有几种不同的功率放大器线性化技术可供使用。自电话通信诞生以来，放大器中的失真一直是一个问题，因此其中一些技术已经存在了相当长的时间。例如，Harold Black于1928年和1937年分别申请了前馈和反馈电路技术的专利。这两种技术最初是为最小化中继放大器中的失真而设计的，但从那时起，它们已被用于线性化射频功率放大器。
在本文中，我们将讨论前馈线性化技术。图1显示了前馈功率放大器（PA）系统的基本框图。
如我们所见，这种前馈安排实际上需要两个放大器。这种拓扑结构决定了主放大器添加的失真信号，并从系统的输出中减去它，以增强整体线性度。让我们探讨一下这个电路的工作原理。
输入信号被应用到两个不同的路径上。在上路径中，输入信号由主功率放大器放大。非线性放大器的输出可以看作是输入信号的线性副本和非线性引起的误差信号的和。因此，节点m处的电压可以表示为：
哪里:
Av 是功放的电压增益
Vd 是由放大器的非线性产生的误差信号。
框图中的垂直分支通过一个Av的因子衰减非线性功放的总输出，以产生节点n处的电压。从方程1，我们有：
从输入 Vin 减去 Vn，我们得到在节点 p 处失真信号的衰减版本：
从输入到第一个减法器的两条路径形成一个消除节点p处输入信号的回路。这被称为信号消除回路。
接下来，节点p的电压被施加到一个具有增益Av的误差放大器上，产生电压Vq = Vd。这为我们提供了失真信号Vd。最后，Vq从Vm中减去，产生输出电压：
输出电压约为增益乘以输入电压。
尽管放大器是非线性的，但整体输出是输入的线性复制品。前馈功放系统中的第二个环路被称为误差消除环路。
在第二环路中，放大器引入的任何跟踪误差在输出处都会未被补偿。因此，误差放大器的失真特性决定了系统的整体线性度。
在第一个减法器的输出处，信号被取消，我们只剩下失真成分。假设这个残余信号很小，误差放大器比主放大器更容易受到失真影响。然而，当信号幅度增加时，失真成分会迅速上升。例如，在放大器中，三阶失真会产生随着输入信号幅度立方增长的失真成分。
出于这个原因，尽管通常情况下是主放大器决定了整个系统的功率等级，但误差放大器的功率能力也是重要的设计考虑因素。它受到多个不同参数的影响，包括：
关于前馈功率放大器设计的更多信息，请参阅“无线通信中的射频功率放大器” 由 Steve Cripps 撰写。
误差放大器还应提供足够的输出功率以克服输出合成器的损耗。通常，这需要将误差放大器的尺寸与主功率放大器相当，这会增加系统的成本并降低其效率。
让我们回到图1。为了使我们对该电路的先前分析有效，通往减法器的路径必须具有完美的相位匹配，其相关组件必须具有完美的增益匹配。例如，如果从输入到第一个减法器的两条路径表现出不同的延迟，则无法进行信号消除。
在频率、温度和时间上需要进行准确的增益和相位跟踪。除此之外，回顾一下，放大器会引入一些信号路径的延迟。因此，我们需要引入两个延迟块来使相应路径的延迟相等。这在图2中有所说明。
在上述图中，延迟块τ1 用于补偿主放大器和衰减器引起的相移。同样，延迟块τ2 用于补偿误差放大器引入的相移。延迟块可以用被动的集中元件网络或传输线来实现。
然而，请记住，这些块会导致功率消耗并降低放大器的效率。设计宽带延迟块也是一项重大挑战。
图3显示了前馈功率放大器的更实际实现。
在这里，定向耦合器被战略性地利用来在电路中的关键节点采样和路由信号。系数cn和cn′分别表示每个耦合器的耦合因子和主线增益。
与我们之前分析的电路不同，这种安排在信号取消回路中缺乏一个明显的衰减器模块。相反，衰减效果是由放置在回路内的定向耦合器产生的。
图4展示了前馈功率放大器系统的另一种变体。在这个电路中，两个矢量调制器（VM）位于主放大器（MA）和误差放大器（EA）之前。
矢量调制器是一种可以控制射频信号的幅度和相位的设备。它将信号分为两个分量，称为同相和正交分量，这两个分量彼此相差90度。通过调整这些分量，图4中的矢量调制器匹配了环路的增益和相位。
自适应前馈功率放大器监控系统的线性性能，并相应地调整环路参数。图5显示了自适应前馈功率放大器的简化框图。
在这个例子中，在主放大器之前引入了一个导频信号。导频信号被视为前馈电路中的不需要的失真。理想情况下，它不应出现在最终输出中。这为我们评估放大器的线性性能提供了一种方法。
之后，存在多种算法通过微调信号取消和误差取消回路来优化性能。这些算法旨在确定能够最小化残余失真的控制参数。利用自适应前馈系统使我们能够实现比传统方法更低的失真水平。
与反馈方法相比，前馈技术具有多个优点。首先，它可以修正幅度和相位误差。然而，更为重要的是，即使其组成部分表现出显著的相移，前馈功率放大器系统本身也是稳定的。这种稳定性源于输出并不反馈到输入。
前馈方法的另一个重要好处是其宽频带。这种宽带功率放大器对于多载波无线通信是必不可少的，包括无线基站在内的通信。它也是一种相对低噪声的线性化技术。主放大器的噪声理想情况下会像失真一样被消除。
这使我们想到前馈系统另一个好处：它们几乎可以即时纠正失真误差。因此，它们不受通常与功率放大器相关的记忆效应的影响。记忆效应是一种现象，即功率放大器的输出会受到输入信号历史的影响。这会削弱预失真线性化技术的效果，我们将在未来的文章中讨论这一点。
总结起来，前馈功率放大器系统具有以下优点：
然而，它们也带来了一些缺点。正如我们前面提到的，模拟延迟元件的引入需要使用诸如微带线等被动元件。这些元件中的功率损失是一个关键问题。此外，输出减法器的构建需要使用低损耗组件——例如，高频变压器——以确保效率。
前馈线性化方法基于失真信号消除的原理。它通过确定失真信号，然后将其从非线性功放的输出中减去，从而校正信号。前馈系统非常适合需要宽频带的应用，因此它们是移动通信网络中的重要组成部分。
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