[硕士论文精品]宽带模拟预失真技术的研究

摘要摘要随着无线通信技术的飞速发展，线性调制技术正得到越来越广泛的应用。但包络变化的调制信号经过非线性功率放大器后会产生互调分量，因此必须采用线性化技术来减少由此产生的邻信道干扰。预失真技术是一种广泛使用的线性化技术，基于预失真技术的线性化系统正逐步成为研究热点。本文首先在深入分析功率放大器非线性特性的基础上，分析了预失真技术的工作原理和实现方法，并提出了一种宽频带模拟预失真器结构。接着对电路中的主要部件如功率分配器、宽带3DB正交耦合器、宽带反射型低相移可变衰减器、宽带反射型360度可变移相器进行了分析与设计。传统的分支线耦合器带宽只有10左右，而本文分别采用了新型分支线结构和集总元件两种方法来实现，通过ADSADVANCEDDESIGNSYSTEM仿真带宽可以达到42以上，在此基础上设计的衰减器具有低相移、良好的输入输出回波损耗等特点，移相器具有低插入损耗、在宽频带内达到360度移相等特点。最后对设计的预失真线性化系统进行了仿真，仿真结果表明在设计的宽频段内预失真器使得功率放大器的三阶交调比改善LODB左右。关键词功率放大器，线性化，预失真，衰减器，移相器IVABSTRACT欠BSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFWIRELESSCOMMUNICATION,THELINEARMODULATIONMETHODSAREWIDELYUSEDSINCETHEENVELOPEOFMODULATEDSIGRLALFLUCTUATES，THESEMETHODSGENERATEUNWANTEDINTERMODULATIONDISTORTIONPRODUCTSINANONLINEARPOWERAMPLIFIERSOITISNECESSARYTOUSELINEARIZATIONTECHNIQUETOREDUCETHEADJACENTCHANNELINTERFERENCEPREDISTORTIONISAWIDELYUSEDLINEARIZATIONTECHNIQUEBECAUSEOFITSUNIQUEADVANTAGE，ANDTHERESEARCHOFPREDISTORTINGLINEARIZERISBECOMINGTHEHOTRESEARCHFIELDINTHISPAPER,BASEDONTHEANALYSISOFTHENONLINEARITYOFPOWERAMPLIFIER，THETHEORYANDREALIZATIONMETHODSOFPREDISTORTIONTECHNIQUEALEANALYZED，THENANANALOGPREDISTORTER诵THWIDEFREQUENCYBANDWIDTHISPROPOSEDAND，THEMAINCIRCUITS，SUCHASPOWERDIVIDER,WIDEBAND3DBQUADRATURECOUPLER，WIDEBANDREFLECTIONTYPELOWPHASESHIFTATTENUATOR,WIDEBANDREFLECTIONTYPE360DEGREEPHASESHIFTER,AREANALYZEDANDDESIGNEDWITHTHETWOMETHODSOFNEWBRANCHLINESTRUCTUREANDLUMPEDELEMENT，THEBANDWIDTHOFCOUPLERSHOWSOVER42，WHILEONLY10FORTRADITIONALCOUPLERTHEATTENUATORHASLOWPHASESHIFTANDGOODREFLECTIONCHARACTERISTICSTHEPHASESHIFTERHASLOWINSERTIONLOSSAND360DEGREEPHASESHIFTINWIDEBANDWIDTHFINALLY，THEPREDISTORTIONSYSTEMISSIMULATEDBYADS，ITSHOWS10DBFORIMD3ISIMPROVEDINDESIGNFREQUENCYBANDWIDTHKEYWORDSPOWERAMPLIFIER,LINEARIZATION，PREDISTORTION，ATTENUATOR,PHASESHIFTERV东南大学硕士学位论文学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名13期上鲥纱关于学位论文使用授权的说明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布包括刊登论文的全部或部分内容。论文的公布包括刊登授权东南大学研究生院办理。签名弘导师签名盥性日弩M泸口J华纱第一章绪论第一章绪论近年来无线通信技术的飞速发展，不仅改变了人们的通信方式，还从某种程度上改变了生活方式。从全球范围来看，无线通信用户的年增量都在持续逐年大幅度增长，无线通信已经进入规模化发展的阶段。如今，快速发展的无线通信己成为信息产业中最为耀眼的亮点，并成为推动社会经济发展的强劲动力。11课题研究的背景和意义无线通信系统的目的是用最小的功率来保持每个信道的有效链接，但随着无线用户的飞速发展和宽带通信业务的开展，通信频段变得越来越拥挤，在频谱效率和功率效率这两个重要指标之间更趋向于选择频谱效率。为了在有限的频谱范围内容纳更多的通信信道，要求采用频谱利用率更高的传输技术，因此线性调制技术女NQAMQUADRATUREAMPLITUDEMODULATION、QPSKQUADRATUREPHASESHIFTKEYING等在现代无线通信系统中被广泛采用。所有的无线通信系统都要求对相邻频段的用户产生最小的干扰，也就是必须在所规定的频段范围内传送信号。但通信系统中的非线性器件，必定会使发送信号产生非线性失真，从而对相邻信道产生不同程度的干扰。对于一个高功率的射频发射机而言，这些失真信号虽然比所要输出的信号小许多，但它的绝对值还是很大，会对系统产生干扰，因此必须控制在一定的范围以内。射频功率放大器是发射机系统中非线性最强的器件，特别是为了提高功率效率，射频功放基本工作在非线性状态，因此必需提高功率放大器的线性度。提高功率放大器的线性度有三种方法一是选用满足系统性能要求的超线性器件，这需要选择合适的半导体材料并改善功率放大器的制造工艺。这种方法花费巨大，技术难度高，多年来一直未有大的突破。第二种方法是采用大功率放大器进行功率回退，使放大器工作在线性放大区。在这种情况下，功率放大器的电源消耗大部分转化为热能，电源利用效率一般仅为15左右，器件的散热也是一个比较大的问题。而且，大功率器件只能输出很小的有效功率，其本身潜力不能充分发挥，造成整机成本的提高。第三种方法是采用线性化技术，即采用适当的外围电路或前置算法对放大器的非线性特性进行修正，从而使发信通道整体上呈现对输入信号线性放大的效果。这种方法避免了难度很大的器件制造技术，采用相对较低价格的器件，不但形式多样，而且器件的选择也较灵活。目前，无论是在无线通信还是有线通信领域，功率放大器的线性化技术已成为一个广泛而活跃的研究领域。现在一些主要的线性化技术有正向前馈、负反馈、预失真包括数字预失真和模拟预失真、LINC、CALLUM和EER等。本文研究工作是模拟预失真技术。模拟预失真技术早期主要应用于行波管功率放大器中，行波管功率放大器是一种典型的三阶非线性器件，采用三阶模拟预失真器可以取得较好的线性化效果。进入19世纪80年代后，模拟预失真技术迅速推广到了固态功率放大系统中，并且在有线电视、卫星通信系统和移动通信系统中都有广泛的应用。12本文主要工作本课题是L波段宽频带模拟预失真器的设计，在参考国内外众多研究结果的基础上，采用了一种改进的反向并联二极管对模拟预失真器结构对功放进行线性化。本文的主要工作有、东南大学硕士学位论文1详细分析了功率放大器非线性机理并在此基础上分析了模拟预失真器的工作原理和实现方法。2设计了应用在950MHZ一1450MHZ的宽频带模拟预失真器。其中包括宽带3DB正交耦合器的分析和设计，宽带反射型可变衰减器的分析和设计，宽带反射型360度可变移相器的分析和设计等。13本文内容安排本文的主要内容为第一章概述了论文的研究背景及意义，论述了研究线性化技术的必要性。第二章介绍了功率放大器的非线性模型并分析了功放的几个主要的非线性特性指标。第三章详细分析了模拟预失真技术的工作原理及实现方法，并在此基础上提出了本课题的系统结构。第四章具体设计了L波段宽频带模拟预失真器，分析了该预失真器的线性化工作原理、结构组成及主要部件的分析与设计。2第二章功率放大器及线性化技术第二章功率放大器及线性化技术本章首先分析了功率放大器的非线性模型，然后用泰勒序列展开模型来分析功放的非线性指标，接着简单介绍了MEMORY记忆效应及IM3THIRDORDERINTERMODULATION不对称现象，最后对主要的几种功率放大器线性化技术做了综述性介绍。21功率放大器非线性模型211极坐标非线性模型12L如果不考虑记忆效应，可以把输出信号中的幅度和相位失真看成是由输入信号幅度变化引起的。这种模型实质上考虑功率放大器两种类型的非线性特性，即调幅一调幅斛心转换特性和调幅一调相卅PM转换特性。由于功率放大器的这两个非线性特性可以通过矢量网络分析仪测量得到，因此用AMAM和AMPM特性来描述非线性功放是实际中经常采用的方法。如果把功率放大器的AMAM，AMPM转换特性用串联方式表示，则可以得到极坐标形式的非线性模型。考虑如下形式的单频输入信号CTACOS2，RFCTO当该信号通过非线性功率放大器后，输出信号变为DF厂彳COS2万五FPG彳上式中厂彳和G彳分别代表功放的AMAM和AMPM非线性转换特性。211212MINKOFF研究表明，对于调制输入信号式211和212所描述的关系也同样满足，即对于如下调制输入信号CFATCOS2，RFCTOTI213输出信号可表示为DF厂彳FCOS2万尼F秒FG彳F214式214所示的模型可以描述包络变化的输入信号所产生的带内失真扰动，该模型用框图表示如图21所示。彳FCOSI国。F护FG彳FI彳F图21极坐标非线性模型框图秒FG彳F212正交坐标非线性模型通过对式214所示的极坐标非线性模型变形，可以得到正交形式模型。这种模型建立了两个幅度模型，彳F和Q彳F，从而避开了较复杂的AMPM转换特性。东南大学硕士学位论文对式214，二角展升后司表不为DF厂彳，COSG彳FCOS2万五H9F一厂彳FSING彳FSIN2ZFCTOT上式可写成如下正交形式DF，4RCOS2万左H口F一Q彳FSIIL2万五F秒，其中，4，厂么RC。SG彳FQ彳，厂彳FSIILG4F根据式2I61可得到如图22所示的正交非线性模型框图。彳FH目，J彳，Q彳FIATCOSCOCTOTQATSINCOCTOT图22正交坐标非线性模型框图2152162172I一8213序列展开非线性模型对于极坐标或正交坐标形式的无记忆非线性模型，都需要通过测量得到AMAM和AMPM信息，而对于没有测量的点则需要进行差值运算得到，因此该模型运算量较大。对于非线性系统，一种分析方法是通过各种基函数展开，得到简单描述的参数模型，这样可以提高运算的速度。目前对功率放大器非线性模型的展开方法有许多，如泰勒序列、功率序列、SALEH函数和考虑记忆效应的VOLTERRA级数等。以下章节将用泰勒序列展开得到的功率放大器无记忆非线性模型来分析功放的非线性指标。对于一个无记忆非线性系统，其输出信号可以用输入信号的泰勒序列表示，如下式所示口LM口2砰吗WA4VF呜嵋219这里K、E分别表示功率放大器的输出信号和输入信号；Q江1，2，1是各项系数，一般为复数，它们的值由功率放大器的非线性特性决定。214非线性谐波平衡仿真数值仿真是研究非线性系统的常用方法，一般非线性电路的数值分析方法有瞬时分析法、谐波平衡法和SHOOTINGMETHODS等。谐波平衡法是在频域内仿真电路性能的一种方法，对于线性部分电路可直接在频域内求得稳态解；而对于非线性电路，则需要先通过傅里叶反变换转化到时域内，在时域内完成非线性电路方程求解后，再转换到频域内得到整个系统频域响应特性。谐波平衡法比较适合非线性程度一般的电路系统，具有运4第二章功率放大器及线性化技术算速度快收敛精度高等优点。先进设计系统ADVANCEDDESIGNSYSTEM，ADS是安捷伦公司推出的一套专门针对微波射频系统的电子设计自动化软件，该软件具有微波射频电路设计、二维半电磁场仿真、无线通信系统仿真等强大的仿真功能模块和良好的射频仪器接口。目前ADS己成为微波射频设计领域的标准软件，其仿真结果具有很高的可信度。本论文的研究工作都是在ADS设计环境下开展的，对于非线性射频功放的仿真采用了该设计软件谐波平衡非线性仿真器。22AMAM和AMPM变换在211节中的极坐标形式已经介绍了AMAM和AMPM变换，但那里显的比较抽象，在这儿用序列展开的形式再简单分析下这一特性。现取式219的前三项来表示功率放大器的非线性，即OQUF呸谚O口3口F令VJTVCOS攻,T，则1CDTA1VCOSATA2V2COS2CATA3V3COS3COT221LA21，2QV号QV3C。S耐丢A2V2COS2纠丢A3Y3COS3耐Q22，考虑到电路中电感电容分布参数的影响，就会有相位差存在，令Q的相位为零，A3的相位为仍，则可以得到基波输出信号为FQV三吗V3口一炳C。S研对上式进行整理可以表示为1钿，GVCOS研目V其中秒V一留1GVJ3百吗VSM仍J3QV4A31，COS仍223224通常，GV称为AMAM转换，它是放大器增益压缩的一种表示形式。EV称为AMPM转换，它是考虑到放大器的口1和A，存在相位差所引起的一项非线性指标。图23为斛AM、AMPM转换特性曲线。5东南大学硕士学位论文1,TO础ECLIN胛TPO唧ER曲图23AMAM、AMPM转换特性曲线由式222可见，输出信号由所加的基频缈分量、直流寄生信号、二次谐波频率2CO和三次谐波频率3缈分量组成。而且我们注意到，的基波分量振幅为QV；A3V3，如果吗O，则它大于Q1，二端口网路为线性时的增益；如果吗458综上所述，我们可以根据放大器的S参数，通过式458，来判断放大器稳定性。我们也可以使用ADS中的工具来完成稳定性判定，在ADS中当STABFACTL，STABMEAS0时，就可以确定放大器是绝对稳定的。图449ERA5SM输入输出匹配电路一图450ERA5SM稳定性图451AHL02稳定性图450和图451分别是放大器ERASSM和AHL02的稳定性判定曲线，从图中我们可以发现，这两个放大器在设计频段内都是绝对稳定的，因此匹配电路可以在整个圆图中进行设计。对于图448中作为线性功放的ERA一5SM，它处于前后两个矢量调制器中间，我们要以它的输入输出回波损耗最优为目标来设计匹配网络。这样才能使得在调节两个矢量调制器时，它们之间的干扰最小。图449是线性功放ERA一5SM的匹配电路，根据计算和ADS优化，可以得到各段传输线的尺寸，图452是它的输入输出回波损耗和增益特性曲线。恤哺叫哺啪哜啪IO口_第四章宽频带模拟预失真器W50RAILW50RAILW50RAILW50RAIL，315RAIL，188聊玎Z755研玎J97朋F，庭谢，EAJ图452ERA5SM匹配电路特性曲线LM2LLMLILFRECLL200GHZIIFREQL200GHZILDBRHVOUT1077IIDBMVOUT239101M2LMLIFREQ9500MHZIFREQ9500MHZIDBMVOUT171FDBRNUTI231741RITL2R图453未加预失真器功放输出频谱A950MHZIM2LIMLIIFREQL200GHZLIFREQ1200GHZIIDBMVOUT0752IIDBMVOUT232791|I1RRR121R11嗍111191140蛇12哪姗OFREQGHZLM2IMLILFREQ1450GHZIFNEA1450GHZLLDBMVOUT1399IDBRHVOUT23203LIIIL1RJFR12R图454加预失真器后功放输出频谱我们将前面得到的图446电路中各频率上衰减器和移相器的偏爱条件代入图448中，然后在各频率上调节第二组衰减器和移相器的偏置条件，使得功率放大器输出频谱中IM3的分量有所下降。经过ADS优化后，第二组衰减器和移相器在3个频率上的偏置条件如下。49，11O厶。厶LLLL一一；OE可L；OE勺东南大学硕士学位论文电流MA电压V950删Z0265155331200删Z0430117051450删Z00987899图453是未加预失真器时，功率放大器在基波频带内的输出频谱，有基波分量和互调分量。图454是加了预失真器后，功率放大器在3个频率上的输出频谱。比较图453和图454，我们发现加了预失真器后，功率放大器输出频谱中IM3分量比未加预失真器时下降了LODB左右，这表明设计的预失真器达到了我们所希望的要求。结束语结束语现代毫米波卫星通信采用非恒包络数字调制技术，对功率放大器的线性度提出较高的要求。模拟预失真技术可以有效提高功率放大器的线性度及效率，特别适用于毫米波宽带发射机。本文对功率放大器的非线性特性及其产生机理进行了详细分析，介绍了主要的线性校正技术。针对毫米波卫星通信上变频发射机的特点，选用的中频模拟预失真技术具有工作频带宽、电路简单的特点。在对多种模拟预失真电路性能分析和比较的基础上，提出了合理的电路设计方案。结合计算机仿真分析了主要单元电路性能对线性度改善的影响，并优化设计了宽频带关键单元电路。仿真结果表明中频模拟预失真技术可以使功率放大器的IMD3得到显著改善。由于时间限制，未完成模拟预失真器系统的实物测试，其性能指标都为理论计算得到，具体的数值有待于进一步测试论证。另外，文中还有疏漏和不足之处，敬请各位老师、专家和同学批评指正。致谢致谢首先，我要感谢我的导师钱澄对我的教导，他的严谨的治学态度，渊博的学识思想，不断创新的精神，谦虚的为人品格，使我在学习、工作和为人方面受益匪浅。他不仅密切关注我实验与论文的进度，还在设计的关键时刻指点了我设计进行的方向，提供了极为重要的帮助，使毕业与论文最后得以顺利完成。特别是在我毕业设计中最为关键的时期，钱澄老师悉心的帮助与鼓励，成为照亮我前进方向的明灯。在完成论文的过程中，我还得到了实验室其他老师的热心帮助，在此也衷心地感谢他们。感谢方丽、严丰庆、肖明祥、徐振宇、陈荔涵、卞欣、陈晓青等同学，正是因为同学们的关心支持和无私帮助，我才得以最终战胜困难，圆满完成了设计任务。在此谨向他们表示我最诚挚的感谢。最后，我要感谢我的家人，特别是我的母亲。正是有了他们长期的支持，才使我能够专心学习，顺利完成学业。参考文献参考文献KENINGTONPETERB，HIGHLINEARITYRFAMPLIFIERDESIGNMBOSTON，LONDONARTECHHOUSE，2000CRIPPSSTEVEC，ADVANCEDTECHNIQUESINRFPOWERAMPLIFIERDESIGNMBOSTON,LONDONARTECHHOUSE，2002JVUOLEVI，TRAHKONEN，DISTORTIONINRFPOWERAMPLIFIERSMNORWOOD，MA；ARTECHHOUSE，2003DAVIDMPOZAR，MICROWAVEENGINEERINGMNEWYORKJOHNWILEYSONS，1998JAEHYOKYI，YOUNGOOYANG，MYUNGKYUPARK,ETAL，ANALOGPREDISTORTIONLINEARIZERFORHI曲POWERRFAMPLIFIERJIEEETRANSACTIONSONMICROWAVETHEORYANDTECHNIQUES，2000，V0148，11012，PP27092713JEONGHYEONCHA,JAEHYOKYI，JANGHEONKIM，OPTIMUMDESIGNOFAPREDISTORTIONRFPOWERAMPLIFIERFORMULTICARRIERWCDMAAPPLICATIONSJIEEETRANSACTIONSONMICROWAVETHEORYANDTECHNIQUES，2004，V0152，NO2，PP655663FNOJIMA,ZKONNO，CUBERPERDISTORTIONLINEARIZERFORRELAYEQUIPMENTIN800MHZBANDLANDMOBILETELEPHONESYSTEMJIEEETRAMVEHTECHN01，1985，V01VT34，NO4，PP169177KYAMAUCHI，KMORI，MNAKAYAMA,ETAL，AMICROWAVEMINIATURIZEDLINEARIZERUSINGAPARALLELDIODE、ITHABIASFEEDRESISTANCEJIEEETRANSACTIONSONMICROWAVETHEORYANDTECHNIQUES，1997，V0145，NO12，PP24312435MMURAGUCHI，TYUKITAKE，YNAITO，OPTIMUMDESIGNOF3DBBRANCHLINECOUPLERSUSINGMICROSTRIPLINESJIEEETRANS1983，V01MTT31，NO8，PP674678QPRIBLET，ADIRECTIONALCOUPLER诵MVE巧FLATCOUPLINGJIEEETRANS1978，V01MTT26，NO2，PP7074BMAYER,RKNOCHEL，BRANCHLINECOUPLERS、L，ITLLIMPROVEDDESIGNFLEXIBILITYANDBROADBANDWIDTHJIEEEMTTSHATMICROWAVESYRUPDIGEST，MAY810，1990，PP391394SJPARISI，180。LUMPEDELEMENTHYBRID阴IEEEMTTSSYMPDIG，1989，PP12431246S3U刁列Q习印刀剐绷明U刁RLRILRLRILR_LRLR_ILRLRLLI工参考文献【13】【14】【15【16】【17】18】19】【20】21】【22】23】2425】ISAKAGAMI，KSAKAGUTI，MFUJII，ETAL，ONALUMPEDE