[碩士論文精品]l波段射頻線性功率放大器的研制

摘要摘要隨著無(wú)線通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展，通信頻譜資源變得越來(lái)越緊張。為了提高頻譜的利用效率，需采用利用率較高的線性調(diào)制技術(shù)。這些復(fù)雜的調(diào)制方式要求射頻系統(tǒng)具有良好的線性特性，否則會(huì)出現(xiàn)互調(diào)失真和頻譜擴(kuò)展，導(dǎo)致頻譜利用率下降。功率放大器是射頻系統(tǒng)中最重要的部件之一，也是產(chǎn)生非線性最強(qiáng)的器件。射頻系統(tǒng)對(duì)功率放大器模塊的線性度提出了很高的要求。因此研究功率放大器的線性化技術(shù)是一項(xiàng)即具有重要實(shí)際意義又具有挑戰(zhàn)性的課題。本文詳細(xì)分析了射頻功率放大器的非線性特性，介紹了反饋，前饋、預(yù)失真等各種線性化技術(shù)的基本原理，對(duì)前饋系統(tǒng)做了詳細(xì)分析，討論了本課題采用的前饋放大器的方案并結(jié)合ADS仿真工具，設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)前饋的功放系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)的調(diào)試與測(cè)試。在雙音測(cè)試結(jié)果中，本系統(tǒng)在輸出功率為30DBM時(shí)，IM3系數(shù)優(yōu)于46DBC，比線性化之前IM3系數(shù)改善了17RIB。為進(jìn)一步提高前饋功率放大系統(tǒng)的線性化水平提供了理論基礎(chǔ)，具有工程參考價(jià)值。關(guān)鍵詞射頻功率放大器，前饋，線性化，三階交調(diào)ABSTRACTABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFWIRELESSCOMMUNICATIONS”TEM，THERESOURCEOFFREQUENCYSPECTRUMBECOMESMOREANDMORESCARCEFORIMPROVINGTHEUTILIZATIONEFFICIENCYOFSPECTRUM，WENEEDADOPTTHELINEARITYMODULATIONTECHNOLOGYTHESECOMPLICATEDMODULATIONWAYSREQUIRESTHATRFSYSTEMHASFINELINEARITYCHARACTER,ORITWILLAPPEARINTERMODULATIONDISTORTIONANDFREQUENCYSPECTRUMEXPANSIONWITCHLEADTOFREQUENCYSPECTRUMUTILIZATIONEFFICIENCYCOMINGDOWNTHEPOWERAMPLIFIERISONEOFTHEMOSTIMPORTANTCOMPONENTSINRFSYSTEMANDALSOAMAINPARTOFNONLINEARPRODUCTSRFSYSTEMSHAVEAHI曲CRCRITERIONFORTHELINEARITYOFTHERFPOWERAMPLIFIERMODULESORESEARCHINGLINEAFIZATIONTECHNOLOGYOFPOWERAMPLIFIERBECOMETHETOPICOFIMPORTANTACTUALMEANINGANDTHECHALLENGEINTHISPAPERWEANALYZETHENONLINEARCHARACTERSOFRFPOWERAMPLIFIERANDINTRODUCETHEBASICPRINCIPLEOFFEEDBACK，F(xiàn)EEDFORWARDANDPREDISTORTIONTECHNOLOGYOFLINEARIZATIONWEANALYZETHEFEEDFORWARDSYSTEMESPECIALLYANDDISCUSSTHESCHEMEOFFEEDFORWARDAMPLIFIERINTHISTASKWEHAVEDESIGNEDTRADITIONFEEDFORWARDAMPLIFIERSYSTEMCOMBINEDWITHADSSIMULATINGANDHAVEACCOMPLISHEDDEBUGGINGANDTESTINGOFTHESYSTEMINTHETWOTONETEST，ITSHOWSMORETHAN17DBIMPROVEMENTINTHETHKDORDERINTERMODULATIONIM3，OFFERSAPPROXIMATELY46DBEIM3OUTPUTWHENTHEAMPLIFIERSOUTPUTIS30DBMITPROVESTHEFOUNDATIONOFTHETHEORIESANDAREFERENCEPRICEOFTHEPROJEETFORGETTINGAGREATERIMDKEYWORDSRFPOWERAMPLIFIER,FEEDFORWARD，LINEARIZATION,THIRDORDERINTERMODULATION獨(dú)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(xiě)過(guò)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(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。簽名雍睪日期聊年?duì)幵挛贞P(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)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(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán)，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(kù)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)定簽名壅壘導(dǎo)師簽名蘭選日期觸7年?duì)幵拢萑盏谝徽戮w論第一章緒論系統(tǒng)對(duì)功率放大器線性化程度要求的提高，是導(dǎo)致線性化技術(shù)成為研究熱點(diǎn)的原因所在。本章先簡(jiǎn)述研究線性功放的目的，再回顧線性化技術(shù)的發(fā)展，最后概述本文的工作及內(nèi)容安排。11研究線性功率放大器的目的自上世紀(jì)80年代以來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，不僅改變了人們的通信方式，而且在某種程度上也改變著人們的生活方式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2006年底，全球移動(dòng)用戶達(dá)到26億戶，3G用戶有4億多。隨著無(wú)線用戶的飛速增長(zhǎng)和通訊業(yè)務(wù)的開(kāi)展，通訊頻帶越來(lái)越擠，為了在有限的頻譜范圍內(nèi)容納更多的通信信道，提高頻帶利用的效率，而采用利用率較高的線性調(diào)制技術(shù)如正交相移鍵控QPSK、多進(jìn)制正交調(diào)幅MQAM等調(diào)制方式。這些調(diào)制方式要求射頻系統(tǒng)具有良好的線性特性，否則將會(huì)出現(xiàn)互調(diào)失真和頻譜擴(kuò)展。功率放大器是發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，也是發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中非線性最嚴(yán)重的器件。因此，線性功率放大器設(shè)計(jì)技術(shù)也就成為提高發(fā)射機(jī)系統(tǒng)線性化的關(guān)鍵技術(shù)。本課題設(shè)計(jì)L波段數(shù)字微波發(fā)射機(jī)的功率放大器單元。12功率放大器線性化技術(shù)發(fā)展綜述功率放大器線性化技術(shù)研究可追溯到上世紀(jì)二十年代。1928年貝爾實(shí)驗(yàn)室的美國(guó)人HAROLDSBLACK發(fā)明了前饋和負(fù)反饋技術(shù)并用于PA的設(shè)計(jì)，成功地減少了放大器的失真。從概念上講，線性化技術(shù)就是用附加的電路來(lái)消除IMD。但須指出的是線性化技術(shù)不會(huì)增加放大器內(nèi)在的功率能力，僅能給出更“硬”的飽和特性，一旦放大器達(dá)到飽和點(diǎn)后，線性化技術(shù)也是無(wú)效的。多數(shù)情況下，采用線性化技術(shù)的PA仍要從壓縮點(diǎn)回退。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，到上世紀(jì)八十年代RF功率放大器線性化技術(shù)飛速發(fā)展，人們相繼提出了一系列PA線性化技術(shù)，反饋、預(yù)失真、前饋、使用非線性器件的線性放大LRNCCALLUM和包絡(luò)對(duì)消和恢復(fù)EER等技術(shù)01都得到深電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文入的研究和探討，申請(qǐng)了一大批專利。從總體上看，這些線性化技術(shù)可分為兩類。第一類指PA的輸入信號(hào)是包絡(luò)變化的信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)非線性PA放大后，在輸出端產(chǎn)生線性放大分量和非線性失真分量，然后附屬電路利用線性化技術(shù)消除非線性失真。此類線性化技術(shù)包括前饋技術(shù)、預(yù)失真技術(shù)和反饋技術(shù)。第二類指PA的輸入信號(hào)是包絡(luò)恒定的信號(hào)，包括LINCCALLUM技術(shù)和EER技術(shù)。該類技術(shù)首先將輸入信號(hào)分解為兩包絡(luò)恒定、相位變化的信號(hào)，兩信號(hào)被各自的放大器放大后再合成得到最后的輸出信號(hào)。眾多的線性化技術(shù)中，LINCCALIIM4技術(shù)和EER尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段。未得到實(shí)際應(yīng)用。前饋技術(shù)可提供寬帶和極佳的線性化修正，但系統(tǒng)價(jià)格高、復(fù)雜且較難實(shí)現(xiàn)。首先，前饋系統(tǒng)要求信號(hào)的各路徑增益匹配，它的輸出要有功率較大的反饋校準(zhǔn)信號(hào)，這就需要額外的輔助放大器，且這個(gè)輔助放大器本身的失真特性應(yīng)處在前饋系統(tǒng)指標(biāo)的上限。其次，前饋系統(tǒng)內(nèi)不同元件的增益、相位跟蹤準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、時(shí)間和溫度的校準(zhǔn)精度等都必須保證?？梢?jiàn)，前饋系統(tǒng)是以系統(tǒng)的高復(fù)雜度來(lái)實(shí)現(xiàn)高非線性改善的，它提供了閉環(huán)系統(tǒng)的線性化精度，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定度和帶寬，但價(jià)格高。預(yù)失真線性化的概念和實(shí)現(xiàn)都非常簡(jiǎn)單，但預(yù)失真信號(hào)的產(chǎn)生非常困難，特別是要獲得很高的交調(diào)抑制。一個(gè)與RF功率有關(guān)的電阻和固定電容組合可給出合適的幅度調(diào)制一幅度調(diào)制AMAM和幅度調(diào)制一相位調(diào)制舢沮PM特性，可獲得10DBIMD抑制。若采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)PA的逆非線性傳遞函數(shù)，受到模數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣頻率的限制，并且PA的非線性模型較難精確建立。此外，為實(shí)現(xiàn)較高的IMD抑制，預(yù)失真線性系統(tǒng)還包含某種反饋以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)。通常情況，數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的帶寬較寬，較之前饋容易實(shí)現(xiàn)并具有中等的線性化修正。負(fù)反饋線性化是用增益換取失真抑制。如采用10DB的負(fù)反饋，放大器輸出的IMD將下降10DB，但也就意味著，整個(gè)系統(tǒng)的增益要相應(yīng)下降10DB。負(fù)反饋線性化還存在兩個(gè)主要的設(shè)計(jì)問(wèn)題。其一，環(huán)路延遲制約了線性化器的工作帶寬。其二，反饋存在穩(wěn)定性問(wèn)題。目前在國(guó)際上對(duì)RF功放線性化技術(shù)的研究非常重視。相關(guān)論文的數(shù)量成倍增加，以IEEE為例，PA線性化技術(shù)方面的論文每年以百分之十幾的速度遞增。與此同時(shí)，每年都有上百個(gè)相關(guān)發(fā)明專利被申請(qǐng)，僅2001年就達(dá)150項(xiàng)。13本論文主要工作及內(nèi)容安排本文針對(duì)19GHZ前饋功放的理論分析和設(shè)計(jì)進(jìn)行了一定的研究。分析了幾種2第一章緒論線性化技術(shù)的基本原理，并對(duì)前饋技術(shù)作了詳細(xì)分析，分析其優(yōu)缺點(diǎn)。使用ADS軟件進(jìn)行電路的輔助設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真優(yōu)化得到比較良好的結(jié)果，并生產(chǎn)制造出處于研制階段的前饋功率放大器電路。本文包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容1研究放大器基本原理，詳細(xì)分析了放大器的非線性失真產(chǎn)物。2介紹了常用的RF功率放大器的線性化技術(shù)及各自特點(diǎn)。重點(diǎn)分析了前饋技術(shù)。3詳細(xì)介紹了本課題線性化方案的基本原理、實(shí)現(xiàn)方法，并給出了仿真及電路測(cè)試的結(jié)果。本文研究的前饋功率放大器預(yù)期技術(shù)指標(biāo)工作頻率1850MHZ1950MHZ輸出功率30DBM雙載波2W增益40DB三階交調(diào)抑制45DBE電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章射頻功率放大器及非線性原理21功率放大器的特點(diǎn)功率放大器的作用是把直流功率盡可能多地轉(zhuǎn)換為射頻或微波功率輸出。換句話說(shuō)用來(lái)放大輸入信號(hào)，使之達(dá)到足夠高的功率電平，以滿足發(fā)射天線或負(fù)載單元的要求。實(shí)際中它廣泛應(yīng)用在各種類型發(fā)射機(jī)中，發(fā)射機(jī)各級(jí)高頻放大器的輸出功率小的從幾十毫瓦到幾百毫瓦，高的可以達(dá)到幾卜瓦、幾百瓦以至幾千瓦。為提高電源效率和可靠性，功率放大器隨著應(yīng)用場(chǎng)合的不同，而采用不同的工作狀態(tài)。以雙極型晶體管為例，當(dāng)需要線性放大時(shí)，就使整個(gè)信號(hào)周期中晶體管都工作在它的放大區(qū)，這種狀態(tài)稱為A類功率放大。當(dāng)輸入信號(hào)很大時(shí)，為了提高放大器的集電極效率和輸出功率，常使晶體管偏置在截止區(qū)附近即發(fā)射結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為B類放大或C類放大。所謂B類放大是指晶體管集電極電流只能在半個(gè)周期內(nèi)通過(guò)，而C類放大時(shí)集電極電流的導(dǎo)通時(shí)間小于半個(gè)高頻周期。C類放大的效率高，且輸出功率可以很大，因此頻帶較窄的射頻放大時(shí)常用丙類放大。同時(shí)，D類、E類、F類放大器也得到一定的研究。功率放大器的一個(gè)主要特點(diǎn)是工作在大信號(hào)狀態(tài)，因而常常呈現(xiàn)出非線性效應(yīng)。22功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)功率放大器的技術(shù)指標(biāo)，除工作頻帶、增益及增益平坦度、駐波比、噪聲和效率，還包括功率放大器的功率輸出以及其非線性失真。表征功率放大器的輸出功率和線性度的指標(biāo)包括LDB壓縮點(diǎn)輸出功率、三階交調(diào)系數(shù)、三階交調(diào)截?cái)帱c(diǎn)。221工作頻帶工作頻帶通常指放大器滿足其全部性能指標(biāo)的連續(xù)頻率范圍。放大器的實(shí)際工作頻率盡可能限制在所定的工作頻率范圍。4第二章射頻功率放大器及非線性原理222輸出功率1飽和輸出功率當(dāng)放大器的輸入功率加大到一定值之后，再加大輸入功率并不會(huì)改變輸出功率的大小，該輸出功率稱為功率放大器的飽和輸出功率，我們用巴，表示。2輸出功率LDB壓縮點(diǎn)當(dāng)放大器輸入功率較小時(shí)，輸出功率與輸入功率的比值是一個(gè)常數(shù)，為線性關(guān)系，其增益與輸入功率的大小無(wú)關(guān)。隨著輸入功率的增大，輸出功率與輸入功率的比值將減小，即出現(xiàn)增益壓縮現(xiàn)象，輸出功率曲線逐漸彎曲。當(dāng)功率放大器增益比小信號(hào)的線性增益較低LDB時(shí)，即輸出功率比理想線性輸出功率小LDB時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出功率點(diǎn)稱為輸出LDB壓縮點(diǎn)功率，記做P】DB，如圖22。此時(shí)的增益稱為L(zhǎng)DB壓縮點(diǎn)增益，記做GL。當(dāng)輸出功率超過(guò)該點(diǎn)后放大器將迅速進(jìn)入飽和工作區(qū)。由圖22顯然，射頻功率放大器工作在飽和點(diǎn)附件就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的非線性失真。223功率增益及增益平坦度功率增益指輸入輸出良好匹配的情況下，用DB表示。功率增益定義為功率增益1099驀糕輸出功率與輸入功率的比值。單位21在射頻微波晶體管放大器電路設(shè)計(jì)中，我們又可以見(jiàn)到以下幾種增益定義，它們?nèi)Q于入們對(duì)射頻放大器運(yùn)行機(jī)制的了解。1工作功率增益島指放大器輸出端口傳送到負(fù)載的功率與信號(hào)源實(shí)際傳送到放大器輸入端口的功率之比。它是放大器在實(shí)際工作中產(chǎn)生的真正功率增益的量度。適用于最大線性輸出功率。2資用功率增益G指放大器輸出端口的資用功率與信號(hào)源的資用功率的比值。它是在負(fù)載端口匹配情況下的轉(zhuǎn)換功率增益。資用功率增益適用于低噪聲放大器LNA。3轉(zhuǎn)換功率的增益GT指放大器的輸出端口實(shí)際傳送到負(fù)載的功率與放大器輸入端口信號(hào)源的資用電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文功率的比值。它定量的描述了插入在信號(hào)源與負(fù)載之閥的放大器增益。它是放大器在輸入端口單獨(dú)實(shí)現(xiàn)共軛匹配的特殊情況下的功率增益，它不是一個(gè)實(shí)際的工作功率增益。4單向轉(zhuǎn)換功率增益單向化設(shè)計(jì)只是簡(jiǎn)單地忽略輸入端口與輸出端口之間的相互作用，是一種近似的設(shè)計(jì)方法。而實(shí)際中由于晶體管內(nèi)部反饋效應(yīng)的存在，反向電壓傳輸系數(shù)S。O。在放大器單向化設(shè)計(jì)時(shí)，將SZL忽略。這樣放大器的轉(zhuǎn)換功率增益就成為單向轉(zhuǎn)換功率增益。嘲增益平坦度表征功率放大器增益在一定溫度下、整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)變化大小。它定義為放大信號(hào)輸出幅度隨頻率的變化量。它用工作頻率范圍內(nèi)最大輸出幅度與最小幅度用DB單位差值表示。該差值即是用DB表示的放大器輸出幅度隨頻率變化的峰峰值，如圖21所示。增益平坦度由下式表示AG三K_G佃222其中G。和G。為分別為功放在工作頻率范圍內(nèi)的最大增益和最小增益。224工作效率丘氐圖21增益平坦度示意圖功率放大器的工作效率7“定義是負(fù)載吸收的平均功率PVV的與電源供給的直流平均功率PS的比值。這個(gè)比值越大，意味著效率越高。甲類放大器效率的最大理論值為50，而丙類放大器的效率可以接近100。甲類放大器的效率等于50意味著電源功率的一半變成熱量耗散掉了。這種情況對(duì)于便攜式通信系統(tǒng)是無(wú)法接受的，因?yàn)檫@類系統(tǒng)中的大多數(shù)器件都是靠電池驅(qū)動(dòng)的。在實(shí)際工作中，設(shè)計(jì)者常常選用既有高效率又能保持射頻信號(hào)信息內(nèi)容的工作狀態(tài)。6第二章射頻功率放大器及非線性原理225三階截?cái)帱c(diǎn)三階截?cái)帱c(diǎn)皿，它定義為頻率為2Q一的三階分量輸出功率曲線，與頻率為Q的主信號(hào)功率曲線線性延伸的交點(diǎn)。如圖22所示。圖22三階截?cái)帱c(diǎn)示意圖此點(diǎn)的輸出功率稱為截?cái)喙β?。它是三階互調(diào)失真一種有用的量度。由式可見(jiàn)，三階互調(diào)的輸出功率與輸入信號(hào)振幅的立方成正比。當(dāng)輸入功率較小時(shí)，可近似認(rèn)為是線性的。但是隨著輸入信號(hào)的增加，基波的輸出功率被壓縮，偏離了線性增長(zhǎng)范圍，可以得到截?cái)帱c(diǎn)功率為I弓LOEGB音警鋤伊。，上式中R為負(fù)載阻抗。當(dāng)R50Q時(shí)，瑪LO館南1125拈塒24可以看出三階截?cái)帱c(diǎn)功率與輸入輸出功率無(wú)關(guān)，完全是由系統(tǒng)非線性造成的，因此是系統(tǒng)非線性的量度。式23、24將在下文詳細(xì)介紹。嘲226輸入輸出駐波比輸入輸出駐波比表示放大器輸入端阻抗和輸出端阻抗與系統(tǒng)要求的阻抗一般7AQPU丑幅蚪薄電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文為50Q的匹配程度?？梢杂孟率奖硎綱S悱瑚LJRF25其中，R2瓦ZZO26Z為放大器輸入或輸出端的實(shí)際阻抗；Z0為系統(tǒng)要求的阻抗，取50Q。23非線性分析231弱非線性分析通常，交調(diào)失真是用來(lái)衡量放大器非線性特性的主要指標(biāo)。在較弱的非線性情況下，放大器的輸出可以表示為輸入的冪級(jí)數(shù)，利用單音和雙音測(cè)試就能表征出放大器的非線性特性。所謂的弱非線性情況，是指放大器工作在遠(yuǎn)離LDB壓縮點(diǎn)的區(qū)域，這時(shí)的交調(diào)失真IMD30DBC以下較為顯著，理論計(jì)算可以得到IDB壓縮點(diǎn)的三階交調(diào)系數(shù)為2375DBC。雙音分析在接收機(jī)和低噪聲放大器LNA的設(shè)計(jì)中非常有用，此時(shí)的信號(hào)功率較低，會(huì)受到同樣較低的交調(diào)失真的干擾。雙音分析在功率放大器的設(shè)計(jì)中也非常重要，能夠清楚的表征放大器的非線性特性。雙音法是最常見(jiàn)并被廣泛使用的PA非線性分析方法，它可定量地描述PA的幅度失真和相位失真，并用LDB壓縮點(diǎn)、三階交調(diào)等來(lái)度量。但是，在強(qiáng)非線性的工作區(qū)域內(nèi)還需要更好的方法來(lái)分析其非線性特性。所謂強(qiáng)非線性，是指當(dāng)放大器工作在很接近或者超過(guò)LDB壓縮點(diǎn)的區(qū)域。利用雙音來(lái)分析弱非線性系統(tǒng)的非線性特性。在弱非線性的情況下，功率放大器的輸出可以展開(kāi)成冪級(jí)數(shù)形式，VOO口。V，O02Y；20口，L，3027其中吩O(shè)是RF輸入信號(hào)，VOO是放大器的輸出信號(hào)，Q是各次展開(kāi)系數(shù)。當(dāng)輸入信號(hào)為固定頻率Q的單載波正弦信號(hào)時(shí)，式27所描述的非線性系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生頻率為峨整數(shù)倍數(shù)的信號(hào)分量，這些信號(hào)分量為基頻的諧波失真分量。假設(shè)單一頻率的信號(hào)QO巧COSQF28蔓三童塹堡墊奎墊奎堡墨J堡絲墮墨一_，一一將式28帶入式27得VOT口VTCOSTOAYT2COS2腳53V13COS3QF三嘞巧2巧三嘞巧3C。S哆RI1嘞砟2C。SZQR十孑1觴巧3C。S，啦，29上式說(shuō)明，由于系統(tǒng)的非線性，輸出信號(hào)中出現(xiàn)了新的諧波分量由式29可見(jiàn)，基頻Q的增益可以表示為。倌等3掣劃皓”沁210GO20EG20倌2一11LDB增益壓縮點(diǎn)可定義為信號(hào)電平的增益比線性增益小IDBA所以有”三啪2O891Q暢陪I，可近似認(rèn)為是線性的，即與晶特性幾乎一致A在較高功率電平時(shí)，PH的響應(yīng)將被壓縮，并將偏離只的響應(yīng)，如圖24所示。又由式221可得糾吆爰2等鋤伢ZZ，P瓴10結(jié)103丑223字電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文她訓(xùn)圳俐等卜224在只處，根據(jù)截?cái)帱c(diǎn)的定義，式222與式224相等，即蜀P2Q一傷，可求得最點(diǎn)處求得因此，爿蘭粵3K1只枷強(qiáng)B高等卜珥如果R取50Q，則暑枷堙爵UZ一隅LPP輸出功塞叩暑輸入功率DBM225226227圖24截?cái)帱c(diǎn)定義圖類似的可以求得只。點(diǎn)，式223與A224相等，即PH尸2Q一吐，B圳館陸高等鋤哥，鋤12228第二章射頻功率放大器及非線性原理比較式218和227，可以得到截?cái)帱c(diǎn)功率只與日。之間的關(guān)系0E1063DBM229三階交I周的PTD、可用三階交調(diào)系數(shù)塒J來(lái)衡量。三階交調(diào)系數(shù)就是三階交調(diào)分量比主信號(hào)小的倍數(shù)，用分貝表示即主信號(hào)功率減去三階交調(diào)分量功率。還可以用另外一種方法來(lái)衡量，即三階截?cái)帱c(diǎn)瑪，上文已經(jīng)詳細(xì)介紹。啪由圖24可以看出，輸入信號(hào)增加LDB，三階交調(diào)分量則增加3DB。對(duì)于輸出功率小于LDB壓縮點(diǎn)的輸出功率，近似有如下關(guān)系1343Z2眩一皿230只。是輸出功率，瑪是輸出三階截?cái)帱c(diǎn)，Z是三階交調(diào)大小。當(dāng)輸入功率較小時(shí)，也有以下關(guān)系五L毛20乙。一日L坦一2126DB在這里將式219推廣到多載波輸入的情況下，得至Q更為普遍的表達(dá)式。如果輸入信號(hào)為N個(gè)任意的正弦波UO4COS印LLL231232將式232代入27中，得到落在通帶內(nèi)的各個(gè)基波信號(hào)、以及各載坡之間的交調(diào)產(chǎn)物和三階差拍失真干擾當(dāng)輸入大于三音信號(hào)時(shí)出現(xiàn)的頻率為，哆一嚷的失真信號(hào)信號(hào)的幅度。N個(gè)基波信號(hào)哆的幅度為腎K，A阻防CZS。，ZO一1個(gè)三階交調(diào)干擾信號(hào)2QQ的幅度為云毛424234罷O一1勛一2個(gè)三階差拍干擾信號(hào)BQQ的幅度為電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文喪KALAJAT扣35由式233、234、235能夠分別求出三階交調(diào)干擾2QC0，分量及三階差拍干擾分量QQQ與獺波信號(hào)的幅度的比值。在多級(jí)級(jí)聯(lián)功率放大器孛，詩(shī)嫠功率放大囂熬交諼IM3，必須J器遂級(jí)聯(lián)辯斡PI幫PO。下面迸亍分析，如圖25所示，笑裔1T1個(gè)功軟級(jí)聯(lián)，各級(jí)增益為GL，G2，甌，各級(jí)的截?cái)帱c(diǎn)功率為礙”局2只。整個(gè)三階截?cái)帱c(diǎn)襲達(dá)式如式235所示。，毋2去面1I麗I。面麗1J協(xié)SE再提提式229、236藏可以求褥級(jí)聯(lián)功放戇交諼失真秘。PI1P12PI3P1M23。2強(qiáng)線性分析圖25級(jí)聯(lián)功率放大器各級(jí)示意圖雙音測(cè)試是分析弱非線性系統(tǒng)的非線性特性非常有效的方法。在強(qiáng)非線性的王露條L拳下，敖大爨Z終趨近予增熬蓬績(jī)懿區(qū)域，離除夔交譎分量影豌交褥受舞顯著，這怒由于放大囂的晶體管的特性局限。在這個(gè)區(qū)域，纛階甚至更高的交調(diào)分量會(huì)產(chǎn)嫩較大的影響，因此尋求爨好的方法來(lái)衡量其非線性特性。鄰遒功搴抑制比ACPR主要農(nóng)用在像CD凇這樣的寬頻譜信號(hào)的掰究上，不藏豹邋僚標(biāo)準(zhǔn)畜吳體豹要求。鄰道功率A定義為當(dāng)主僖道藉一信芍對(duì)，緊鄰主信道的兩個(gè)信道內(nèi)的功率大小。鄰道功率的產(chǎn)生主要來(lái)自兩個(gè)方面，是由于器件的非線性作用產(chǎn)生，二是由于主信道信號(hào)本身頻譜比信道寬。ACPR定義失ACP凌率與圭蘧遵凌率戇跑篷。皴瑟27掰暴。由手瑗代邋痿系統(tǒng)善遍采援多載波和數(shù)簪調(diào)制方式，加上通信信道的愈加擁擠，ACPR已經(jīng)成為功率放大器設(shè)計(jì)調(diào)試中非常藿要的指標(biāo)。14第二章射頻功率放大器及非線性原理圖26鄰道功率ACP定義INPUTOUTPUT圖27器件非線性產(chǎn)生的鄰道功率對(duì)移動(dòng)通信的CDMA信號(hào)而言，其1M3即ACPR與IP3的關(guān)系可以通過(guò)公式237表示?，斠?99K，五歸3Z3BZ3一3B一五3JJ222DBM237其中“，五表示要求的IM3的輸出功率W，B表示二分之一CDMA信號(hào)帶寬KHZ，F(xiàn)L，龜表示兩個(gè)邊帶頻率相對(duì)于中心頻率的差值KHZ，PO表示輸出功率W在多信道通信系統(tǒng)中功率放大器產(chǎn)生的非線性信號(hào)對(duì)鄰道功率抑制比與三階交調(diào)系數(shù)有密切的關(guān)系，ACPR可由IMD推算。公式如下彳CPR。,IMD610強(qiáng)剖伢SS，式238中，42N313N了2一2NM0482；BN2_MORD一N2；N為信道4R。D。個(gè)數(shù)；MOD是取余函數(shù)。電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文24本章小結(jié)本章介紹了功率放大器的特點(diǎn)以及一些主要的技術(shù)指標(biāo)。并介紹了功率放大器的非線性分析方法，在弱非線性的情況下分別采用單音和雙音分析法分析其非線性特性，并重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)三階交調(diào)的影響。還提出在強(qiáng)非線性的情況下，指出鄰道功率抑制比ACPR的來(lái)衡量非線性特性的重要性，介紹了其定義及一些基本概念。16第三章功率放大器的線性化技術(shù)第三章功率放大器的線性化技術(shù)本章介紹各種射頻PA線性化技術(shù)的基本概念、電路組成及其性能。改善功率放大器的線性度的方法有許多種，其中“功率回退”方法的采用能夠改善線性度，但會(huì)導(dǎo)致功放的低效和低功率輸出。功率放大器的設(shè)計(jì)中，在對(duì)放大器功率供應(yīng)不變的情況下，需在線性度和效率之間權(quán)衡。目前，解決這一問(wèn)題常用的方法包括前饋法、反饋法、預(yù)失真法、非線性器件線性放大LINC，EER、CALLUM等等，采用這些方法時(shí)，功率放大器增益帶寬、效率間的代價(jià)各不相同。31功率回退法這是最常用的方法，即選用功率較大的管子作小功率使用，也就是犧牲直流功耗來(lái)提高功放的線性度。由于射頻功率放大器本身特性，輸入功率增加到一定值，放大器輸出功率會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)，放大器的輸出功率將不隨輸入功率的增加而增加，導(dǎo)致非線性失真的產(chǎn)生。功率回退法就是限制功率管的實(shí)際輸出功率，使功率放大器工作在低于其LDB壓縮點(diǎn)一定的功率點(diǎn)上，使放大器遠(yuǎn)離飽和區(qū)，進(jìn)入線性工作區(qū)。輸入功率在IDB壓縮點(diǎn)附近功率每回退LDB，三階交調(diào)系數(shù)將降低LDB。功率回退法是一種最簡(jiǎn)單、最可靠的線性化措施，不需要增加任何附加設(shè)備，是改善放大器線性度的有效的方法。其缺點(diǎn)是它限制了功率放大器器件的實(shí)際應(yīng)用功率，大大地降低了功放的效率?！?32反饋技術(shù)負(fù)反饋線性系統(tǒng)基本原理如圖3L所示圖3I負(fù)反饋線性系統(tǒng)原理圖17電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文負(fù)反饋為閉環(huán)系統(tǒng)，PA輸出端信號(hào)包含失真信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)耦合器，部分信號(hào)耦合進(jìn)入反饋網(wǎng)絡(luò)，反相回輸入端并與之相減，從而在輸出端消除失真，達(dá)到改善PA線性度的目的。但是負(fù)反饋技術(shù)大大降低了放大器的增益。粗略地說(shuō)，如果設(shè)定10DB的負(fù)反饋，放大器輸出的IM產(chǎn)物將下降10DB，整個(gè)系統(tǒng)增益也要下降10DB。負(fù)反饋除了上述的增益的問(wèn)題之外，還存在由環(huán)路延遲引起的工作帶寬問(wèn)題和穩(wěn)定性問(wèn)題。調(diào)制反饋技術(shù)具體的實(shí)現(xiàn)方法有很多，如包絡(luò)反饋技術(shù)、包絡(luò)消去與恢復(fù)技術(shù)、極化環(huán)技術(shù)、笛卡兒環(huán)技術(shù)等等。包絡(luò)反饋技術(shù)是校正幅度失真的一項(xiàng)比較簡(jiǎn)單的技術(shù)，它也是一種間接反饋技術(shù)。包絡(luò)反饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3，2所示，輸入輸出都接有定向捐合器，峰值檢波后送入差動(dòng)放大器，形成的振幅誤差校準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行增益控制。假設(shè)放大器沒(méi)有進(jìn)入飽和，這樣的反饋環(huán)強(qiáng)迫輸出包絡(luò)復(fù)制輸入包絡(luò)，結(jié)果改善了頻譜失真。圖32包絡(luò)反饋技術(shù)對(duì)于包絡(luò)反饋系統(tǒng)，檢波器必須有較寬的動(dòng)態(tài)范圍和準(zhǔn)確的跟蹤，否則，環(huán)路增益和誤差信號(hào)的準(zhǔn)確度將受到信號(hào)的影響，致使校正程度降低，甚至增大了高階失真產(chǎn)物。包絡(luò)反饋技術(shù)沒(méi)有補(bǔ)償相位失真，如果在信號(hào)處理過(guò)程中時(shí)延較大的話，信號(hào)可能會(huì)產(chǎn)生相位差，使校正處理被削弱或變得不對(duì)稱。通常，校正電路的帶寬必須是信號(hào)包絡(luò)帶寬的10倍以上。包絡(luò)消去與恢復(fù)技術(shù)EER起初是用在SSB和TV發(fā)射機(jī)中，如圖33所示，利用檢波器和限幅器，RF輸入信號(hào)被分別分成幅度和相位分量，相位分量在丙類放大器中被放大。在電子管設(shè)計(jì)中，幅度分量常被用來(lái)進(jìn)行末級(jí)調(diào)制，而在固態(tài)電路中，幅度分量則可以通過(guò)調(diào)制器直接加在丙類放大器上。由于RF功率第三章功率放大器的線性化技術(shù)放大器工作在丙類，可以得到非常高的效率，一般大于50，IMD失真抑制達(dá)到30DBC。但是，限幅器的非理想性和調(diào)制器的AMPM轉(zhuǎn)換等因素都將影響放大器輸出的失真產(chǎn)物，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生附加的高階產(chǎn)物。圖33包絡(luò)消去與恢復(fù)技術(shù)結(jié)構(gòu)圖極化環(huán)POLARLOOP與EER有某種程度上的類似，R_F信號(hào)也被分解成幅度和相位分量。但是，極化環(huán)還需幅度和相位校準(zhǔn)同時(shí)進(jìn)行，實(shí)施比較困難。相位檢測(cè)和校準(zhǔn)比單一的振幅校準(zhǔn)復(fù)雜的多。極化環(huán)是間接反饋環(huán)邏輯上的擴(kuò)展。其基本結(jié)構(gòu)圖如圖34所示。它不僅通過(guò)一個(gè)AGC環(huán)對(duì)功率放大器的幅度失真進(jìn)行校正，它還通過(guò)鎖相環(huán)PLL來(lái)保持放大器穩(wěn)定的相位轉(zhuǎn)移特性。極化環(huán)系統(tǒng)的平均效率大于50，IM3約50DBE左右。極化環(huán)技術(shù)已經(jīng)被用在高功率的商業(yè)中波發(fā)射機(jī)中，若在要求的帶寬上降低假響應(yīng)電平，并有足夠反饋，則它還可用在VHF和UHF高效多載波放大器中。不過(guò)，由于寬帶信號(hào)用幅度和相位表示有困難，它通常應(yīng)用在單載波系統(tǒng)中。圖34極化環(huán)19電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文笛卡爾環(huán)在上世紀(jì)九十年代逐漸流行起來(lái)，已經(jīng)有大量相關(guān)產(chǎn)品，其與極化環(huán)的差異在于其輸入的是基帶信號(hào)，而非RF信號(hào)，因而它可視為線性化發(fā)射杌而不僅僅是放大器?！?【7】【BJIL“基帶信號(hào)QIN33預(yù)失真技術(shù)LQ調(diào)制器圖35笛卡爾環(huán)線性化系統(tǒng)框圖預(yù)失真是最簡(jiǎn)單的一種線性化技術(shù)，它是開(kāi)環(huán)線性化技術(shù)中常用的方法。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的校準(zhǔn)精度不如閉環(huán)系統(tǒng)，它的優(yōu)點(diǎn)在于不存在穩(wěn)定性問(wèn)題，有更寬的頻帶。預(yù)失真方法的基本思想是對(duì)放大器進(jìn)行實(shí)時(shí)的補(bǔ)償，它是通過(guò)電路網(wǎng)絡(luò)或者其他技術(shù)方法對(duì)放大器的非線性輸入輸出特性進(jìn)行校正。開(kāi)環(huán)預(yù)失真方法具有帶寬較寬，穩(wěn)定性好，易于與其他方法結(jié)合使用的優(yōu)點(diǎn)。而閉環(huán)方法則是在開(kāi)環(huán)的基礎(chǔ)上加入了反饋，構(gòu)成了自適應(yīng)預(yù)失真，能夠?qū)崟r(shí)跟蹤放大器的非線性特性，避免系統(tǒng)參數(shù)的漂移。目前該技術(shù)主要分為射頻預(yù)失真和基帶預(yù)失真兩種類型。采用基帶預(yù)失真方法，適應(yīng)性較強(qiáng)，而且可以通過(guò)增加采樣率和增大量化階數(shù)的辦法來(lái)抵消高階互調(diào)失真，是一種很有發(fā)展前景的方法。射頻預(yù)失真線性化技術(shù)的理論研究比較成熟，所以目前采用的比較多。國(guó)內(nèi)外很多文章應(yīng)用這一方法改善功率放大器的線性度?！?一個(gè)簡(jiǎn)易的預(yù)失真系統(tǒng)如圖36所示。輸入為雙載波信號(hào)，輸入信號(hào)經(jīng)預(yù)失真器后輸出包含基頻交調(diào)分量的預(yù)失真信號(hào)，該交調(diào)分量的相位與PA產(chǎn)生的交調(diào)分第三章功率放大器的線性化技術(shù)量的相位相反，達(dá)到抵消失真。預(yù)失真概念和實(shí)現(xiàn)都很簡(jiǎn)單，但是預(yù)失真信號(hào)的產(chǎn)生卻很難，特別是獲得很高的交調(diào)抑制。O”島此只刪圖36預(yù)失真原理圖通常有兩種方法產(chǎn)生預(yù)失真信號(hào)的方法。第一種方法是使用一個(gè)非線性模擬器件來(lái)產(chǎn)生失真信號(hào)，如一個(gè)與RF功率有關(guān)的電阻和固定電容組合可給出合適的AMAM和AMPM特性，此特性在預(yù)壓縮帶與放大器失真特性相反，有10DBIMD抑制。這種可變電阻可用一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)二極管或者檢波二極管驅(qū)動(dòng)線性RF電阻，如PIN二極管或FET衰減器構(gòu)成。第二神是利用DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)PA的逆非線性傳遞函數(shù)。通常情況，為實(shí)現(xiàn)較高的IMD抑制，預(yù)失真線性系統(tǒng)還包含某種反饋以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)。關(guān)于自適應(yīng)預(yù)失真方法，則幾乎可以看作射頻中頻預(yù)失真方法與笛卡爾環(huán)的混合方式。這主要是對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行預(yù)失真處理后，再把它調(diào)制成射頻信號(hào)，這其中就引入了DSP器件。圖37為一種數(shù)字自適應(yīng)預(yù)失真環(huán)，實(shí)際上是閉環(huán)校準(zhǔn)系統(tǒng)，是笛卡爾環(huán)的變形。正常工作在開(kāi)環(huán)預(yù)失真狀態(tài)，對(duì)每個(gè)采錄包絡(luò)抽樣查表，提供預(yù)編程的IQ輸出對(duì)，IQ輸出對(duì)中包含補(bǔ)償當(dāng)前PA信號(hào)非線性的合適的相位和振幅校準(zhǔn)。系統(tǒng)有脫機(jī)的自適應(yīng)模式，類似于閉環(huán)的笛卡爾校準(zhǔn)環(huán)。這種系統(tǒng)工作速度仍稍慢，而且在低功率系統(tǒng)中，DSP電路消耗太多的功率。電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文34前饋技術(shù)圖37數(shù)字自適應(yīng)預(yù)失真系統(tǒng)在所有的線性化技術(shù)中，前饋技術(shù)一直得到廣泛的應(yīng)用，它是目前放大器線性化技術(shù)中也是最先進(jìn)、發(fā)展最快的技術(shù)。上世紀(jì)20年代HAROLDSBLACK發(fā)明了前饋和負(fù)反饋等兩種降低PA非線性失真的技術(shù)。但由于前饋對(duì)兩支路的幅度和相位的匹配要求非常高而受到冷落，直到最近寬帶多載波通信系統(tǒng)的出現(xiàn)，前饋技術(shù)又重新得到了發(fā)展。前饋線性化技術(shù)在PA的輸出端對(duì)消非線性失真，從而降低PA的頻譜擴(kuò)展。前饋具有反饋的優(yōu)點(diǎn)，理論上講它能完全消除IMD。圖38是前饋線性化系統(tǒng)的框圖。圖38前饋系統(tǒng)原理框圖第三章功率放大器的線性化技術(shù)前饋線性化系統(tǒng)由兩個(gè)回路組成，信號(hào)對(duì)消回路誤差回路和失真對(duì)消回路。輸入初始信號(hào)在第一個(gè)回路中一分為二，上支路由主PA非線性功率放大器和延遲線組成，下支路由延遲線和輔助PA組成。PA的輸出經(jīng)耦合器采樣與下支路信號(hào)相加，延遲線用于調(diào)節(jié)兩支路的相位，使兩支路相位相差1800，衰減器用于調(diào)節(jié)兩支路的幅度，使兩支路的主信號(hào)幅度相等。第二個(gè)回路上支路為延遲線，下支路為輔助放大器。延遲線使上支路的信號(hào)與放大的失真信號(hào)相位相反，使非線性失真在輸出相抵消，從而提高PA的線性度。前饋系統(tǒng)的最突出特點(diǎn)是其帶寬比較寬。在眾多線性化方案中，前饋方案的帶寬最寬。這主要有兩個(gè)因素，其一，前饋系統(tǒng)是按時(shí)間進(jìn)行調(diào)整的，不存在時(shí)間延遲問(wèn)題；其二，前饋系統(tǒng)沒(méi)有模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換造成的帶寬問(wèn)題。此外，前饋系統(tǒng)不存在穩(wěn)定性問(wèn)題。因此，前饋能滿足寬帶、多載波系統(tǒng)功率放大器的線性化指標(biāo)，并已在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，從聲頻應(yīng)用到高頻CATV至微波應(yīng)用。市場(chǎng)上現(xiàn)有的前饋環(huán)指標(biāo)表明，單一的前饋環(huán)IMD可降低2040DB，多重環(huán)多載波系統(tǒng)的IMD改善可達(dá)50DB。前饋技術(shù)仍是一個(gè)熱門(mén)的研究課題前饋系統(tǒng)的性能不僅取決于系統(tǒng)的幅度匹配，而且也取決于系統(tǒng)的相位延遲匹配。其中延遲的影響在許多文獻(xiàn)有討論過(guò)。前饋系統(tǒng)要求信號(hào)的各路徑增益匹配，它的輸出要有功率較大的反饋校準(zhǔn)信號(hào)，這就需要額外的輔助放大器，且這個(gè)輔助放大器本身的失真特性應(yīng)處在前饋系統(tǒng)指標(biāo)的上限。前饋系統(tǒng)內(nèi)不同元件的增益、相位跟蹤準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、時(shí)間和溫度的校準(zhǔn)精度等都必須保證。此外，前饋系統(tǒng)還應(yīng)考慮輔助放大器和禍合器對(duì)系統(tǒng)的影響。如輔助放大器的線性、耦合器的耦合系數(shù)。有人提出組合式線性化方案，如嵌套前饋環(huán)路可提高系統(tǒng)的性能和降低系統(tǒng)的幅度相位匹配要求。還有人提出在前饋系統(tǒng)中使用預(yù)失真技術(shù)。此外，在前饋系統(tǒng)中，還存在相位和幅度漂移失配問(wèn)題，且這些問(wèn)題隨器件的老化、溫度和頻率的改變而發(fā)生變化，因而須采用自適應(yīng)控制的幅度相位匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖39所示。它通過(guò)提取誤差回路和對(duì)消回路的信號(hào)來(lái)自適應(yīng)調(diào)整線性化系統(tǒng)的幅度和相位。在文獻(xiàn)中可找出許多實(shí)現(xiàn)方法，可歸結(jié)為以下三種技術(shù)。其一，測(cè)量某個(gè)點(diǎn)的功率，然后使它最小，如使信號(hào)對(duì)消回路的誤差信號(hào)功率最小及使失真對(duì)消回路的帶外功率最小。其二，在某個(gè)點(diǎn)上，般在放大器之后，插入導(dǎo)頻，然后在另一個(gè)點(diǎn)上鋇4量導(dǎo)頻的不平衡，并用它來(lái)調(diào)整幅度和相位。其三，利用梯度來(lái)調(diào)整幅度和相位。電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文圖39自適應(yīng)前饋系統(tǒng)基本原理前饋系統(tǒng)具有很多其他線性化技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。但是前饋系統(tǒng)以系統(tǒng)的高復(fù)雜度來(lái)實(shí)現(xiàn)高非線性改善，它提供了閉環(huán)系統(tǒng)的線性化精度，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定度和帶寬，但是價(jià)格計(jì)較高。為了增益和相位的跟蹤，校準(zhǔn)環(huán)路中需要附加功率放大器，因而總效率低，其效率一般都低于模擬預(yù)失真技術(shù)。特別是在惡劣的環(huán)境中工作，該問(wèn)題尤為突出，尋找前饋線性化的替代品也就成為當(dāng)前的熱門(mén)研究課題?！?3】16】7各種線性化技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)和不足點(diǎn)，表列出它們的優(yōu)缺點(diǎn)的比較。表31線性化技術(shù)的各神優(yōu)缺點(diǎn)的比較表線性化技術(shù)帶寬線性化效果效率復(fù)雜程度功率回退寬好低低直接反饋窄一般弱低一般包絡(luò)反饋一般低一般低包絡(luò)消去與恢復(fù)窟一般高一般極化環(huán)窄一般高高高笛卡兒環(huán)窄一般唯R高一般高可基帶預(yù)失真般寬一般高一般高非線性發(fā)生器一般寬低高一般高增益和相位補(bǔ)償一般寬低高一般傳統(tǒng)前饋寬一般低一般自適應(yīng)前饋寬高低高第三章功率放大器的線性化技術(shù)35本章小結(jié)一般來(lái)說(shuō)，各種線性化方法總體可以分成兩類，即開(kāi)環(huán)和閉環(huán)。各種反饋等都可以看成閉環(huán)系統(tǒng)，它們具有很高的線性化能力，可以在滿足一定頻譜抑制的同時(shí)，得到較好的功率輸出和效率，但由于受到調(diào)制帶寬的嚴(yán)重限制，通常局限在單載波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。預(yù)失真技術(shù)可以看成開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，它沒(méi)有閉環(huán)系統(tǒng)的校正精度，但它能夠處理的多載波信號(hào)調(diào)制帶寬非常寬，也不存在制約閉環(huán)系統(tǒng)固有的穩(wěn)定性問(wèn)題。并且其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本較低，適合于在便攜式系統(tǒng)等要求廉價(jià)且容量大的通信系統(tǒng)中使用。前饋系統(tǒng)不僅可以得到與閉環(huán)系統(tǒng)相當(dāng)?shù)木€性化能力，而且還具有開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和寬帶，是一種性能較好的線性化技術(shù)。不過(guò)，前饋系統(tǒng)的校正環(huán)中需要輔助的功率放大器，所以總的效率比較低；而且前饋系統(tǒng)還要求一定的增益和相位追蹤調(diào)節(jié)電路。總的說(shuō)來(lái)，前饋系統(tǒng)具有很多其他線性化技術(shù)不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，非常適合在無(wú)線通信系統(tǒng)基站射頻單元的使用。因此，本文的工作就是采用前饋線性化技術(shù)實(shí)現(xiàn)微波功率放大器的高線性化，從而滿足1GGHZ發(fā)射機(jī)射頻單元的需要。電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文第四章前饋功率放大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真前面簡(jiǎn)要敘述了功率放大器各線性化技術(shù)以及前饋功率放大器的基本工作原理。前饋功放系統(tǒng)包括主功率放大器、輔助放大器、移楣器、電調(diào)衰減器、功分合成器、定向耦合器等。本章將具體地介紹前饋功率放大器以及各射頻部件的仿真設(shè)計(jì)。41ADS系統(tǒng)簡(jiǎn)介ADSADVANCEDDESIGNSYSTEM是AGILENT公司推出的新一代的EDA設(shè)計(jì)平臺(tái)，給用戶提供了從綜合、系統(tǒng)仿真，到完整的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的解決方案，使用戶能夠方便有效的進(jìn)行硬件系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)工作。ADS提供了一系列獨(dú)特的功能，是其它EDA工具不具備的。它可以對(duì)DSP電路、射頻電路、光電子通信與微波器件的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真、優(yōu)化與驗(yàn)證；它可提供通信系統(tǒng)中基帶部分與射頻部分之間的聯(lián)合仿真，可提高系統(tǒng)仿真的準(zhǔn)確度，節(jié)約開(kāi)發(fā)時(shí)間；它可以方便的將DSP系統(tǒng)框圖向下綜合到VHDL器件；ADS可方便的與HP測(cè)量?jī)x器相連接，使系統(tǒng)即使有一部分硬件電路不存在也能測(cè)試，這樣就提高了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的靈活性；ADS提供了大量的仿真庫(kù)與行為模型，給設(shè)計(jì)人員以強(qiáng)有力的支持。另外它對(duì)硬件的要求不高，可以方便的應(yīng)用于PC機(jī)和UNIX、WINDOWS等多種操作平臺(tái)。這是以往任何自動(dòng)設(shè)計(jì)軟件都不能夠的。所以，ADS推出時(shí)間不久就被廣大電子工程技術(shù)人員接受，應(yīng)用也十分廣泛。42主功率放大器421主放大器的具體實(shí)施方案本設(shè)計(jì)中，前饋功放輸出要求30DBM，由于誤差抵消環(huán)路中采用了電橋?qū)е轮餍盘?hào)衰減了3DB，根據(jù)功放的要求輸出應(yīng)達(dá)到2W，主放大器采用如圖41所示的結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)級(jí)輸出23DBM，末級(jí)功率放大器單管輸出33DBM。第四章前饋功率放大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真I。J；。；。；II卜P書(shū)圈托慪爵講MBRA一5HMC487；MU。282II_JI；秘級(jí)放火囂驅(qū)動(dòng)紐放大器束綴放火囂圖41主功率放大器的設(shè)計(jì)框圖輸入級(jí)放大器采用MINI公司的ERA5，輸入輸出50歐姆匹配，可以在本課題1820GHZ頻帶范圍內(nèi)提供比較高的線性度和增益。資料給出的工作增益典型值為185DB，輸出DB壓縮點(diǎn)功率184DBM，三階交調(diào)截?cái)帱c(diǎn)36DBM。其整個(gè)電路包括偏置電路如圖42所示。ORN圖42ERA一5的電路結(jié)構(gòu)圖在此電路中VCC為直流電源電壓，VD為放大器的工作電壓，I為放大器的工作電流，ERA5的工作電流為65RNA。偏置電阻R可以根據(jù)式41求出。隔直電容取50PF，偏置扼流圈取47NIL。VCC一玩R一41驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器采用的HITTIFLE公司的HMCA57QSL6G，它是INGAPHBT放大器。工作頻率1722GHZ，資料給出典型工作增益27DB，三階交調(diào)截?cái)帱c(diǎn)46DBM。該功放是已經(jīng)將輸入輸出匹配電路集成于功放內(nèi)部的A類放大器，作為主功放的驅(qū)動(dòng)級(jí)可以保證進(jìn)入末級(jí)功放管的信號(hào)有足夠的功率并滿足高的線性度要求。其整個(gè)電路如圖43所示。電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文圖43HMC457偏置屯路與匹配電路圖驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器電路各元件值，匹配電路如上圖。圖44中給出功率增益、回波損耗與頻率的關(guān)系曲線和增益、IP3與柵極電壓關(guān)系曲線。GAIN片ETURNLOSSO1900MHZGAINLP3VSSUPPYVOLTAGE1900MHZJ一188。R一一R一二二二二二二毒“F三眶蠶I圖44HMCA57特性曲線放大器HMC457采用ROGERS公司的R04350基片，其板厚20MIL，介電常數(shù)為348士O05。焊接時(shí)考慮其接地良好和散熱，采取過(guò)孔浸錫。末級(jí)放大器采用FREESCALE公司的MRF282功放管進(jìn)行設(shè)計(jì)。將在下面進(jìn)行闡述。422末級(jí)放大器的選管對(duì)目前RF功率應(yīng)用而言，橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體LDMOS，LATERALLYDIFFUSEDMETALOXIDESEMICONDUCTORT藝技術(shù)是設(shè)計(jì)工程師在效能及效率上的選擇，它能夠在較大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)達(dá)到更高的增幅以及三階互調(diào)失真IMD3，同時(shí)能夠?qū)⑵ヅ潆娐芳傻骄w管封裝中。因此能夠得到具備更高靈敏度、更高效率、第四章前饋功率放大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真更低失真以及更高功率輸出的功率放大器，提供移動(dòng)通信基站、IIF、VHF與UHF廣播用發(fā)射器以及微波與航空系統(tǒng)用晶體管。在基站的功率放大器應(yīng)用上，LDMOS以更高的峰值對(duì)均值功率比PARHIGHPEAKTOAVERAGEPOWERRATIO、高增幅與線性度以及滿足多媒體服務(wù)的更高數(shù)據(jù)傳輸率而聞名。LDMOS制造工藝結(jié)合了BPT和砷化鎵工藝，與標(biāo)準(zhǔn)MOS管工藝不同的是，在器牛封裝上，沒(méi)有采用BEO隔離層，直接源極接地，使導(dǎo)熱性得到改善，提高了器件的耐高溫性，大大延長(zhǎng)了器件壽命。由于LDMOS管的負(fù)溫效應(yīng)，其漏電流在受熱時(shí)自動(dòng)均流，而不會(huì)像雙極型管的正溫度效應(yīng)在集電極電流局部形成熱點(diǎn)，從而管子不易損壞。同樣由于自動(dòng)均流，其輸入輸出特性曲線在LDB壓縮點(diǎn)處下彎較緩，動(dòng)態(tài)范圍更寬。卓越的線性度，可將信號(hào)預(yù)校正需求降到最低。LDMOS器件的直流柵極電流幾乎為零，偏置電路簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜的帶正溫度補(bǔ)償?shù)挠性吹妥杩蛊秒娐?。具有卓越的效率，可降低功率消耗與冷卻成本。優(yōu)化超低熱阻抗，可縮減放大器尺寸與冷卻需求并改善可靠度。高功率密度，使用較少的晶體管封裝；超低感抗、回授電容與串流閘阻抗，目前可讓LDMOS晶體管在雙載子器件上提供7DB的增益改善；在GHZ頻率下?lián)碛懈吖β试鲆妫瑤?lái)更少設(shè)計(jì)步驟、更簡(jiǎn)易更具成本效益的設(shè)計(jì)采用低成本、低功率驅(qū)動(dòng)晶體管舊?；谝陨系膬?yōu)點(diǎn)，采用LDMOS功率管進(jìn)行設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用FREESCALE公司MRF282功放管，在2000MHZ，漏極電壓為26V，增益為1LDB，PLAB為10WCW?？梢怨ぷ髟贏類或AB類，適用于FM，TDMA，CDMA和多載波應(yīng)用。頻帶范圍滿足本設(shè)計(jì)要求，漏極電流為75MA的情況下，增益比較平坦，交調(diào)性能比較好。一423末級(jí)放大器直流偏置的仿真設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析首先，確定功率放大管的靜態(tài)直流工作點(diǎn)。在ADS中進(jìn)行直流仿真，確定漏極電壓VDS為26V，對(duì)LDMOS管柵極電壓VGS進(jìn)行掃描，具體電路如圖45所示。電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文圖45ADS直流仿真原理圖使用ADS進(jìn)行直流分析的結(jié)果如圖46所示。幽46MRF282直流仿真結(jié)果根據(jù)MRF282所給參數(shù)，要求漏極電壓26V，漏極靜態(tài)電流為75MA。由仿真結(jié)果可以看出VDS26V，VGS4035V時(shí)，漏極電流為75MA。此時(shí)放大器工作在AB類。AB類的放大器工作于A類和B類之間的放大器，結(jié)合了A類和B類工作狀態(tài)的特點(diǎn)，其導(dǎo)通角的范圍在180。至360。之間，這種放大器通常用于對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行大功率線性放大。穩(wěn)定工作是放大器性能指標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)的前提。放大器的首要條件之一就是其在工作頻段內(nèi)穩(wěn)定，因?yàn)樯漕l電路在某些工作頻率和終端條件下有產(chǎn)生振蕩的傾向。在進(jìn)彳亍電路匹配之前，對(duì)功率放大器進(jìn)行穩(wěn)定性分析。功放的穩(wěn)定性可以根據(jù)穩(wěn)定因子來(lái)判斷，計(jì)算公式如下所示墨T一最T42E薯，OIOO“OO第四章前饋功率放大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真足劃2寰IS,產(chǎn)LI是，LB1舊。F2一I12一IAL2O4344其中式43用STABFACTL表示，式44用STABMEASL表示。當(dāng)兩個(gè)條件都得到滿足時(shí)，功率晶體管處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。在本設(shè)計(jì)中，功率放大器MRF282的穩(wěn)定因子如圖47所示，可見(jiàn)在1820GHZ頻率范圍內(nèi)KI，STABMEASL0，功率放大器器件工作在絕對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。M711800GHZ134100771820GHZ134100771840GHZ134000771860GHZ133900771880GHZ133800771900GHZ133700781920GHZ133600781940GHZ1335007E1960GHZ133400781980GHZ133300782000GHZ1332007FI圖47穩(wěn)定性判斷圖424末級(jí)放大器匹配電路設(shè)計(jì)功率放大器的匹配結(jié)構(gòu)如圖48所示，功率放大器的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)通常用來(lái)實(shí)現(xiàn)微波晶體管的輸入端口與信號(hào)源之間的共軛匹配；輸出匹配網(wǎng)絡(luò)用來(lái)完成微波晶體管的輸出端口與負(fù)載之間的最大功率匹配。薹輸入輸出L匹配場(chǎng)效應(yīng)FL晶體管匹配電路電路圖48功