然，這些優(yōu)點(diǎn)是用高成本換來(lái)的，由于在輸出校準(zhǔn)，功率電平較大，校準(zhǔn)信號(hào)需放大到較高的功率電平，這就需要額外的輔助放大器，而且要求這個(gè)輔助放大器本身的失真特性應(yīng)處在前饋系統(tǒng)的指標(biāo)之上。?

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前饋功放的抵消要求是很高的，需獲得幅度、相位和時(shí)延的匹配，如果出現(xiàn)功率變化、溫度變化及器件老化等均會(huì)造成抵消失靈。為此，在系統(tǒng)中考慮自適應(yīng)抵消技術(shù)，使抵消能夠跟得上內(nèi)外環(huán)境的變化。

LINC技術(shù)和CALLUM技術(shù)?

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LINC（Linear?amplification?with?Nonlinear?Components）線性化技術(shù)是在1974年提出的。

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LINC技術(shù)更加適合幅度和相位同時(shí)變化的調(diào)制技術(shù)。

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LINC技術(shù)把帶通輸入信號(hào)分成兩個(gè)只有恒包絡(luò)信號(hào)Sl、S2。

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但是它們的相位卻是變化的。

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這兩個(gè)恒包絡(luò)信號(hào)分別通過上下支路的功率放大器，分別放大后再進(jìn)行合成，就可以實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的放大功能。

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信號(hào)分離是利用DSP來(lái)完成實(shí)現(xiàn)的。

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當(dāng)信號(hào)被分離以后，經(jīng)過放大器放大后，再經(jīng)過合成器合成，最終在輸出端得到輸入信號(hào)的放大信號(hào)。

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其中比較難控制的是，如何使兩個(gè)放大器支路做到完全匹配，并且有著相同的相位和增益特性。

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對(duì)于相位相同的信號(hào)能夠進(jìn)行相加，而對(duì)于相位相反的信號(hào)能夠做到相減，也就是能夠做到相互抵消。????

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CALLUM（Combined?Analogue．Locked?L00p?Universal?Modulator）是一種起源LINC的技術(shù)。

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CALLUM技術(shù)采用笛卡兒反饋，輸出信號(hào)被反饋回去，應(yīng)用QAM下變頻為正交信號(hào)分別與基帶的正交信號(hào)分量進(jìn)行比較。

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因?yàn)長(zhǎng)INC在其支路上很難實(shí)現(xiàn)增益和相位的完全匹配，所以對(duì)失真信號(hào)的消除改變不夠明顯。

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而CALLUM受限于其反饋結(jié)構(gòu)，只能在窄帶通信系統(tǒng)中使用。

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經(jīng)過功率放大器輸出后進(jìn)行合成，正是這種合成使得效率和功率大大消減。

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在當(dāng)今的線性化技術(shù)中，各個(gè)技術(shù)都有其的優(yōu)缺點(diǎn)，為了彌補(bǔ)技術(shù)本身的缺點(diǎn)，通常可以把幾種技術(shù)結(jié)合起來(lái)，達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短的作用。

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比如就有包絡(luò)反饋預(yù)失真、RF反饋與前饋結(jié)合等技術(shù)的誕生。

EER（Envelope?EliminaTIon?and?RestoraTIon）技術(shù)?

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EER技術(shù)中射頻輸入信號(hào)的幅度和相位分開，相位信號(hào)經(jīng)過非線性功率放大器。?

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此類放大器工作在開關(guān)狀態(tài)，故從理論上來(lái)講會(huì)有100％的效率。

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同樣，幅度信號(hào)在被放大之前可以從射頻輸入信號(hào)分離出來(lái)。

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而在信號(hào)被放大的過程中，包絡(luò)信號(hào)又可以恢復(fù)到載波信號(hào)中，這是根據(jù)射頻功率放大器的偏置電壓做到的。

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幅度信號(hào)和相位信號(hào)在時(shí)間的要求方面要盡量一致。

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針對(duì)這一問題，故在相位信號(hào)支路加入延時(shí)線，力求根據(jù)控制該線的長(zhǎng)短來(lái)滿足上述要求。

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當(dāng)然EER技術(shù)本身也存在缺點(diǎn)。

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如前面所描述的那樣，當(dāng)包絡(luò)恢復(fù)到載波信號(hào)時(shí)，是根據(jù)調(diào)節(jié)射頻功率放大器的偏置電壓來(lái)完成實(shí)現(xiàn)的，其實(shí)調(diào)節(jié)漏極電壓來(lái)校正放大器的輸出信號(hào)的幅度時(shí)，相位本身也在變化。

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這樣就會(huì)把有用信號(hào)的頻譜延伸，從而消弱了射頻功率放大器的線性度。

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另外，包絡(luò)恢復(fù)反饋環(huán)路的動(dòng)態(tài)范圍也比較小。

審核編輯：劉清