（電磁場與微波技術(shù)專業(yè)論文）一種新型doherty功放——adoherty功放的研究與實現(xiàn).pdf

摘要 摘要 本論文是作者在華為公司實習(xí)期間，根據(jù)公司擬定的工作內(nèi)容，結(jié)合學(xué)校及 指導(dǎo)老師的要求，依據(jù)所從事的實際工作內(nèi)容來撰寫完成的。 現(xiàn)代無線通訊技術(shù)給我們的日常生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了翻天覆地的變化。 功率放大器是無線通訊系統(tǒng)中最重要的模塊之一，隨著無線通訊技術(shù)的快速 發(fā)展，對功率放大器的性能也隨之提出了越來越高的要求。在功率放大器的眾多 指標(biāo)中，飽和輸出功率、效率以及線性最為射頻工程師所關(guān)注，提高這些指標(biāo)的 性能，始終是射頻工程師孜孜追求的目標(biāo)。 d o h c r t y 功放技術(shù)即是眾多提高功放效率技術(shù)中的一種。因為其由兩個功率管 組成，所以這種技術(shù)同時也可以提高功放的飽和輸出功率，再結(jié)合數(shù)字預(yù)失真 ( d p d ) 技術(shù)用于提高線性，使得該技術(shù)擁有明顯的優(yōu)勢，成為當(dāng)前功放技術(shù)的 主流。世界范圍內(nèi)的很多大型通信設(shè)備制造商，諸如愛立信、諾基亞一西門子、阿 爾卡特一朗訊、高通、華為、中興等，其基站產(chǎn)品中都不f f _ d o h c r t y 功放的身影。 作者在華為公司從事d o h c r t y 功放研究和設(shè)計的工作過程中，發(fā)現(xiàn)這種技術(shù)存 在兩個方面的缺陷，這兩種缺陷對功放的飽和輸出功率和效率均有不同程度的影 響，為了改善該缺陷，業(yè)界提出了改進(jìn)型d o h c r t y 功放結(jié)構(gòu)a d o h e r t y ( 即非對 稱d o h e r t y ) 功放，a d o h c r t y 功放大體有四種實現(xiàn)方式，為了驗i 正a - d o h c r t y 功放 的實際性能，筆者取其中的兩種形式相結(jié)合，實現(xiàn)了種新型a - d o h c r t y 功放，按 照如下指標(biāo)要求設(shè)計并加工出若干塊功放單板，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，使其性能達(dá)到最 優(yōu)，并與傳統(tǒng)對稱d o h e r t y 功放( 相對于a - d o h c r t y 功放而言) 加以對比。實踐證 n a - d o h e r t y z j 3 放完全可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，在線性沒有明顯惡化的情況下，較大幅 度的提高了功放效率，具有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)對稱d o h e r t y 功放的性能。 在整個課題的實施過程中，作者的主要工作有： 1 指出傳統(tǒng)對稱d o h e r t y 功放存在的兩點不足， 2 提出a d o h e r t y 功放的一種新的實現(xiàn)形式， 3 按照指標(biāo)要求選擇器件并設(shè)計a - d o h c r t y 功放， 4 對a - d o h e r t y 功放進(jìn)行a d s 仿真，在理論上加以驗證， 5 設(shè)計、加工a - d o h c r t y 功放單板，并進(jìn)行調(diào)試，測試其性能， 摘要 6 把a(bǔ) - d o h c r t y 功放單板測量結(jié)果與傳統(tǒng)對稱d o h c v t y 功放單板測量結(jié)果以及 a - d o h c r t y ：r j j 放仿真結(jié)果分別進(jìn)行比較，并對實測結(jié)果以及比較結(jié)果加以分析。 關(guān)鍵詞：d o h c r t y 功放，a - d o h c r t y 功放，線性，效率，飽和輸出功率 a b s t r a c t a b s t r a c t d u r i n gt h ep r a c t i c u mp e r i o di nh u a w c i ，a c c o r d i n gt ot h ec o m p a n y sw o r kt o d e v e l o pt h ec o n t e n to f t h es c h o o la n dt h eg u i d a n c eo ft h et e a c h e r sr e q u e s t ，b a s e do i l t h ea c t u a lw o r km v d v e dt h ea u t h o r tc o m p l e t e dt h i sp a p e r m o d e mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt oo u rd a i l yl i v e sa n de c o n o m i c d e v e l o p m e n th a su n d e r g o n ee n o n l l o u $ c h a n g e s p o w e ra m p l i f i e r si nc o m m u n i c a t i o ns v s t e l n sr l e 也em o s ti m p o r t a n to l l eo ft h e m o d u l e s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw i t ht h er a p i dd e v d o p m e n to fp o w e r a m p l i f i e rp e r f o r m a n c eh a v ea l s op u tf o r w a r dm o r ea n dm o r ed e m a n d s p o w e ra m p l i f i e r a tt h em a n yi n d i c a t o r s ，t h es a t u r a t i o no u t p u tp o w e r , e f f i c i e n c ya n dl i n e a r i t yo fr f e n g i n e e r st h em o s ta t t e n t i o n ，i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h e s ei n d i c a t o r si sa l w a y sr f e n g i n e e rd i l i g e n t l yp u r s u e d o h e r t ya m p l i f i e ri so n eo ft h em a n yt e c h n o l o g i e st h a ti m p r o v ee f f i c i e n c yp o w e r a m p l i f i e rt e c h n o l o g i e s b e c a u s eo fi t sp o w e rf r o mt w ot u b e s ，s ot h i st e c h n o l o g yc a n a l s o i m p r o v e t h es a t u r a t i o no u t p u tp o w e ra m p l i f i e rc o m b i n e dw i t hd i g i t a l p r e d i s t o r t i o n ( d p d ) t e c h n o l o g yt oi m p r o v el i n e a r i t y , m a k i n gt h et e c h n o l o g yh a sa c l e a ra d v a n t a g e ，h a sb e c o m et h ea m p l i f i e rt e c h n o l o g ym a i n s t r e a m al o to fw o r l d w i d e l a r g e s c a l em a n u f a c t u r e r so fc o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n t , s u c ha se r i c s s o n ，n o l i a s i e m e n s ，a l c a t e l - l u c e n t ，q u a l c o m m ，h u a w e i ，z t e ，e t c ，a n di t sb a s es t a t i o np r o d u c t s t h a ta r et h e r ei sn ol a c ko f d o h e r t ya m p l i f i e rf i g u r e t h ea u t h o re n g a g e di nd o h e r t yp o w e ra m p l i f i e rr e s e a r c ha n dd e s i g nw o r ko ft h e c o u r s ea n df o u n dt h a tb o t ht h et e c h n o l o g yg a p se x i s t ，t h e s et w os h o r t c o m i n g so ft h e p o w e ra m p l i f i e rs a t u r a t i o no u t p u tp o w e ra n de f f i c i e n c yo ft h ei m p a c to fv a r y i n g d e g r e e s ，i no r d e rt oi m p r o v ei t sp e r f o r m a n c e ，r e s p o n s et ot h eq u e s t i o no fi t se x i s t e n c e ， t h ei n d u s t r yp u tf o r w a r dam o d i f i e dd o h e r t ya m p l i f i e rs t r u c t u r e a - d o h e r t y ( t h a ti s ， n o n s y m m e t r i c a ld o h e r t y ) a m p l i f i e r , a d o h e r t ya m p l i f i e rh a sf o u ri m p l e m e n t a t i o n m e t h o d si no r d e rt ov e r i f ya - d o h e r t ya m p l i f i e r sa c t u a lp e r f o r m a n c e ，it a k e f o u r a - d o h e r t ya m p l i f i e ri nc o m b i n a t i o no ft w of o r m s ，an e wi m p l e m e n t a t i o no fa - d o h c r t y i i i a b s t r a c t a m p l i f i e r , i na c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n t so ft h ef o l l o w i n gi n d i c a t o r st od e s i g n a n dp r o c e s s i n go ft h eb l o c ko u tc e r t a i nt y p e so fr e a c t i v ef a n gs b c ，t h r o u g hr e p e a t e d t e s t i n g ，o p t i m i z a t i o n ，s o t h a tt oa c h i e v eo p t i m a l p e r f o r m a n c ew i t h t r a d i t i o n a l s y m m e t r i c a ld o h e r t ya m p l i f i e r ( a so p p o s e dt oa d o h e r t ya m p l i f i e ri nt e r m so ob e c o m p a r e d p r a c t i c eh a sp r o v e dt h a ta - d o h e r t ya m p l i f i e rc a nb ea c h i e v e dt h ed e s i r e d o b j e c t i v e ，w i t ho b v i o u s l ys u p e r i o rt ot h et r a d i t i o n a ls y m m e t r i c a ld o h e r t ya m p l i f i e r p e r f o r m a n c e a tt h ew h o l ei s s u eo f t h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s s ，t h ea u t h o r sm a i nj o bt h e r ei s ： 1 p o 硫e do u tt h a tt h et r a d i t i o n a ls y m m e t r i c a ld o h e r t ya m p l i f i e re x i s t e n c el e s st h a nt w o p o i n t s 2 a - d o h e r t ya m p l i f i e rm a d eo faf l e wf o r mo fi m p l e m e n t a t i o n 3 t h ei n d i c a t o rd e v i c ei na c c o r d a n c e 、撕lt h es e l e c t i o na n dd e s i g na - d o h e r t y a m p l i f i e r 4 0 f a - d o h e r t ya m p l i f i e rf o ra d ss i m u l a t i o n , i nt h e o r y , b ev a l i d a t e d 5 d e s i g np r o c e s s i n ga - d o h e r t ya m p l i f i e rv e n e e ra n dd e b u g g i n g ，t e s t i n gi t sp e r f o r m a n c e 6 p u ta - d o h e r t ya m p l i f i e rp c bm e a s u r e m e n tr e s u l t sw i t ht h et r a d i t i o n a ls y m m e t r i c a l d o h e r t ya m p l i f i e rp c bm e a s u r e m e n tr e s u l t s ，a sw e l l a s a - d o h e r t ya m p l i f i e r s e p a r a t e l yt oc o m p a r es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dm e a s u r e dr e s u l t s ，a sw e l la st h er e s u l t s o ft h ec o m p a r i s o na n a l y s i s k e yw o r d s ：d o h e r t ya m p l i f i e r , a - d o h e r t ya m p l i f i e r , e f f i c i e n c y , l i n e a r , s a t u r a t i o n o u t p u tp o w e r i v 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地 方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含 為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明 確的說明并表示謝意。 簽名： 盤塞亟 日期：年月e l 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文 的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁 盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(xué)位論文 的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或 掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名：殷鑫越 導(dǎo)師簽名： 乏亟墨叁 日期：礦紗廠年j 月 日 f 第一章緒論 1 1 功率放大器概述 第一章緒論 在無線通信系統(tǒng)的發(fā)射模塊中，功率放大器用于發(fā)射機(jī)的末級，見圖1 1 。 其作用是將高頻已調(diào)波信號進(jìn)行功率放大，以滿足發(fā)送功率的要求，然后經(jīng)過天 線將其輻射到空間，保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)可以接收到滿意的信號電平，并 且不干擾相鄰信道的通信。 b a , s d a a n dl 叫i - - _ j v g 卜 亂 ，) 咕 旦卜 b a s e 4 鹼n d q 2 c 蕊 衛(wèi) l k s m a a t l i 器 岳 沁葑 妒 b 雹電k 喇q 弘匿k 心 圖1 - 1 功放在無線通信收發(fā)系統(tǒng)中所處的位置1 1 1 功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送部分的重要組件，為了適應(yīng)大批量商用，對基 站功率放大器提出了如下的要求：可靠性高，這往往是系統(tǒng)的瓶頸：效率高，常 常占據(jù)基站整機(jī)功耗的很大比例；線性度好，為了避免失真，基站越來越多采用 線性功放；成本低，往往占基站成本很大一部分比例；體積小，一般占據(jù)系統(tǒng)較 大部分；可維護(hù)性強(qiáng)，許多是獨立模塊，有監(jiān)控保護(hù)功能：易生產(chǎn)，盡量降低裝 配調(diào)試難度。由于無線帶寬異常緊張，各種新技術(shù)要求在很窄的頻段內(nèi)傳送盡量 多的數(shù)據(jù)，就必須有復(fù)雜的調(diào)制方式，因此對功率放大模塊的線性度提出很高的 要求，在大多數(shù)現(xiàn)代的調(diào)制技術(shù)如w c d m a 中，都運(yùn)用了非恒包絡(luò)調(diào)制方式，并 且峰值和平均值相差較大，為了滿足線性度的要求，往往采用一定功率回退的方 法來達(dá)到線性度的提升，隨著功率的回退，放大器的效率就會大大的降低，射頻 功率放大器的線性化和高效率之間是相互矛盾的f 2 刪，而這兩個指標(biāo)又是射頻功率 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 放大器中最為人們關(guān)注的焦點，且因為射頻功率放大器在整個基站設(shè)備中的重要 地位，導(dǎo)致關(guān)于射頻功率放大器的研究成為業(yè)界的熱點，得到越來越廣泛的研究 和重視。 1 2 功率放大器主要技術(shù)指標(biāo) 1 2 1 功率放大器的工作頻率范圍 放大器的工作帶寬是指功率放大器滿足各級指標(biāo)的工作頻率范圍。放大器的 實際工作頻率范圍可能會大于定義的工作帶寬。按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶 高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，窄帶高頻功率放大器通常以具有選 頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調(diào)諧功率放大器或諧振功率放大 器；寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因 此又稱為非調(diào)諧功率放大器【4 j 。 本文中設(shè)計到的功率放大器應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中w c d m a 基站，工作頻率 范圍為2 1 1 0 z 一2 1 7 0 z 。 1 2 2 功率放大器的增益 功率放大器的增益代表了放大器對輸入信號的放大能力， 其表達(dá)式為卯： g - 1 0 怕g 搿( 扭) 或 g ( a s ) = 輸出功率( d b m ) 一輸入功率( d b m ) 1 2 3 功率放大器的增益平坦度 一般用g 來表示。 它定義為放大信號輸出幅度隨頻率的變化量。它用于工作頻率范圍內(nèi)最大輸 出幅度與最小幅度( 用d b 單位) 差值表示。該差值即是用d b 表示的放大器輸出幅度 隨頻率變化的峰一峰值。例如，要求帶內(nèi)波動小于等于0 3 d b 時，可表示為g 0 3 d b 應(yīng)指出，該指標(biāo)不計入幅度隨溫度的變化量。當(dāng)放大器件確定后，放大 器幅頻特性主要決定因素是輸入、輸出、級間匹配特性。定義為： 2 第一章緒論 a g = g 一( r i b ) - ( 棚) ( 1 2 ) 其中和g 血為功放在工作頻率范圍內(nèi)的最大增益和最小增益。如圖1 - 2 o r 一 所不： j g 懈 二悉二2 g q t 又 1 圖1 2 功率放大器的增益平坦度 1 2 4 功率放大器的線性 線性是功率放大器的一項重要指標(biāo)。功放大部分時間工作在大信號狀態(tài)下， 且功率管對原始信號進(jìn)行的放大是非線性的。衡量非線性的參數(shù)有交調(diào)失真、互 調(diào)失真、諧波失真、幅度失真、相位失真等。其中影響最嚴(yán)重的是三階交調(diào)失真。 在通信系統(tǒng)中最常用“臨近信道功率比 ( a d j a c e n tc h a n n e lp o w e rr a t i o ，簡稱 a c p r ”) 來衡量功率放大器的非線性程度。 1 2 5 功率放大器的效率 功率放大器的效率是指功放管將直流功率轉(zhuǎn)換成射頻功率的效率。它有兩種 表示形式：漏極效率刁和功率附加效率p a e 。 其中，漏極效率定義為輸出的射頻功率與所消耗的直流功率的比。 叩= 蔫篙勰燦。 m 3 ， 1 消耗的直流功率( ) 一 。 功率附加效率定義為輸出射頻功率減去輸入的射頻功率，然后再除以消耗的 3 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 直流功率，功率附加效率更能體顯功放管的功率轉(zhuǎn)換能力。 p a e = 塑些墅塑萼童：；蘭! 三摯全塾塑塑奎竺! 1 0 0 ( 1 _ 4 ) = 一x i u u 7 o l - tj 消耗的直流功率( 形) ” 1 2 6 功率放大器的飽和輸出功率 飽和輸出功率即功放管的最大輸出功率。 當(dāng)輸入功率較低時，輸出功率和輸入功率成線性比例關(guān)系。然而，當(dāng)輸入功 率超過一定的量值之后，晶體管的增益開始下降，最終結(jié)果是輸出功率達(dá)到飽和。 當(dāng)放大器的增益偏離線性范圍，比其小信號增益低l d b 時，此點就被成為l d b 壓 縮點，對于功放通常取l d b 壓縮輸出點。同理可以定義3 d b 壓縮點，如圖1 3 所 示。工程上習(xí)慣將3 d b 壓縮點作為功放的飽和輸出功率。 圖1 3p 1 曲壓縮點、p 3 衄壓縮點示意圖 1 3 功率放大器的工作狀態(tài)分類 功率放大器根據(jù)工作狀態(tài)可分為a 類，a b 類，b 類，c 類，d 類，e 類，f 類功放。在功率放大器的運(yùn)用中，工作狀態(tài)的確定跟放大器的非線性和效率有著 密切關(guān)系，在本文a - d o h e r t y 功率放大器設(shè)計中主要涉及到a 類、a b 類、b 類 和c 類功放。如圖1 _ 4 所示，下面就對這四種工作狀態(tài)結(jié)合l d m o s 管作一簡單 4 第一章緒論 介紹。 ，、 零 - 一 、 o c 皇 u t 1 i 圖l - 4 功率管工作導(dǎo)通角與效率之間的關(guān)系 1 3 1a 類功率放大器 在a 類工作狀態(tài)下，功放管總是工作在放大區(qū)，此種情況下，功率管的輸入 信號整個周期都是導(dǎo)通的( 放大區(qū)) ，或即導(dǎo)通角為3 6 0 度。如圖卜5 所示，直流 偏置點一般設(shè)置在截至點和飽和點中點附近，a 類放大器和其他類型的放大器相 比能夠提供最佳的線性度，但缺點是效率較低。 圖1 - 5a 類功放負(fù)載線和輸出電流、電壓波形 6 】 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 2b 類功率放大器 圖i - 6 推挽形式場效應(yīng)管b 類功率放大器【6 】 在b 類工作狀態(tài)下，功放只有半個周期工作在放大區(qū)( 導(dǎo)通) ，另外半周期截 至，即導(dǎo)通角為1 8 0 度，b 類功放在靜態(tài)時電源不消耗功率，因此效率較a 類放 大器大大提高，理論上可達(dá)到7 8 5 。在b 類工作狀態(tài)下，直流偏置點設(shè)置在截 至點上。b 類放大器一般都做成推挽形式，兩個半波在負(fù)載上合稱為一個正弦波， 所以仍視為線性放大器。但由于p 型雙極型晶體管一般不易作成高速，因此在射 頻段常采用如圖1 6 所示的兩只n 溝場效應(yīng)管構(gòu)成的b 類功率放大器電路。 1 3 3a b 類功率放大器 b 類功放的效率雖然高于a 類功放，但非線性失真卻比a 類功放大，尤其是 輸入信號較小時，b 類功放的非線性失真嚴(yán)重，這是因為導(dǎo)通電壓所致的交越失 真，為了解決這一問題，可將功放管設(shè)置一定的放大偏置，使功放管工作時導(dǎo)通 時間在半個周期以上( 導(dǎo)通角大于1 8 0 度) ，如圖1 7 所示，此類功放稱之為a b 類功放，a b 類功放失真小于b 類功放，效率小于b 類功放。 圖1 7a b 類功率放大器【6 】 6 甘 鏟 第一章緒論 1 3 4c 類功率放大器 功率放大器的導(dǎo)通時間小于半周期的功放管稱為c 類功放，在此中放大器中， 導(dǎo)通角小于1 8 0 度，雖然c 類放大器在四類放大器中非線性失真是最嚴(yán)重的，但 是其效率最高，在射頻電路中結(jié)合選頻電路也得到了廣泛的應(yīng)用。如圖卜8 所示 ， 7 扣一 i i l 、 佃； i ：一 奄 少y 二 耳 、 、 叫，) 圖1 8c 類功放集電極電流f 6 】 在本文中提到的d o h c r t y 以及a d o h e r t y 功放技術(shù)中，主要涉及到a b 類和c 類兩種工作模式。 1 4 提高功放效率的幾種技術(shù) 前面已經(jīng)提到過，效率是功放設(shè)計工程師從事功放設(shè)計時最關(guān)注的指標(biāo)之一， 因此追求更高的效率可以說是工程師們“永恒的追求 。當(dāng)前業(yè)界用于調(diào)高放大器 效率的技術(shù)主要包括，k a h n 包絡(luò)分離和恢復(fù)技術(shù)，包絡(luò)跟蹤( e t ) 技術(shù)，l i n c 技術(shù)以及d o h e r t y 技術(shù)等。下面就前幾種提高效率技術(shù)的基本原理作一簡單描述， d o h e r t y 功放技術(shù)將在接下來的章節(jié)中作更詳細(xì)透徹的闡述。 1 4 1k a h n 包絡(luò)分離和恢復(fù)技術(shù) k a h n 包絡(luò)分離和恢復(fù)技術(shù)首先由勛h n 在1 9 5 0 年研發(fā)出來用于改善短波廣播 發(fā)射機(jī)的效率川，與線性功率放大器不一樣，k a h ne e r 發(fā)射機(jī)具有輸出功率電平 回退的整個動態(tài)范圍內(nèi)的高效率的特點，平均效率要比傳統(tǒng)的線性放大器高3 - 5 倍8 捌，傳統(tǒng)的模擬k a h n 包絡(luò)分離和恢復(fù)方案中，需要專門的器件來分離振幅( 包 7 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 絡(luò)) 和r f 相位調(diào)制信號，一種類型的功率放大器負(fù)責(zé)包絡(luò)信號放大，而另一類功 率放大器則饋入常數(shù)包絡(luò)r f 信號，如圖3 - 1 所示，常包絡(luò)r f 信號能使用b 類、e 類、 或f 類等高效率工作模式進(jìn)行放大，不必考慮線性的失真。功率放大器最后一級 的振幅調(diào)制恢復(fù)相位調(diào)制載波信號的包絡(luò)，產(chǎn)生輸入信號幅度的復(fù)制。為了減小 相位和振幅的“對不準(zhǔn) ，延遲線是必要的加入輸出包絡(luò)反饋電路可減小互調(diào)失 真【1 0 1 。無線應(yīng)用的現(xiàn)代發(fā)射機(jī)中，包絡(luò)和相位調(diào)制信號使用數(shù)字信號處理( d s p ) 技術(shù)，很容易分開產(chǎn)生，如圖1 - 9 所示。這樣具有常數(shù)包絡(luò)的相位調(diào)制信號使用直 接或二次變換方案上變頻到希望輸出的r f 頻率上，對于直接變換方案，包含由相 位信息的基帶信號直接調(diào)制到i 江載波上。 簡而言之，k a h n 包絡(luò)分離和恢復(fù)技術(shù)就是將含有信息的包絡(luò)信號和常數(shù)r f 信號分別進(jìn)行放大，然后再合成的一種用于提高效率的技術(shù)。 ( a ) ( b ) 圖1 - 9k a h ne e r 發(fā)射框圖 8 第一章緒論 1 4 2 包絡(luò)跟蹤( e t ) 技術(shù) 包絡(luò)跟蹤( e n v e l o p et r a c k i n g ) 技術(shù)，就是利用放大器功率管工作在飽和狀態(tài) 時其效率高的原理來實現(xiàn)高效率的目的。功率放大器的集電級( 漏極) 效率可由下 式分析得到： p1 礦， 7 7 = 坦= 衛(wèi)芝業(yè)( 1 5 ) 。 氣2 d c 式中p i 曠l 2 木v d k 是基波輸出功率，p d c = i d c 是消耗的直流功率。v r f 是漏極( 集 電極) 基波電壓振幅，i i u f 是基波電流幅度，i d 。是消耗直流電流，u 漏極( 集電 極) 直流供電電壓。當(dāng)導(dǎo)通角一定時，基波電流i r f 與消耗的直流電流i d c 之間的 比值是一個常數(shù)。因此放大器的效率取決于基波電壓幅度v r f 與漏極( 集電極) 供電電壓v d c 之間的比值，當(dāng)輸出的漏極電壓幅度v r f 一定時，就可以通過降低 漏極( 集電極) 供電電壓或者增加負(fù)載電阻的方式來實現(xiàn)效率的提升了。 因為集電極效率正比于基波電壓振幅與直流供電電壓之比，假設(shè)負(fù)載和直流 供電電壓保持為常數(shù)，輸出功率比峰值功率低1 0 d b ，這個比值會變得非常小，但 是，一般情況下對c d m a 2 0 0 0 或w c d m a 發(fā)射機(jī)而言，輸出功率變化的動態(tài)范 圍大約8 0 d b ，需傳遞信號的基波的最大統(tǒng)計平均發(fā)射功率也比峰值輸出功率低 1 5 2 5 d b 。因此，包絡(luò)跟蹤技術(shù)對輸出功率寬動態(tài)范圍工作，功率放大的增加效 率是非常有用的，所謂的包絡(luò)跟蹤就是根據(jù)r f 信號包絡(luò)改善直流供電電壓。 v e e 圖i - 1 0 具有數(shù)字控制的功率放大器包絡(luò)跟蹤方框圖 圖1 1 0 所示為模擬控制的功率放大器包絡(luò)跟蹤方框圖，包絡(luò)檢波器用于檢測 輸入信號的包絡(luò)1 3 1 ，方案中用了d c d c 變換器，可以對線性功率放大器的供 9 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 電電壓進(jìn)行動態(tài)控制，延遲線是必須的，用以補(bǔ)償由于包絡(luò)反饋途徑引起的包絡(luò) 和r f 信號之間的相位“對不準(zhǔn) 。與k a h ne e r 技術(shù)不一樣，包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)由線 性功率放大器，沒有限幅器 1 4 3l in c 技術(shù) l i n c 技術(shù)的前身是異向功率放大器，于1 9 3 5 年研發(fā)出來，用于改善調(diào)幅廣 播發(fā)射機(jī)的效率和線性度【14 】。很長時間以后，該技術(shù)被擴(kuò)展用于微波頻率，名稱 改為l i n c ，全稱是“使用非線性元件的線性放大器 ( 血e 盯a m p l i f i c a t i o nu s i n g n o i l l i n e 盯c o m p o n e n t ) 1 5 】。l i n c 發(fā)射機(jī)的原理十分簡單，有點類似于k a h n 包 絡(luò)分離和恢復(fù)技術(shù)，d s p 產(chǎn)生兩個獨立的幅度和相位調(diào)制信號，每個信號都取正 交( i - q ) 格式。這兩個信號由i - q 調(diào)制器上變頻，產(chǎn)生兩個獨立的調(diào)相信號，分別 加到高效率輸出功率放大器上，然后在輸出端與放大的f m 信號合成。信號通過 1 8 0 度反相合成使所有不希望的失真對消，通過同相合成使所有需要的信號疊加。 這一方法的難點在于d s p 產(chǎn)生原始正交信號對，它是功放輸出端進(jìn)行上述對消和 疊加所要求的。這種提升效率和線性化技術(shù)另一個關(guān)注方面是要求對兩個通道進(jìn) 行幅度和相位的匹配，為了獲得最佳的性能，對此必須嚴(yán)格控制。 圖1 1 1 ( a ) 給出了一種簡單的l i n c 功率放大系統(tǒng)【l6 】。輸入的振幅調(diào)制信號 通過信號分量分離器( s i g n a lc o m p o n e n ts e p a r a t o r ，s c s ) 產(chǎn)生兩個恒包絡(luò)，具有不 同相位+ 甲( t ) 和甲( t ) 的兩個正弦信號。這兩個信號被非線性功率放大器放大再疊加 在一起產(chǎn)生輸出振幅調(diào)制信號。峰值輸出功率當(dāng)甲( t ) = 9 0 0 時得到，此時從從功率 放大的電流具有相同的振幅i l - - i l = 1 2 ，然后同相相加，類似推挽工作。零輸出功率 ( a ) l o e o s ( 9 t ) 卜，) 醞慧囂貉 一二=端ar的cs電in壓(幅v值z；v覘地哪ep)是對應(yīng)峰值包絡(luò)功率時三：荽 技術(shù)一麓黔毗：一 圖i 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 5d o h e r t y 功放的歷史和現(xiàn)狀 1 5 1 d o h e r t y 功率放大器的歷史 1 9 3 6 年，貝爾實驗室的w h d o h c r t y 提出d o h c r t y 電路的概念。該電路最初 是應(yīng)用于真空管中。為低平均效率的傳統(tǒng)振幅調(diào)制提高效率的替代品。 1 9 3 8 年，d o h e r t y 電路首次被商用于一個5 0 千瓦的發(fā)射機(jī)，在路易斯安娜， 肯州。圖1 - 1 3 就是d o h e r t y 電路早期被應(yīng)用于真空管放大器的原理圖【1 刀。 圖1 1 3d o h e r t y 功率放大器最初的模型 之后的很長一個時期內(nèi)，人們對d o h e ! n y 技術(shù)的關(guān)注熱情有所減弱，直到近些 年將d o h c r t y 功放技術(shù)引入微波領(lǐng)域后，才引起工程師們的極大關(guān)注。 1 5 2d o h e r t y 功率放大器的現(xiàn)狀 當(dāng)前在業(yè)界，d o h c m y 功放技術(shù)在基站功放中占據(jù)著主流地位，包括國外的愛 立信、阿爾卡特一朗訊、摩托羅拉，國內(nèi)的華為、中興等各大無線通信設(shè)備制造商， 幾乎都采用t d o h m y 功放技術(shù)提高效率，同時提高其產(chǎn)品的市場競爭力。前幾年， 以d o h e r t y 功放技術(shù)提高效率，配合前饋技術(shù)( f e e d f o r w o a r d ) 提高功放的線性， 曾成為基站功放技術(shù)的典范，但是由于前饋技術(shù)存在的效率低、生產(chǎn)難度大、體 積大、可靠性低以及成本高等缺點，近幾年逐漸由數(shù)字預(yù)失真技術(shù)( d p d ) 所取 代?，F(xiàn)在，以d o h e r t y 功放提高效率，結(jié)合d p d 技術(shù)提高線性的做法，已成為全球 各大通訊設(shè)備制造商應(yīng)用的主流技術(shù)模式。d o h c r t y 功放被業(yè)界普遍認(rèn)為是提高效 率最有前景的一種結(jié)構(gòu)。 1 2 第一章緒論 1 6 本論文的選題 本論文的選題來源于電子科技大學(xué)與華為技術(shù)有限公司的合作。作者在華為 技術(shù)有限公司實習(xí)期間，從事傳統(tǒng)對稱兩路d o h e r t y 功放的改進(jìn)型之一 一一a - d o h 咖功放的研究與設(shè)計工作，本論文即是作者在該項工作的基礎(chǔ)上，結(jié) 合理論分析撰寫完成的。a - d o h e r t y 功放與傳統(tǒng)對稱d o h e r t y 功放有所不同，它 的主體部分由兩個不同功率管組成d o h e r v y ，且輸入功率在兩個不同的功放管之 間的功率分配也是不相等的，實現(xiàn)了“雙重”的非對稱。 本課題是用兩個不同的l d m o s 管實現(xiàn)一個7 6 瓦用于w c d m a 基站的新型 a - d o h e r t y 功放，其主要設(shè)計指標(biāo)為： 1 平均輸出功率7 6 w ，峰值功率4 1 7 w ， 2 中心工作頻率2 1 4 0 m h z ，帶寬6 0 m h z ， 3 在7 6 w 輸出功率下，漏極效率大于4 2 ， 4 飽和功率回退7 4 d b 、7 6 w 輸出功率下，校正后的a c p r 小于一5 8 d b c ， 5 帶內(nèi)增益平坦度小于l d b ， 6 增益大于1 2 d b 。 1 3 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章傳統(tǒng)對稱d o h e r t y 功放的基本理論 2 1 有源負(fù)載牽引理論 有源負(fù)載牽引技術(shù)是d o h e n y 功放技術(shù)中最顯著的一個特點。因此，在具體 講解d o h e r t y 功放理論前，有必要先闡述一下有源負(fù)載牽引技術(shù)。 ! ! - ! 至 _ _ - - - _ i - _ l - - _ _ _ l - - - i _ 二i - - - - g e n1 g e n2 圖2 - 1 有源負(fù)載牽引原理圖【1 8 1 有源負(fù)載牽引技術(shù)可以由圖2 1 說明。當(dāng)源2 輸出電流時，源1 的內(nèi)阻會隨 之變化，運(yùn)用電路分析詳細(xì)推導(dǎo)如下： 當(dāng)源2 和源1 同時為負(fù)載r 提供電流時，r 上的電壓可以表示為： 、，：= r 厶+ 厶】 ( 2 - 1 ) 源1 的內(nèi)阻可表示為： 墨礎(chǔ) 半】 同理，源2 的內(nèi)阻可表示為： 是叫警】 上面的式子可以推廣到高頻段，如圖2 - 2 所示， 位幅度的形式，式( 2 - 2 ) 可以表示為： 1 4 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 此時，電流電壓可表示為相 第二章傳統(tǒng)對稱d o h e r t y 功放的基本理論 z l = r 1 + 魯】 ( 2 - 4 ) 這樣，z 1 可根據(jù)1 2 i l 變化而變化，當(dāng)1 2 i l 相位相同時，z l 變大；當(dāng)1 2 i l 相 位相反時，z i 變小如果源被晶體管的跨導(dǎo)代替的話，負(fù)載牽引的概念可以運(yùn)用 到晶體管放大器中。這樣，當(dāng)兩個晶體管并行連接，通過適當(dāng)設(shè)置一個晶體管的 偏置，根據(jù)提供電流的大小和相位而改變另一個晶體管的內(nèi)阻。此概念可應(yīng)用于 d o h c r t y 電路中，在d o h c r t y 電路中兩個晶體管的偏置不同，采用的晶體管的型號 也可以不同。 2 2d o h e r t y 功放效率公式的推導(dǎo) g e r l1 “m a i n ” z lz 仃z 2 d e 、，i c ec u r r e n ( f u n d a m e n t a l c o m p o n e n t a m p l i t u d e ) g e n2 。a u x i l ” i n p u td r i v e ( v o l t a g ea m p l i t u d e ) 圖2 3 隨輸入電壓的增加載波、峰值功放管射頻電流的變化 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 d o h e r t y 功放的主要作用就在于在很大程度上提高了功放的效率。圖2 2 給出 j d o h e r t y 3 ：j 3 放的工作原理，圖2 3 給出了隨輸入電壓的增加，載波和峰值功放管 射頻基波電流的幅度變化。在這里假定電流特性可以通過功放管的夾斷特性或輸 入電壓幅度等得以控制，設(shè)每個功率管具有相同的最大線性電流幅度i 麟，那么最 大線性基波電流幅度則為i 一2 值得注意的是，圖2 - 2 中載波功放和負(fù)載間的m 長度的傳輸線具有阻抗變換線的作用，由式( 2 - 4 ) 可知當(dāng)1 2 增加時，z l t 變大，經(jīng) 過批阻抗變換線后，載波功放管看到的輸出阻抗變小?；赝诵∮? d b 時，兩個功 放管都工作，由圖2 3 可知各自的射頻電流幅度可由下式表示： j = 手1 + ( 2 - 5 ) i ，= 二生f 一 其中，三介于0 和1 之間，回退6 d b 時取毛= o ，回退0 d b 時取毛= 1 由式( 2 - 4 ) 的負(fù)載牽引關(guān)系，可以得出負(fù)載兩邊的阻抗分別為 z ”= 爭 每， 像6 ， z ：= 爭c + 爭， 2 、 ， 輸入最大功率時，i r r = 1 2 = i m x 2 ，所以z l t = z 2 = 腳，p , 嘏- r 作類型中最優(yōu)負(fù)載阻抗， 例如對于工作在b 類的功放管， r o p t = 乒) ( 2 7 ) 批波長線的特性阻抗為歷，其具體值待定，其輸入輸出端的電壓電流關(guān)系為： 巧r 厶r = k 喏，c 爺乏 q 。8 在m 波長線的輸入輸出端存在著9 0 0 的相位差，上式中并沒有包含該項。由式( 2 8 ) 可得出 r = k k - - ( 2 9 ) 代入式( 2 - 6 ) 中，得到 1 6 第二章傳統(tǒng)對稱d o h e r t y 功放的基本理論 恥譬( + 簪) 因此，載波功放看到的輸出阻抗為 驢瓦z 25 麗2 z 軍2 r 載波功放的輸出射頻電壓幅度為 孕舞 考慮到與輸入電壓幅度相關(guān)的系數(shù)毛，由式( 2 5 ) 可得 z ；( 每) ( 1 + 毋 ， 巧= 生了一 善( 三警) z r ( 1 + 午) 進(jìn)一步整理，得 州臺( 爭v 弛一) 】 如果令z f ，則載波( 主) 功放的電壓就成為與毛無關(guān)的函數(shù)， 成為一個常數(shù) k = 每) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) 輸出電壓幅度 ( 2 1 5 ) 結(jié)合式( 2 - 7 ) ，理想的最大電壓波動為 由式( 2 - 8 ) ，通過負(fù)載阻抗的電壓v l t 可以通過主功放的電流i l 來計算， k ，五r = k 厶 印c 爭= z ； q 1 6 得出 單= 罐j l 腳2 協(xié) 所以 1 7 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 k r = z r ( 2 18 ) 令z t = 陸，所以最總通過阻抗的射頻電壓為 k r = z l r 0 , , ( 2 1 9 ) 如果認(rèn)為在整個輸出功率范圍內(nèi)載波( 主) 功放的電流與輸入電壓之間是一 個線性函數(shù)的話，圖2 4 顯示了在整個輸出功率范圍內(nèi)，兩個功放管的功率均是線 性變化的，最后合成在一起，所以最終的輸出功率要大于任何一個單管的輸出功 率。其原因就在于它們所通過的負(fù)載阻抗為2 圖2 4 給出了在整個功率范圍內(nèi)，載波功放和峰值功放的射頻電流、電壓的幅 度。可以看到，在回退小于6 d b 的輸出功率范圍內(nèi)，載波功放始終保持7 8 5 的最 高效率。輸出功率回退至u 6 d b 時，峰值功放的輸出射頻電壓降低到最大值的一半， 在這個功率范圍內(nèi)峰值功放并沒有達(dá)到最大效率，但它對整個效率的貢獻(xiàn)是與其 輸出功率成比例的，由于這個時候它的輸出功率很低，所以對整個效率的影響也 是微不足道的。理想情況下的整個效率是可以計算出來的，假定偏置在b 類狀態(tài) 下的功放管在電壓擺幅打最大時，效率均為理想的4 ，隨著電壓擺幅的降低， 效率也成一定比例降低。在回退功率大于6 d b 輸出時，只有載波功放是工作的， 其效率 = e 2 v ；。7 n r ，。 等( 2 - 2 0 ) 回退小于6 d b 時，兩個功放管都工作，根據(jù)式( 2 7 ) ，射頻功率輸出 = 華22 去= # r 0 a i o p t 協(xié)2 ， 倒即 2 足。， ?！?把 = 乒) 代入上式中， = 每) ( 喪) 2 吃 ( 2 - 2 2 ) 偏置在b 類狀態(tài)下的載波功放消耗的直流功率 = 它) ( i m a x j ( 2 - 2 3 ) 第二章傳統(tǒng)對稱d o h e n l 功放的基本理論 d e v i c ec u