基于數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的相移功率放大器非線性分析和修正

1、基于數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的相移功率放大器非線性分析和修正摘要：本文提出了一種關(guān)于功率放大器相移的的非線性原因的綜合理論與實(shí)驗(yàn)分析。相移分解產(chǎn)生了重要的負(fù)載牽引效應(yīng)并且第一次研究了Chireix合成器。在LINC系統(tǒng)中關(guān)于兩個(gè)功率放大器行為效應(yīng)作為一個(gè)主要的非線性源頭得到了證實(shí)。此外，本文建議采用預(yù)失真技術(shù)來對(duì)非線性行為的建模應(yīng)用。關(guān)鍵詞：LINC，相移，非線性，預(yù)失真，負(fù)載調(diào)制，Chireix合成器1、引言無線通信應(yīng)用的增值和多樣化本質(zhì)上增長了無線網(wǎng)絡(luò)頻譜的利用。結(jié)果，移動(dòng)性成為一個(gè)具有條真行的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之一，這個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)使電池的使用壽命顯得越來越重要。除了世界范圍的主動(dòng)來增加電池容量外，為了延長移動(dòng)

2、設(shè)備中電池壽命和降低基站功率消耗，幾個(gè)研究實(shí)驗(yàn)室聚焦在改進(jìn)射頻發(fā)射機(jī)的功率轉(zhuǎn)化效率。在過去的二十年，使用回饋和模擬或數(shù)字預(yù)失真的功率放大器非線性技術(shù)是非常流行的，它們能提高在功率放大器的功率轉(zhuǎn)換效率和線性化的權(quán)衡。然而，附加效率性能不是盡如人意特別是在最新幾代的無線標(biāo)準(zhǔn)中使用的高度不同的包絡(luò)信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)高效率，最近的研究集中在使用具有高效率和高線性化功放的先進(jìn)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)，它們工作在B、C類或開關(guān)狀態(tài)。在別的技術(shù)中，基于發(fā)射的 調(diào)制和非線性器件的放大時(shí)最流行的。這些技術(shù)都將幅度和縣委調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成常數(shù)幅度信號(hào)來保證在相位放大中良好的線性度。在 調(diào)制發(fā)射中，它們實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)還是受到了共的數(shù)字處理器

3、速度和高的模擬濾波器Q值的挑戰(zhàn)。LINC技術(shù)在1935年提出，1974年得到了Cox的修正。圖1所示即分解振幅和相位已調(diào)信號(hào)為兩個(gè)相位調(diào)制信號(hào)的技術(shù)。每個(gè)信號(hào)都能通過高線性或開關(guān)型功率放大器得到放大。在功率放大器的輸出處功率合成器將信號(hào)垂直相加來回復(fù)原始信號(hào)的放大調(diào)制。圖1、LINC結(jié)構(gòu)圖和信號(hào)分解原理字面上能用LINC技術(shù)來區(qū)分兩種不同的功率合成器：隔離的和非隔離的合成器。隔離合成器或混合隔離器在任何輸入輸出端口與輸入信號(hào)的相位和振幅獨(dú)立地被匹配。因此，當(dāng)輸出信號(hào)在相位之外時(shí)，所有傳送到隔離合成器的能量在匹配電阻中作為熱量散失了并且平均功率大大降低。諸如像Chireix非隔離合成器的使用避免

4、了功率的損失。而然，由于這些非隔離合成器的本質(zhì)特性，由功率合成器在輸入端口呈現(xiàn)的負(fù)載是輸入信號(hào)相位和振幅的不同函數(shù)。因此，在輸入端口之間出現(xiàn)了交錯(cuò)的負(fù)載調(diào)制，它能產(chǎn)生不同功率放大器行為，比如增益，輸出功率和直流損耗。盡管效率得到了改進(jìn)，但是這種類型的合成器導(dǎo)致了系統(tǒng)線性度的下降。如前所述，制定了幾種嘗試來分析它的補(bǔ)償。在這篇論文里，介紹了一種證實(shí)和修正這種非線性原因的理論兼霍思燕分析并提出了一種有效的補(bǔ)償方式。2、希萊克斯合成器理論圖1顯示了LINC結(jié)構(gòu)圖。幅度和相位已調(diào)信號(hào)Sm分解成為兩個(gè)恒定包絡(luò)信號(hào)S1和S2。這些信號(hào)被工作在開關(guān)類狀態(tài)的功率放大器放大然后用希萊克斯合成器將它們求和。LIN

5、C分解通過以下面的方程實(shí)現(xiàn)：式中Vmax是最大的信號(hào)振幅，如下給出：V(t和是表達(dá)如下的瞬時(shí)輸入信號(hào)振幅和相位：指由每個(gè)分支信號(hào)頻譜引入的相位變化，作為輸入信號(hào)振幅的函數(shù)，如下：S1和S2信號(hào)都被兩種相同開關(guān)類型的放大器放大，它們作為電壓源（D或F類功率放大器）。輸入信號(hào)被希萊克斯合成器結(jié)合。這種合成器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。它包括兩個(gè)四分之一波長轉(zhuǎn)換器,特征阻抗值等于R0，與合成器的輸出相連。兩個(gè)段路端可能在犧牲線性度的代價(jià)下在給定角度值時(shí)加在合成器的兩個(gè)輸入端。本文沒有考慮短路末端。圖2、Chrieix合成器示意圖在文獻(xiàn)11里面表明了Chireix合成器的輸入阻抗取決角度并它們的表達(dá)式如下：

6、式中，為了簡化起見，使則在文獻(xiàn)9表明，由相移引起的反射系數(shù)導(dǎo)致原來的獨(dú)立的角度變成一個(gè)新的角度并在Chireix合成器被賦值。因此，合成器的阻抗將取決于，如下所示：式中和和下邊方程有關(guān)：在Chireix合成器輸入處的反射系數(shù)表達(dá)如下：式中Rs是理想電壓源放大器的輸出實(shí)阻抗。輸出電壓Vo是的函數(shù)表達(dá)如下：式中G是放大器的增益并且作為一個(gè)的函數(shù)常數(shù)。雖然文獻(xiàn)11揭示了Vo、和是獨(dú)立的，它在使用Chireix合成器時(shí)在相移系統(tǒng)中作為一個(gè)非線性源得到解釋，下邊的部分將闡明這種可能。3、Chireix合成器的線性化在下面，表達(dá)式Vo作為的函數(shù)源于文獻(xiàn)11。通過表達(dá)式（8）取代成（10），能表達(dá)如下：式中

7、，通常地，Ro被選成一個(gè)能保持良好阻抗匹配的值，這就意味著等于一個(gè)整體值。在這種情況下，（12）變成：通過化簡，（13）變成：通過（14）里面的表達(dá)式，能算出的振幅和相位，如下：式中。因此，的正弦和余弦能通過在（16）式中的復(fù)數(shù)的振幅來分解實(shí)部和虛部提取。結(jié)果如（17）和（18）所示：基于（9）式，是的函數(shù)并能寫成如下：通過用式子（17）和（18）取代和，變成：通過（15），（20）能寫成：因此，之前Vo的表達(dá)式（11）能寫成如下：當(dāng)使用Chireix合成器時(shí)，這證明了LINC系統(tǒng)的線性特性。為了證實(shí)這個(gè)分析法的分析，我們?cè)贏DS軟件中使用了諧波平衡解決器進(jìn)行了仿真。為此，我們執(zhí)行Chirei

8、x合成器時(shí)使用了理想無耗傳輸線。功率放大器作為具有輸出阻抗Rs=50歐姆的的電壓源被建模。Rl和Ro分別設(shè)成50歐姆和70.7歐姆。在圖3中，Chireix合成器輸出功率（Pout）變化是輸入功率（Pin）的函數(shù)圖像。如期望的一樣，關(guān)于不同的Pin變化值Pout也不同地線性化。圖3、仿真測量的作為LINC系統(tǒng)輸入功率函數(shù)的Chireix合成器的輸出功率值此外，一個(gè)Chireix合成器在Rogers公司提供的一片RO3003基片上得到了框圖設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)電路的線性化來檢測證實(shí)基于LINC系統(tǒng)的Chireix合成器的線性度。兩個(gè)一樣的并具有相位一致的信號(hào)源（ESG 4438C）同步使用并用來產(chǎn)生合成器

9、的輸入信號(hào)。在兩路之間的增益和相位不平衡也得到了細(xì)致的補(bǔ)償。值在0-90度之間掃描。測試的Pout對(duì)Pin的曲線在圖3中畫出。這說明了預(yù)料的線性行為。為了研究功放的關(guān)于LINC系統(tǒng)線性化的效應(yīng)，在ADS中使用用Cree公司的CGH40010晶體管大信號(hào)模型設(shè)計(jì)了一個(gè)F級(jí)的功放。這個(gè)設(shè)計(jì)目的用于WiMAX應(yīng)用，具有中心頻率值為2.425GHz并且在交錯(cuò)類段之上輕度偏振（AB類）。二次諧波和三次諧波為了得到F類工作狀態(tài)而得到了細(xì)致的調(diào)節(jié)。這些功率放大器取代了在圖4中描繪的LINC系統(tǒng)的理想的電壓源和對(duì)輸入功率的功率和相位變化。大于4dB的功率增益容量和14度的相位補(bǔ)償被記錄。因此，與理想的電壓源比

10、較，當(dāng)使用實(shí)際放大器時(shí)帶有Chireix合成器的LINC系統(tǒng)具有非線性功率相應(yīng)行為。LINC系統(tǒng)的非線性行為被由在功率放大器行為變化導(dǎo)致。事實(shí)上，在兩個(gè)功率放大器中哦度沒有看到對(duì)于所有值的相同阻抗，這是因?yàn)閆1和Z2是的不同函數(shù)，并且功率放大器的行為（增益和相位）根據(jù)它來改變。為了補(bǔ)償這個(gè)非線性，LINC系統(tǒng)作為一個(gè)功放來考慮，它能夠通過使用數(shù)字預(yù)失真技術(shù)來線性化。從圖4中得出的非線性特性，數(shù)字預(yù)失真函數(shù)能通過在文獻(xiàn)12里提到的步驟來構(gòu)建。預(yù)失真函數(shù)在信號(hào)分解之前被采用。在圖5中顯示了線性化的LINC系統(tǒng)的增益和相位響應(yīng)。正如我們從上文看到的一樣，LINC系統(tǒng)和和線性化的裝置在輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)變化范圍內(nèi)是線性的。圖4、帶有F類功放和Chireix合成器的LINC系統(tǒng)的增益和相位響應(yīng)圖5、采用數(shù)字預(yù)失真后的帶有F類功放和Chireix合成器的LINC系統(tǒng)的增益和相位響應(yīng)5、結(jié)論在本論文中