信息与通信工程硕士论文-预失真技术在射频功率放大器设计中的应用.pdf

同济大学硕士学位论文预失真技术在射频功率放大器设计中的应用申请学位级别：硕士专业：信息与通信工程20050101摘要摘要近年来，随着信息产业的迅猛发展，对现代通信系统容量的要求也越来越大。为了追求更高的数据速率和频谱效率，无线通信领域中广泛采用频谱利用率高的线性调制技术盎NQPSK，64QAM等技术，而这些正交调制信号的包络不是恒定的，会导致功率放大器的输出端产生互调失真，引起输出信号的频谱再生，因而要求放大器有良好的线性特性。然而为了提高功放效率，又要求放大器工作在非线性区内。射频功率放大器的线性化技术就提供了一个折衷的方案，它能够改善功放的频谱再生影响，同时能有效提高功率放大器的工作效率。本文从分析射频功率放大器的非线性特性出发，引出了几种常用的线性化方法如反馈、前馈、预失真方法等，并对几种方法的性能优劣作了比较。接着介绍了射频功率放大器设计的基本要点，并以16W射频功率放大器设计为例分析了其具体实现过程，包括用ADS进行直流仿真、s参数仿真、HB仿真，用protel绘制原理图、印刷电路板图等。在此基础上研究了RF预失真线性化方法，对二极管预失真发生器的基本原理、载波抵消性能、不同频率间隔对预失真信号的影响等进行了研究，并将其用于25W射频功率放大器的设计中。然后分析了忽略五阶互调失真对线性度改善引起的误差，预失真发生器与放大器的互调失真的幅度和相位误差对线性度改善的影响，对该预失真电路实现了最优化设计，达到了很好的效果。最后提出了两种分别改善IMD3和IMD5的预失真线性化方法，一种是双路预失真，另一种是混频预失真，并对二者的性能进行了分析。关键词：射频功率放大器，预失真，IMD3，IMD5，双音测试，HB仿真一一一垒!塑堕ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofinationtechnology，communicationschannelsarebecomingincreasinglycrowded，whichpresentstheneedforlargecapacityTorealizehigherdatarateandspectrumefficiency，linearmodulationschenlesaregenerallyfavoredfortheirefficientuseofbandwidth；however，theyexhibitanonconstantenvelopewhichwillcauseintermodulationdistortionintheoutputofRFpoweramplifierandresultinspectrumregrowth，SOalinearpoweramplifierisrequiredIntheotherhand，thepoweramplifiershouldoperateinthenonlinearregionforhighefficiencyByemployingvariouslinearizationteclmiques，thelinearityandefficiencyofapoweramplifiermaybebothimprovedThepaperbeginswiththenonlineareffectsofRFpoweramplifier，thenintroducescommonlinearizationtechniquessuchasfeedback、feedforward、predistortionandtheadvantagesanddisadvantagesofeachtechniquearediscussedThenthemainpointsofRFpoweramplifierdesignarepresentedmadthedesignprocessofa16WRFpoweramplifierisperedincludingsimulationwithADSandPCBdrawingwithprotelThenRFpredistortionlinearizationisanalyzed，wheretheantiparalleldiodespredistortiongeneratorisusedForatwo-tonesignal，threeperancedegradationfactors，higherorderterms，amplitude，andphasemismatchesareanalyzedquantitativelyTheresultsareimplementedtothedesignofoptimizedpredistortion25WpoweramplifierAndtwotypesofpredistortionlinearizationwhichindependentlycontrolIMD3andIMD5arepresented，oneusesanti-paralleldiodespredistortiongenerator，theotheruseslow-frequencyeven-ordercomponentsKeyWords：RFpoweramplifier，predistortion，1MD3，IMD5，twotonetest，HBsimulationII学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务，学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名：利丽柏w。，年月2日经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。指导教师签名：嚏盘岛二w，年3月z日学位论文作者签名：捌丽始仉。s年；月2日同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究_L作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。签名：胡函坛训。f年多月第1章引言11课题背景第1章引言近年来，无线通信事业在全世界范围内蓬勃发展，无线通信设备的用户，特别是无线手机用户迅速增长。随着信息产业的迅猛发展，对现代通信提出了更高的要求，特别是第三代移动通信技术，其业务范围不仅仅局限于语音，还包括数据、图像等服务。随着市场的拓展，要求通信系统容量不断扩大，信息的可靠性，安全性不断提高，致使通信频段越来越拥挤。为了改变这种局面，人们应用了各种技术提高现有频段的频谱效率，比如采用减小信道宽度，时变信道预分配、动态及混合信道分配、延迟连接服务等方法来增加信道数：采用可变比特率控制、不占用空中通道的呼叫启动、减少未完成的呼叫等方法来减少无效的频谱占用；采用信息压缩的方法在不损失信息量的前提下降低话务量：采用低比特率语音编码、降低符号速率等方法实现低数据速率传输：采用高效的数字凋制技术如64QAM、7-4QPSK，以达到更高的用户密度和更广泛的信道空间分配；这些措施都能有效提高频谱的使用效率。因此现代通信的信息传输正朝着大容量、高速度、多载波方向发展。这样，随着信道宽度的减小，频率利用率的提高，随之而来的问题是带外辐射的增加，造成对邻道干扰的增加。出现这种情况的主要原因是在无线通信系统中，存在许多非线性器件，比如放大器、混频器等，特别是功率放大器，它用于放大高频信号，并提供足够高的输出功率以实现最大输出，因此功率放大器常常工作在非线性区甚至工作在饱和区的附近，此时功率放大器呈现出一定程度的非线性响应。因此，随着输入信号功率的增加或者当输入多载波信号时，待放大的载波信号之间相互作用，产生了互调失真(IMD)产物。这些互调产物会导致对带外信号的干扰，并且会对使用功率放大器的系统性能产生有害影响。而且在线性调制方案中，Eh于信号包络是起伏的，故对功率放大器的线性度非常敏感。传统的改进功率放大器线性的方法是采用线性度较好的甲类或者甲乙类放大器，尽量使信号工作于功率放大器的线性工作区，同时结合功率回退等措施第1章引言来避免产生失真产物，满足系统对功率放大器线性度的要求。功率回退法，使功率放大器工作在远离PldB点，一般回退大于3d13，功率放大器才有较好的线性。这样做将大大地浪费功率放大器的功率容量，降低功率放大器的使用效率，即功率放大器线性的改善是靠系统的效率和增加系统的成本为代价的。当需要较高的发射功率时，往往受到当前功率器件输出性能的局限而无法实现。同时对于一些对互调失真指标要求比较高的系统，使用功率回退法无法达到指标要求。因此为了适应现代通信系统发展的要求，有必要采用线性化技术来对射频功率放大器进行改善，以提高系统的性能，减小系统体积，降低系统的需求功率和系统成本。采用线性化技术可以有效消除系统内的干扰和失真，特别是对于功率放大器来说，可以在给定失真指标的情况下，工作在更高的功率电平上，可以提高功率放大器的最大输出功率、效率，并改善功率放大器的线性度，增加功率放大器的工作带宽，使其符合无线通信系统的指标要求。12国内外研究现状线性化技术由于其在卫星通信、数字化广播发射机、蜂窝基站、直放站、手机等中的广泛应用，已经越来越受到国内外无线通信系统设计者的普遍关注。可以说，只要单元电路输入信号中存在多个频率分量，就必须考虑线性化问题。而在cD淞或wCDMA的基站中，即使是单载频也需要采用线性功放。这是因为CDMA是随机包络的宽带信道，如果采用一般的高功放(通常工作于甲乙类)将由于非线性的影响产生频谱再生效应。因此，在高功放的基础上必须对其进行线性化处理，它可以较好地解决信号的频谱再生和EVivl(误差矢量幅值)问题”。目前国内外各种文献中研究了许多种用于射频功率放大器的线性化技术，其中最重要的是前馈技术和预失真技术。前馈技术比较成熟而且性能稳定可靠，但是这些优点是用高成本换来的，而且在前馈电路的校准环中需要一个辅助功率放大器，使得总效率有所降低。而预失真技术电路结构较为简单，成本较低而性能适中，因而在小功率射频功放的设计中得以广泛应用。在工业界，射频功率放大器的线性化技术也得到了足够的重视。始终走在移动通信前沿的中兴通讯，在WCDMA基站产业化建设的过程中取得了不俗的成绩。据中兴通讯WCDM3产品总经理李迎风先生介绍，中兴通讯在掌握基站核心的第1章引言基础上一方面致力于提供高质量的基站设备，另一方面也不断致力于降低基站的成本。通过在基站中应用自行研制的线性功放，曾大幅度降低设备成本。接下来即将进行预失真线性功放的研制与开发，预计它的应用将更能大幅度的提高系统效率。其它一些移动通信公司，包括华为等知名企业，也都在致力于预失真线性功放的研究与开发，以期待提高系统效率，降低基站成本，适应于移动通信的高速发展。13本文内容安排本文在第二章对射频功率放大器的非线性现象进行了分析，包括单音测试分析、双音测试分析以及ACPR分析，阐述了PldB、IMD、ACPR等概念以及几者之间的关系。第三章对各种常用的线性化技术作了综述，并对它们性能的优劣作了比较。第四章阐述了射频功率放大器设计的有关概念，如效率与线性度的折衷，匹配和偏置网络的设计等，并用ADS仿真设计16W射频功放，最后用protel绘制原理图、印刷电路板图。第五章讨论模拟预失真的最优化设计并将其应用于25W射频功放的设计中取得很好的效果，并提出了二种预失真线性化方法分别抵消IMD3和IN)5，并对其性能作了分析。第2章射频功率放大器非线性分析第2章射频功率放大器非线性分析一个理想的功率放大器应该是输出和输入成线性关系，即vow0)2K(，其中K为放大器的电压增益，它的值是个常数。这时放大器的输出波形与输入波形一致，两者成正比关系。在频域上看来，无论在放大器的带内还是带外，都没有引入新的频率成分。同时，一个理想的功率放大器应该是无记忆的，即其输出电压是其输入电压的瞬时函数。但是在实际电路中，输出和输入往往不是线性关系。它们总是成一定的非线性关系。此时放大器具有非线性的增益、相位和记忆效应。即当信号通过功率放大器时，输出信号幅度与输入信号幅度之间是非线性的，这种现象称为AMAM效应，而输出信号的相移大小也随输入信号功率的大小而变化，这种现象称之为AM-PM效应。从另一个角度来看，如果我们假设功率放大器是无记忆的，并且其非线性很弱(这是大多数通信系统的情况)，则其输出电压一可用输入电压m的幂级数来表示，如式(21)所示Vo。=K1+K2V。2+K3踞+f当输入不同的激励信号时，放大器的非线性分析如下：21单音测试分析在研究具有适度非线性的系统时，圪w只需用式(21)的前三项表示就足够了，即Vo。=K1V+K2吆+局吃(22)所谓单音测试，就是用单一频率的正弦波信号作为激励，从而观察系统响应的测试方法。令输入信号2。08r，则由式(21)可得输出响应为：圪w=KlAcosco，+K2A2COS2。，t+K3A3COS3，t=12K2AZ+(K彳+丢KsA3)cosplzK：A2cos2to：+1q刚3cos3唧(2-3)第2章射频功率放大器非线性分析由式(23)可以看到，输出信号中除了有基波分量外，还包含直流信号和二次，三次谐波分量。其中基波分量的系数是墨爿1+云墨7K，该系数在蟛o时，大于K-爿；而在KsO时，小于KA。前者称为增益扩大，后者称为增益压缩。大多数实用器件是增益压缩的，即“，0。增益压缩通常用ldB增益压缩点来描述。ldB增益压缩点是指信号电平的增益比线性增益小ldB的点，即61dg=LJ0-ldB，其中Uo是放大器的小信号增益。ldB增益压缩点对应的输出功率称为P1dB，可用来衡量放大器的功率容量。如果电路中包含容性非线性元件，则基波分量的系数K4+三玛中置和之间就有相位差(既不是0。，也不是180。)。从基波分量的系数表达式中可以看出，载波输出信号的相位与输入信号幅度有关。显然，AMPM效应是增益压缩直接表现的结果，增益压缩得越厉害，AMPM效应就越强，电路进入饱和状态后，AMPM效应将非常严重。在通信系统及图象传输系统中，AMPM效应的存在，会使群时延失真，微分相位、微分增益和交调失真变坏。因此希望尽可能减小功率放大器的AMPM效应。22双音测试分析“”当功率放大器工作在弱非线性区时，双音测试是一种有力的分析工具。通过比较输出信号的交调分量的功率电平，就可以知道功率放大器的非线性性能，也可以通过比较交调分量的功率电平来鉴定线性化方法的有效性和性能好坏。所谓双音测试就是输入两个频率相差很小、幅度相等的信号，在输出端得到频率间隔很小的交调分量，通过测试主峰和交调分量的电平来评估放大信号的性能。设放大器的输入信号。爿。08lH以。082，则由式(22)可得第2章射频功率放大器非线性分析f=KaA(cosCOlt+cosc02，)+K2A2(cos】f+COSC02f)2+玛爿3(coscolt+COSC02r)3(24)把式(24)展开，并忽略第五项以后高阶无穷小项的影响，结果可以发现，功率放大器的输出信号包含了直流，COl，弛，2col，2c02，3c01，3c02，20)l+一n，20)2+一n，3col+一2c02，3092+一2col等丰富的频率成分。这些频率成分经过滤波后，落在带通内的频率成分除了信号频率“，002外，还有2，一哆，2(o：一“，3q一2co：，309：一2co-等奇阶交调失真分量。图21示出了功率放大器输出的频谱(只示出三阶和五阶交调分量)。由图不难发现，奇阶交调分量以相等间隔对称出现在两个信号频率的旁边，形成旁瓣，所以奇阶交调失真对弱信号是很有害的。此外也可以看出：随着奇阶交调失真阶数的增加，其幅度相应地减小。幅度可从式(24)中求得。这些交调失真的幅度与基波幅度之比称为交调系数，即1MDn=IMnPout(25)以dB形式来表示为IMDn(dBc)=IMn(dBm)一Pout(dBm)(26)交调系数是衡量射频功率放大器非线性的一项重要指标，不同的系统对它的要求是不一样的。l：输入图21双音测试输入输出频谱图输出一旦求得交调分量的幅度后，就可以确定功率放大器的交截点(IP)。交截点是功率放大器一个非常重要的性能指标，它定义为信号电平与放大器交调失真成分电平相等的点。显然，放大器的信号电平一般情况下是不会与交调分量的电平相等的，即交截点是把信号功率直线和交调分量的功率直线延长的相交6第2章射频功率放火器非线性分析点，如图22所示。交截点与交调系数的关系是IPn=Pout+脚”2Pout(dB爪)毋。图22交截点示意图Pin(dBm)(27)从图22可以看出，基波信号输出功率与输入功率是l：1(dB)变化关系，即输入功率增加ldB时，输出信号也增加1dB。三阶交调分量与基波信号输入功率是3：l(dB)变化关系，即基波信号输入功率增加1dB，使三阶交调系数IMD3恶化2dB。根据上述变化特性，任意输入功率圪时的三阶交调系数IMD3可由下式估算：IMD3=2(。一只(1)一IMD30a口)(dBc)(28)式中昂为基波信号(q或：)输入功率；只岬为基波信号1dB增益压缩点输入功率。注意上式中各变量都是以dB为运算单位。2，3ACPR测试当功率放大器工作在弱非线性区时，用双音测试来分析功率放大器的非线性是很有效的。然而，当功率放大器工作在1dB增益压缩点附近甚至超过压缩点时高阶IMD(如IMD5和IMD7)的功率电平明显增加，所以高阶交调失真分量也必须予以考虑。此时在PA的设计中再用双音测试分析就不准确了，必须使用其它方法来分析功率放大器的非线性特性。第2章射频功率放大器非线性分析当功率放大器工作在强非线性区时，相邻信道功率比(ACPR)是用来分析其非线性特性的有力工具。所谓相邻信道功率(频谱再生)比是指在一定的带宽内所测得相邻信道的信号功率与主信道的信号功率之比，如图23所示。由于通信技术的飞速发展，多载波数字调制系统得到越来越广泛的应用，而通信信道变得越来越拥挤，又由于ACPR可以表征带宽内信道间相互干扰的情况，所以ACPR成了功率放大器设计的重要性能指标之一。前一节的双频分析假定两个信号的频率相差是固定的，然而，在现代通信系统中情况往往并非如此简单。可以想象，在多载波的系统中，频率之间交差调制的情况是非常复杂的，用简单的双频分析是远远不够准确的。这正是用ACPR分析功率放大器非线性的原因。而用ACPR的另一个原因就是，ACPR越小，说明在一定的带宽内信道间的相互干扰就越小。因此，在相同误码率的条件下，ACPR越小说明频带的利用率就越高。所以，当功率放大器工作在强非线性时用ACPR分析其非线性特性更加合理。图23相邻信道功率比(ACPR)此外，数字调制通信系统也要求用ACPR来分析。在数字调制通信系统中，发射的信号是用一个基带数字信号去调制射频载波信号，以实现信息的传输。在一般情况下，这一数字信号是由0和1组成的平顶脉冲序列。而对于理想的平顶脉冲序列，其绝对带宽是无限大的。虽然在某些点上旁瓣电平可以忽略，从而使得其带宽稍微变窄，但是相对于现代通信信道的带宽来说，平顶脉冲的绝对带宽仍然很大。正如前面所提及的那样，在现代通信系统中如何提高射频频带资源的利用率越来越重要，对于传输这种带宽非常宽的信号是不能接受的。因此，各种脉冲整形滤波器(!glNyquist滤波器)可用来限制其带宽。但是，这种基带滤波的方法又带来码间串扰(ISI)的问题。除了码间串扰以外，脉冲整形也会对射频信号包络的幅度有所影响。对于恒包络调制信号(女NFSK调制信号)，脉冲整形后，其不会受到任何的影响，而对于一个包络变化的信号来说，经过脉冲整形再由放大器的非线性作用后，它就第2章射频功率放火器非线性分析会发生失真，从而导致信息丢失。信息丢失一般用误码率表示。而对于恒包络调制方案(女IJFSK)，信号的信息包含在频率中而不是在相位和幅度中，故其不会受到这种失真的影响，因此，理论上恒包络调制信号可以用非线性高功率放大器进行放大，然而，这种调制方案与其它调制方案相比，其射频频谱带宽的利用率最低，现代通信系统一般不采用这种调制方案。”综上所述，无论是多载波系统还是其它的数字无线电系统都需要用ACPR来分析其中的功率放大器的非线性特性。9第3章线性化技术综述第3章线性化技术综述功率线性化技术总体上可以分为两类。在第一类技术中，射频功放的输入信号是包络变化的，通过非线性功放后会产生失真分量，但可以利用某种技术来消除所产生的失真信号。比如前馈技术是先分离出失真信号，然后再从输出端减去该失真信号的一种线性化技术。另外如预失真技术或负反馈技术，是通过改变输入信号的特性来达到消除失真分量的目的。另一类技术则完全避开了射频功放的非线性特性，该类技术通过某种信号变换使输入信号变成包络恒定的信号。如LINC和eALLUM技术是把输入信号的幅度和相位分离开，形成恒包络但相位变化的两路信号，然后通过放大器放大后再合成的技术。另一种技术EER则把输入信号分解成幅度和相位表示的形式，但只有相位信息通过非线性功放，而幅度信息则用来控制功放的供给电压，通过这种方式来达到线性化目的。本节将几种常用的线性化技术作综述性介绍。31功率回退法这是最常用的方法，即选用功率较大的管子作小功率管使用，实际上是以牺牲直流功耗来提高功放的线性度。功率回退法就是把功率放大器的输入功率从ldB压缩点向后回退几个dB，工作在远小于ldB压缩点的电平上，使功率放大器远离饱和区，进入线性工作区，从而改善功率放大器的三阶交调系数。般情况，当基波功率降低ld8时，三阶交调失真改善3dB。功率回退法简单且易实现，不需要增加任何附加设备，是改善放大器线性度行之有效的方法，缺点是功率放大器的效率大为降低。另外，当功率回退到一定程度，即当IMD3达到一40dBc以下时，继续回退将不再改善放大器的线性度。因此，在线性度要求很高的场合，完全靠功率回退是不够的。10第3章线性化技术综述32预失真技术预失真技术的工作原理，是在输入信号输入到主放大器之前，预先产生一个与主放大器失真特性互补对称的失真特性，即产生“预失真”，如图31所示。然后将这个预失真信号输入到主放大器，两个特性叠加，从而抵消由主放大器产生的失真。fKV一图31预失真原理图图中，卢叱)为预失真器的传输特性曲线，称为预失真函数。一心J为主放大器传输特性曲线，”n为系统总的输出一输入传输特性。如图，预失真函数与主放大器的传输函数呈反相关系，即主放大器的失真特性为增益压缩时，预失真器的失真特性应该是增益扩张的。预失真技术分为RF预失真和数字基带预失真两种基本类型。RF预失真一般采用模拟电路来实现，具有电路结构简单、成本低、易于高频、宽带应用等优点，缺点是频谱再生分量改善较少、高阶频谱分量抵消较困难。基带预失真由于工作频率低，可以用数字电路实现，适应性强，而且可以通过增加采样率和增大量化阶数的办法来抵消高阶互调失真。”“预失真线性化技术，它的优点在于不存在稳定性问题，有更宽的信号频带，能够处理含多载波的信号。预失真技术成本较低，由几个仔细选取的元件封装成单一模块，连在信号源与功放之间，就构成预失真线性功放。手持移动台中的功放已采用了预失真技术，它仅用少量的元件就降低了互调IM产物几dB，但却是很关键的几dB。一!坦匕仁嘲+、1匕M第3章线性化技术综述33前馈前馈技术起源于“反馈”，应该说它并不是什么新技术，早在二三十年代就由美国贝尔实验室提出来了。除了校准(反馈)是加于输出之外，概念上完全是“反馈”。前馈线性化技术的原理如图32所示，由主放大器、耦合器1、衰减器1、相移器l、合成器、延时线1、功分器组成环路l，其作用是抵消放大器的主载频信号；由耦合器1、延时线2、耦合器2、衰减器2、相移器2、辅助放大器、合成器、衰减器1、相移器1组成环路2，其作用是抵消主放大器非线性产生的交调分量，改善功放的线性度。图32前馈原理图辕出射频信号输入后，经功分器分成两路。一路进入主功率放大器，由于其非线性失真，输出端除了有需要放大的主频信号外，还有三阶交调干扰。从主功放的输出中耦合一部分信号经衰减器l调节幅度，并与另一路经过延时线1延时的输入信号在合成器中叠加，使主载频信号完全抵消，只剩下反相的三阶交调分量。三阶交调分量经辅助放大器放大后与经延时线2延时的主功放输出信号在耦合器2中叠加，抵消主功放的三阶交调干扰，从而得到线性的放大信号。”“1前馈技术既提供了较高校准精度的优点，又没有不稳定和带宽受限的缺点。当然，这些优点是用高成本换来的，由于在输出校准，功率电平较大，校准信号需放大到较高的功率电平，这就需要额外的辅助放大器，而且要求这个辅助放大器本身的失真特性应处在前馈系统的指标之上。当然，校准环中添加一辅助功率放大器，因而总效率有所降低。前馈功放的抵消要求是很高的，需获得幅度、相位和时延的匹配，如果出现功率变化、温度变化及器件老化等均会造成抵消失灵。为此，在系统中考虑自适应抵消技术，使抵消能够跟得上内外环境的变化。第3章线性化技术综述3，4负反馈负反馈线性化系统基本框图如图33所示，关于负反馈系统的性质许多教材都有详细描述。从功放线性化的角度考虑，负反馈系统是牺牲功放增益来提高达到压缩失真信号的目的，换而言之功率放大器必需提供足够高的增益才能得到较好的功率增益和线性度。广L剖图33基本负反馈系统框图目前有许多不同类型的负反馈技术，下面主要介绍一下笛卡儿环负反馈技术。笛卡儿环反馈线性化技术是一种较先进并易于理解的线性化机制，它在一些数字应用，例如TETRA(泛欧集群无线接入系统)中应用比较广泛。它是一种典型的反馈环路，只要反馈信号和参考信号同相，环路就无条件地保持稳定。笛卡儿环反馈校正法的结构如图34所示。两个正交的基带信号(零中频信号)I及Q经过低通滤波器滤波后，由正交调制器上变频到载频并放大到期望的功率电平。此时功率放大器的输出信号含有丰富的非线性产物。功率放大器输出的信号部分被耦合反馈回来，通过衰减器和相移器控制反馈信号的幅度和相位，并经正交解调器下变频到相差为90度的两个正交基带信号。这两个正交基带信号(Ir及Qr)最后在误差放大器中分别与原来输入的两个正交信号(I和Q)相比较。第3章线性化技术综述正交调制舞功率放大嚣图34笛卡儿环反馈校正法原理笛卡儿环线性化技术的优点是：该技术比较成熟并易于理解，提供了集成的解决方案，使用笛卡儿环反馈线性化技术来线性化一些实际系统，获得解决方案的时间比较短。该技术能够为系统提供良好的线性，并且能保证系统随时间、温度、输出负载和互调源的变化较小。而且，系统的成本和复杂性的增加比前馈线性化技术的要求低。笛卡儿环线性化技术的缺点是反馈环路生成的噪声离工作频率比较近，系统线性性能受到环路噪声性能的影响较大，同时有效线性化带宽比较窄。35其它几种线性化技术其它几种常见的线性化技术有包络消除和恢复(EFAR)技术、极化环(Polarloop)技术、非线性器件的线性放大机制(LINC)、模拟闭环通用调制器(CCALLUM)技术等。在EFAR技术中，首先把信号包络从高频载波中剥离出来，然后用高效率非线性的放大器对高频载波进行单独放大，然后在功率放大的输出端用信号包络对高频载波进行调制，恢复载波包络，从而得到最后经放大的高频输出信号。EER技术己经在高功率广播系统中使用，但是对于现代数字无线通信应用，还处于研究阶段。这种技术潜在的优势是低成本和低噪声，但存在调制的精确度和性能随时间和温度的变化问题。极化环技术在很多方面和笛卡儿环线性化技术的结构相同。主要的不同是第3章线性化技术综述所采用的反馈类型不同，极化环采用的是幅度和相位坐标，而笛卡儿环采用的是I和Q的形式。极化环线性化方法出现的时间要比笛卡儿环早，然而由于极化环所能达到的线性化性能较差，极化环很少在实际中应用，并且没有作为商业产品来实现。这是由于两个原因，第一：对于大多数的调制方式来说，幅度和相位所需要的反馈带宽不同。因此，所提供的环路增益受幅度支路和相位支路(通常是相位支路)影响。这将导致AIAM和AM_PM干扰抵消的程度有所减弱，这就限制了整体的失真性能。第二：相位反馈支路的工作情况取决于锁相环(PLL)的有效性，而锁相环在较低的幅度电平时会遇到锁定问题。锁相环在跟随陡峭变化的相位也存在问题，例如双音测试中在包络最小处会出现这种情况。非线性器件的线性放大机制(LINC)和模拟闭环通用调制器(CCALLUM)技术都是采用高频合成技术的一种线性发射机方案。在这两种技术中，DSP芯片根据输入的基带信息，生成两路恒定包络相位调制信号，分别经过上变频和非线性功率放大，然后在输出端进行功率合并，同时进行失真抵消，得到预期的线性输出信号。一里!主堑塑塑至垫查墨堡盐第4章射频功率放大器设计41射频功放设计基本要点411工作状态的选择射频功率放大器根据工作状态的不同可分为几类，不同的工作状态对应于射频电路中有源器件的不同偏置状态。根据不同的直流工作点划分为甲类、甲乙类、乙类三种工作状态，如图41所示射频功率放大器四类工作状态的偏置点。图41功率放大器的工作状态甲类工作状态下，整个信号周期内都有电流通过，即导通角Q=360。如果晶体管在线性区内的传输特性近似于线性函数，那么输出信号则是没有任何失真的、放大了的输入信号。甲类功率放大器的优点是线性好、失真小，较好的噪声系数，在ldB压缩点以下具有几乎不失真的脉冲响应，在不同输出电平时的通带起伏小和在不同输出电平时的相位和增益不变。它的缺点是效率不高、较大的热损耗和尺寸大。乙类工作状态下，在信号周期内只有半个周期存在工作电流，即导通角Q=180。，乙类功率放大器在静态时，晶体管几乎没有静态电流，即管耗接近零。为了减小失真，通常采用互补对称电路，它的效率在70以上，每个功率管的最大功耗是电路最大输出功率的20，通常用此关系作为乙类互补对称功率放大器选择功率管的依据。上述关系是在理想情况下计算得到的，因此在实际电路中被选管子的功耗应大于20。第4章射频功率放大器设计甲乙类工作状态结合了甲类和乙类工作状态的特点，其导通角Q的范围在180。至U360。之间。这种放大器通常用于对射频信号进行大功率“线性”放大。在不同的工作状态下，放大器的效率是不同的。功率效率是指放大器的射频输出功率和与供给晶体管的真流功率之比，它表示功率放大器将直流功率转换为射频功率的能力，用公式(41)描述如下射频输出功率“。直流输入功率r41、对于双极晶体管来说，r，称为集电极效率，对于MOSFET和MESFEl、，称之为漏极效率。显然，这种定义没有考虑晶体管的放大能力，即具有相同功率效率的两个晶体管的功率增益可能差别很大。通常在设计功率放大器时，希望使用功率增益高的晶体管。为此，又给出另一种定义如公式(42)PAE-塑嘴篇笋z，PAE称为功率放大器的功率附加效率(poweraddedefficiency)，它既反映了直流功率转换成射频功率的能力，又反映了放大射频功率的能力。可以看出，甲类放大器的效率最低，甲乙类次之，乙类最高，但是甲类放大器的线性是最好的。因此在实际设计中要考虑到二者的折衷。412偏置与匹配网络l、偏置网络偏置网络的设计原则首先应保证功率放大器工作在所需要的工作状态，其次应考虑频率响应、稳定性、损耗、功率容量和二次击穿。(1)频率响应功率放大器中常用的偏置电路有集中参数和分布参数两种形式，如图42所示。集中参数偏置电路主要用于射频的低端，分布参数偏置电路主要用于射频的高端。在设计窄带或点频功率放大器时，偏置电路对电路性能影响非常小，几乎可以不考虑。在设计宽带功率放大器时，或工作频率较高时，偏置电路对电路性能影响比较大，这时，应把偏置电路作为匹配电路的一部分加以考虑。”“第4章射频功率放大器设计一图42偏置电路设计出(2)稳定性在微波功率放大器设计时，经常会遇到通带外有自激，这种自激使功率放大器不稳定。采用窄带分布参数偏置电路可以有效地抑制微波功率放大器的带外自激。(3)损耗在图42中，偏置电路中包含了隔直流电容C，隔直流电容可以采用集中参数电容，也可以采用分布参数电容。在功率放大器设计中，要特别关心隔直流电容的损耗，损耗过大，会使输出功率减小，线性指标变坏。(4)功率容量在设计小信号放大器的偏置电路时，是不必考虑功率容量的，然而在设计功率放大器的偏置电路时，必须考虑功率容量。比如大功率FET的漏极电流可能达到几安培，过细的漏极偏置引线将被烧毁，这就会破坏功率放大器的正常工作，严重时会损坏功率管。(5)二次击穿在实际工作中，经常发现功率管的功耗并未超过允许的最大额定值PcM，晶体管也不很热，但管子却突然失效或者性能显著降低，其损坏的原因，大部分是南二次击穿造成的。当集电极电压超过某个值时，会出现击穿现象，称为一次击穿。只要适当限制工作电流或功耗，而进入击穿的时间又不长，则功率晶体管就不会损坏。然而，在一次击穿出现后，如果继续增大工作电流，晶体管的工作状态会以微秒量级的速度向低电压大电流区域转移，出现第二次击穿，使晶体管损坏。为了避免功率晶体管发生二次击穿，偏置电路中应具有过流保护及过压保护功能。第4章射频功率放大器设科一_-_-_一2、匹配网绍成功地设计一个射频功率放大器的关键是设计阻抗匹配网络。在任何个射频功率放大器设训中，错误的阻抗匹配将使电路不稳定，同时会使电路效率降低和非线性失真加大。在设计功率放大器匹配电路时，匹配电路应同时满足匹配、谐波衰减、带宽、驻波比、线性及实际尺寸等多项要求。当有源器件一旦确定后，可以被选用的匹配电路是相当多的，企图把可能采用的匹配电路列成完整的设计表格几乎是不现实的。设计单级功率放大器主要是设计输入匹配电路和输出匹配电路；设计多级功率放大器除了要设计输入匹配电路和输出匹配电路外，还需要设计级间匹配电路。(1)输入匹配电路如果采用微带匹配网络时，谐振实阻抗不能太高，原因是用低通网络结构把高阻抗降NSOQ时要用到串联高阻抗传输线。该传输线的特性阻抗至少高于谐振实阻抗，达一倍以上，这就使串联高阻抗传输线非常窄，加大了匹配网络的损耗，加大了工艺难度，有时甚至无法实现。在尺寸允许时，可以采用四分之一波长阻抗变换网络。”输出匹配电路确定后，功率放大器的输出功率及效率也基本确定了，但是它的增益平坦度并不一定满足技术指标的要求。这时，需要合理设计输入匹配电路以便使增益平坦度满足要求。设计输入匹配电路时，还应考虑输入驻波比不能太大，在设计频带要求较宽时，这个问题显得特别突出，频带越宽设计难度越大。为了改善输入驻波比性能，可以采用铁氧体隔离器，也可以采用平衡放大器技术。(2)输出匹配电路输出匹配电路主要应具备损耗低，谐波抑制度高，改善驻波比，提高输出功率及改善非线性等功能。谐波抑制。功率放大器的非线性特性使输出不仅包含基波信号，同时还存在各项谐波，谐波幅度大小与基波信号大小呈一定的比例关系。在大功率放大器中，由于基波功率比较大，因此谐波功率也比较大，特别是二次谐波和三次谐波，它们对系统的影响是不可忽略的。为了减小谐波功率输出，通常输出匹配电路采用低通结构或带通结构。在采用带通结构时，应消除寄生通带的影第4章射频功率放大器设计响。当要求谐波输出非常小，单靠上述匹配电路是不能满足对谐波的抑制，还需要加带阻滤波网络。改善驻波比。功率放大器匹配电路设计不完善会使功率放大器输出驻波比较大，因此会加大带内增益起伏，产生寄生信号，严重时会产生自激振荡和烧毁功率管。因此，在设计输出匹配电路时必须使驻波比较小。低损耗。在大功率放大器中，由于输出功率较大，输出电路有一点损耗就会有较大功率损失，并且，在输出电路板上转成热耗，从而使电路的可靠性变差。例如，连续波输出功率为200W，输出匹配电路损耗为IdB，则耗散在输出匹配电路上的功率高达40W以上。输出功率越大，输出匹配电路上所耗散的功率越大。因此，在设计大功率放大器时，应该尽可能减小输出匹配电路的损耗。线性。由非线性分析知道，功率放大器的三阶交调系数是与负载有关的，因此在设计输出匹配电路时，必须考虑线性指标的要求。负载选择应确保线性最好。效率。功率放大器的效率除了取决于晶体管的工作状态、电路结构、负载等因素外，还与输出匹配电路密切相关。要求输出匹配电路保证基波功率增益最大，谐波功率增益最小，损耗尽可能小和良好的散热装置。(3)级间匹配电路级间匹配电路除了与输入匹配电路一起实现平坦增益特性外，还应具备级间隔直流功能。42仿真软件ADS简介仿真是电路设计过程中的一个重要环节，仿真不仅可以帮助我们了解器件的特性指标，而且还提供了一个灵活的软件环境，我们可以在这个环境中相当方便地调整各器件的相关参数，同时观察电路性能的变化趋势，最终确定参数，以取得最好的性能。虽然有时仿真结果与实际实现的性能有一定的差距，但我们还是可以依据仿真结果来估计电路的大体性能及性能指标的变化趋势。在本设计中，我们使用的是安捷伦公司的射频仿真软件ADS。ADS(AdvancedDesignSystem)是安捷伦公司所属的EDA软件系歹IJAgilentEEsof中一个功能强大的产品，能进行整个通信信道的信号仿真，将各种各样被验证过的RF、DSP年I电磁场分析工具集成到一个单一的、弹性的环境中，可以兼第4章射频功率放大器设计容地和其他厂商的EDATK具，一起实现IC干NPCB设计，是唯一实现RF、analog、DSP系统协同仿真的EDA产品。利用它可以考察系统性能对相关参数的灵敏度。它也是一个特别优秀的射频电路、系统信号链路的设计工具。不但其仿真性能优越，而且提供了功能强大的数据后处理能力。ADS应用的三个步骤：1、构造完整的系统或电路模型，并设置仿真类型和参数2、运行仿真(仿真结束后数据结果会自动保存)3、显示仿真结果(将仿真数据转化为直接的图形或表格显示)ADS仿真控制器类型及在射频功率放大器设训中的应用：DcSJmulation(直流仿真)用于仿真三极管特性曲线，确定静态工作点，构建直流偏置网络。SparameterSjmulation(S参数仿真)用于功率放大器的线性仿真，测试VSWR等指标。HarmoniCBalanceSimulation(谐波平衡仿真)用于仿真测试功率放大器交调失真特性、AMAM、AMPM特性等。43用ADs设计CDMM洲射频功放本课题所设计的CDMA16w射频功率放大器主要由射频主电路和控制部分电路两大部分组成。其中射频主电路主要由增益级(GainBlock)、驱动级(Driver)及功率输出级(Power)级联而成，增益级电路的核心部件选用了EiC公司的ECG008，驱动级电路选用了Motorola公司的MHL9838，功率输出级则选用了Motoroa公司的LDMOS器件MRF9180。控制电路主要包括单片机外围控制电路、电流检测及供电电源电路、偏置检测电路、衰减器电路和与外部Pc的连接电路几个部分。控制电路的核心部件选用了Microchip公司的单片机PICl6C73。43116w射频功率放大器的主要性能指标本文所设计的16射频功率放大器主要用于cDMA直放站，应满足以下指标：一篁!里塑塑塑垩整奎墨望盐频率(MHz)870880射频输出功率(dBm)42增益(dB)4060增益不平度(dB)20输入输出驻波比14：1直流输入电压(vDc)+27电流(A)20接口型式SMA外形尺寸(m)20010028432功率输出级设计MRF9180作为功率输出级，是本文设计的16W射频功率放大器的核心器件。其性能仿真如下：1、直流仿真直流仿真的目的是选择工作状态，确定静态工作点。首先从ADS的palette面板中选中MotorolaLDMOSModelLibrary，从中选定MRF9180放置电路图中。然后插入ADS提供的模板(Template)：BJTCURVETRACER，再插入直流仿真控制器DC和PARAMETERSWEEP。在直流仿真前，首先在VarEqn中对VD年HVGG初始化，分别在Dc中设置变量VD，在PARAMETERSWEEP中设置VGG，并且设置SimInstanceName1=”DCI”，指向DC仿真控制器。仿真后由存放在dataset中的数据就可以得到关于MRF9045特性的IDVDS曲线，如图4，3所示，从中可以确定静态工作点，VO=27V，VGG=378V，ID=25A。MRF9180的直流偏簧电路比较简单，一般只需要添加各种数量级的滤波电容，滤波电感以及高频扼流圈RFC就可以了，但在设计这一部分的电路时，有两第4章射频功率放人器设计个问题特别值得注意：(1)高频扼流圈RFC对直流信号起到短路的作用，而对射频信号起到开路的作用，由于射频功率放大器处于高频工作状态，为了减小系统损耗，在实际A应用中，往往会将高频扼流圈RFC更换为4(其中，兄为信号波长)传输线。(2)在晶体管的栅极直流供电部分及漏极直流供电部分都需要加上铁氧体磁珠(FerriteBead)。它实际上是一个玎型低通滤波器，放在直流供电部分可以防止射频信号窜到直流部分，从而起到了隔离射频信号，稳定直流状态，防止工作点漂移的作用。旺里五o：，图43直流仿真电路及仿真结果2、大S参数仿真通过大s参数仿真来完成输入输出阻抗匹配，使功率放大器的增益达到预一一一第4章射频功率放大器设计定指标。建立如图44所示电路图，加入P1Tone激励信号源，负载端接50欧姆Term。选用LSSP仿真控制器，将Freq1，LSSPFreqAtPort1，LSSPFreqAtPort2均设为RFfreq，使三者保持一致。LSSP(1argeSignalS-parameters)是用于非线性电路仿真的，所以它仿真时考虑到了电路的非线性特性，如增益压缩等，即s参数会随着输入功率的不同而改变。仿真后可以得到dB(s(2，1)，dB(s(1，1)及dB(s(2，2)的曲线，但由于MRF9180的输出端要接隔离器，以保护放大器受到大驻波的损坏，因此对其dB(S(2，2)性能指标要求不高，而主要以dB(s(1，1)和dB(s(2，1)指标达到最佳为设计的标准。从仿真结果图45可以看出，由MRF9180构成的功放级电路可以获17