（无线电物理专业论文）225mhz512mhz80w线性功率放大器的研制.pdf

摘要 摘要 在现代微波无线通信系统中，信息传输正朝着多载波、大容量、高速度方向 迅猛发展，通信系统对射频部件的线性度提出了更高的要求。尤其是功率放大器， 其线性程度将直接影响系统的性能。 本文介绍了2 2 5 m h z 5 1 2 m h z 功率放大器的工作原理；利用a d v a n c e dd e s i g n s y s t e m ( a d s ) 仿真软件完成了系统仿真及各部件的指标分配；根据系统中各部件的 指标要求进行了单独设计并加工出产品进行测试。由于该功放要求输出功率大， 工作频带宽，带内增益波动小，线性度高，所以其综合设计难度大。鉴于这个原 因，在理论设计上采用了宽带匹配、功率回退、负反馈等技术；最终达到所要求 的指标。 本文第一章首先介绍了线性功率放大器的特点和应用，以及在实际使用过程 中的大致指标要求。 第二章介绍了线性功率放大器的基础原理，具体需要考核的指标，功率放大 器的分类，以及设计的基本方针。 第三章讨论了功放的线性化技术，在大信号条件下，功率放大器线性指标， 是设计线性功放重要指标和难点；然后介绍了一些常用的和当今比较前沿的功放 线性化方法，例如负反馈法、预失真和前馈技术。 第四章介绍了仿真验证过程。在具体实际工作之前，为了完成整个功率放大 器的课题，采用a d s 对整体进行仿真设计，指标划分，以及从理论上验证设计是 否可行。 第五章是本文的重点，在前面掌握的基础知识上面具体叙述了本课题的实现 方案，各个模块实现功能和指标，设计实践中应该注意的问题和方法，最后是本 功放的测试结果。 关键词：功率放大器，线性化，功率回退，三阶互调失真 a b s t r a c t a bs t r a c t i nm o d e r nm i c r o w a v ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h ep r o c e s so fi n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o ni sf l e e t l yd e v e l o p i n gt o w a r d sm u l t i c a r r i e r , l a r g ec a p a c i t ya n d1 1 i 曲。s p e e d d i r e c t i o n t h e h i g h e rl i n e a r i t y o fr a d i of r e q u e n c yc o m p o n e n ti sd e m a n d e d i n c o m m u n i c a t i o ns y s t e m e s p e c i a l l yt h ep o w e ra m p l i f i e r , l i n e a rl e v e lw i l ld i r e c t l ya f f e c t t h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h ep o w e ra m p l i f i e rw i t ht h e w o r k i n gf r e q u e n c yf r o m2 2 5 m h z t o512 m h z a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ( a d s ) s i m u l a t i o ns o r w a r eh e l p e dc o m p l e t et h es y s t e ms i m u l a t i o na n dt h ei n d e xa l l o c a t i o no f e a c hc o m p o n e n t a c c o r d i n gt ot h ei n d e xo fc o m p o n e n t s ，t h ep r o d u c tw e r ed e s i g n e d ， m a n u f a c t u r e da n dt e s t e d d u et ot h eh i 曲p o w e ro u t p u t ，w i d ew o r k i n gb a n d ，l i t t l e f l u c t u a t i o no ft h eg a i n i n ga n dt h eh i 曲l i n e a r i z a t i o no ft h ep o w e ra m p l i f i e r , i tw a s d i f f i c u l tt od e s i g n i nt h i sp a p e r , t h ew i d e b a n dm a t c h ，p o w e rb a c k s p a c e ，d e g e n e r a t i v e f e e d b a c ka n do t h e rt e c h n o l o g yw e r eu s e dt od e s i g n a tl a s t ，t h ed e m a n di n d e xw a s o b t a i n e d c h a p t e r1i n t r o d u c e dt h ef e a t u r ea n da p p l i c a t i o no fl i n e a rp o w e ra m p l i f i e r , a sw e l l a si nt h ea c t u a lp r o c e s so ft h eg e n e r a lu s eo ft h ei n d i c a t o r c h a p t e r2i n t r o d u c e dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fl i n e a rp o w e ra m p l i f i e r , t h es p e c i f i c n e e d s a s s e s s m e n ti n d i c a t o r s ，p o w e ra m p l i f i e rc l a s s i f i c a t i o n ，a sw e l l a st h eb a s i c p r i n c i p l eo fd e s i g n c h a p t e r3d i s c u s s e dt h el i n e a rp o w e ra m p l i f i e rt e c h n o l o g y , a si n t h el a r g e 。s i g n a l c o n d i t i o n s ，t h el i n e a rp o w e ra m p l i f i e ri n d i c a t o r s ，a st h ep a p e rc o n s i d e rt h et h i r d - o r d e r i n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o no fp o w e ra m p l i f i e r , w h i c hi sa l li m p o r t a n ti n d i c a t o r , a l s ot h e d i f f i c u l t yi nt h ed e s i g np r o c e s so fl i n e a rp o w e ra m p l i f i e r t h e ns o m ec o m m o na n d c o n t e m p o r a r ym e t h o d s ，s u c ha sd e g e n e r a t ef e e d b a c k ，p r e d i s t o r t i o na n df e e d f o r w a r d t e c h n o l o g yt h a tu s e di nd e s i g n i n gl i n e a ra m p l i f i e rw e r ei n t r o d u c e d c h a p t e r4i n t r o d u c e dt h es i m u l a t i o na n dc e r t i f i c a t i o np r o c e s s a c c o r d i n g t ot h e r e m a n di n d e x ，b e f o r ep r o d u c i n gt h el i n e a rp o w e ra m p l i f i e r , a d ss i m u l a t i o ns o f t w a r e a b s t r a c t w a su s e dt os i m u l a t es y s t e m ，a l l o c a t ei n d e xa n dp r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n c h a p t e r5w a st h ef o c a lp o i n to ft h ep a p e r t h i sc h a p t e rp r e s e n t e dt h es c h e m e ，t h e f u n c t i o na n dt h ei n d e xo fe a c hm o d u l eo nt h eb a s i so fm a s t e r i n gt h ef r o n tk n o w l e d g e a l s ot h ew o r t h ya t t e n d i n gp r o b l e mw a sd e s c r i b e d a tt h ee n do ft h i sc h a p t e r , t h et e s t e d r e s u l ta n dp h o t o sw e r eo b t a i n e d k e y w o r d ：p o w e ra m p l i f i e r , l i n e a r i z a t i o n ，p o w e rb a c k s p a c e ， t h i r d - o r d e r i n t e r m o d u l a t i o i ld i s t o r t i o n h i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：毒地日期：9 7 年f o 月f7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日期：07年石月j 1 日 第一章绪论 第一章绪论 随着无线通讯系统的迅猛发展，人们的生活方式从某种意义上说，也发生了 改变【1 - 2 】。由于一方面无线通讯的使用用户、使用范围都在极其迅速的增长，另一 方面新的大量的宽带通讯业务也不断在发展，这就要求在有限的频率范围中容纳 更多的信息，因此人们一方面进一步的拓展通讯频率，例如毫米波等更高频段的 技术发展非常迅速，而另外在原来使用的频率范围，利用率更高的调制技术也被 更加广泛的采用 3 1 ，其中线性调制技术如q a m ( q u a d r a t u r ea m l i t u d em o d u l a t i o n ) 、 q p s k ( q u a d r a t t t r p h a s es h i f tk e y i n g ) 都是使用比较普遍的。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，也就是要在所规定的频率范围内进行 信号传送，但是通信系统中的非线性器件必定会产生非线性失真【4 。7 】，常常在相邻 的频段产生信号，对相邻的信道产生干扰。在发射机系统中，非线性最严重的器 件一般都是功率放大器，要想提高发射机系统的线性度，线性功率放大器的设计 是关键重点。 本课题所研制的功放主要运用于高速跳频电台当中，下面具体简单的介绍一 下此类功放一些指标要求： 关于线性度，在发射机系统中，功率放大器总是工作在大信号状态，而为了 提高放大器的效率，工作点常常在l d b 压缩点( p l d b 点) 附近，在这样状态下， 会产生大量的非线性产物如：三阶交调失真、谐波失真、幅度调制转移失真、调 幅调相转移失真，此时非线性效应非常严重。当输入信号为多载波，非线性产物 中的三阶互调失真对系统信号传输影响最大。为了能保证放大器的线性度，可以 把放大器的工作点尽量设置在远低于p l d b 点，但是这样会降低输出功率，同时也 降低效率，这不是最好的解决办法。在功放的研究中，人们把越来越多的工作放 在了放大器的线性度的研究上，而这些技术我们称之为线性化技术【s 】，常见的线性 化技术有功率回退法、负反馈法、预失真法、前馈法等。 关于频带，在现代无线通讯系统中，图像视频的传输越来越普遍，这就要求 功放工作在宽频带。而本课题的功放由于电子对抗和三军联通的要求，带宽要求 更高。 关于效率，本课题的功放用于车载电台，对效率的要求不是太高，主要是因 为整体的散热条件较好，供电系统能量比较充分。而另外的例如用在背负式电台 电子科技大学硕士学位论文 上( 采用电池供电) 的功放，对效率要求就稍微要高一些了。 关于平坦度，由于输入信号的频段是处于高速跳变的状态，所以如果在工作 频段内平坦度很差，当工作频段由低增益跳变为高增益的时候，但输入信号强度 尚未改变，则很容易造成功放的损毁，如果为了保护功放，降低全频段输入信号 的强度，就降低了整个功放的输出能力。 就现在功放的设计技术来说，某一个单独的指标做得很高是相对容易的。但 是正如本课题的功放，发射机系统对功放的各方面指标都要求较高。从理论中我 们就可以得知功放的线性度和效率是一对矛盾的指标，在实际工作中也可以发现， 功放后期的调试，线性度和效率往往的确是矛盾的；另外在大信号状态下，整个 频段的宽带匹配也需要在高端低端进行牺牲取舍。 本文涉及到的2 2 5 z 5 1 2 m h z 8 0 w 线性功放主要用于2 2 5 m h z 5 1 2 m h z 的 5 0 w 电台发射机末端，在功放后面接功率正反向检测电路和抑制二次谐波的开关 大功率滤波器，然后连接到天线通过天线将信号发送出去。 2 第二章线性化功率放大器的设计 2 1 非线性原理 第二章线性功率放大器的设计 我们都知道电子器件电子电路的的线性假设，其实只是一种近似，所有的电 子电路严格的说都是呈非线性的，理论上的线性电路实际中是并不存在的。不过 在实际工程中，有些的电路具非常弱的非线性，其非线性效应对整个系统的的影 响微弱到可以忽略，人们也常用线性电路的模型来分析它们，比如低频的小信号 放大器。但是很多这类电路应用到微波和毫米波的的领域，其非线性对系统的的 影响就不能忽略了，分析系统就必须考虑其非线性影响。实际应用的微波放大器 都是必须考虑非线性的，其传输特性可以用下式表示： e o u t - - k , + 如e 2 如+ 岛p 3 加+ - x 墨 ( 2 1 ) i = l 这里，毛是常系数，e o 耐、分别表示放大器的输入和输出信号。 一般放大器的传输系数，越高项的系数就越低，对放大器的传输影响就越小， 实际工作中，人们只考虑其最低三项，通常能足够准确的体现器件的传输特性了， 可以近似： = 岛+ 如p 2 加+ 恕e 3 加 ( 2 2 ) 如果输入信号是单音信号，那么二阶失真就表现为正弦波波峰的伸长和波谷 的压缩，三阶失真表现为正弦波的波峰和波谷同时伸长和压缩。但现实中，输入 信号往往是多信号的，我们假设输入的多信号是三信号，可以进行分析。令 气= a c o s a + b c o s b + c e o s c , ( 口 i s l ：足。i 1 一l 1 2 i 墨：是，l ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 实践证明若k 1 成立，贝t 1 1 一i s , ，1 2 与1 一l 是：1 2 一定同时大于或者小于l s ：是。i 。 因此只需要验证其中两项即式( 2 9 ) ，与式( 2 1 0 ) 就能作为晶体管双口网络 的绝对稳定的充分必要条件。 在功率放大器的设计中应首先根据晶体管的散射参量计算稳定系数k ，若满 足无条件稳定的条件，则可用任意信源阻抗和负载阻抗设计微波晶体管放大器， 否则需画出稳定圆，选择适当的信源阻抗和负载阻抗避开不稳定区。在研究放大 器的稳定性时必须对放大器要求的频带内和频带外的稳定性都要检查，尤其是频 带外低频端由于增益高更容易处于不稳定状态，如果工作频带外出现自激振荡， 将会对带内引入大量干扰波和噪声。实际上，式( 2 9 ) 是一个很严格的判据，工 程设计时，只要使得k 接近于1 这样一个条件即够了。由于复数运算比较复杂费 力，因此实际运算常靠计算机软件来完成。 2 5 3 功率放大器的过激励和限幅状态 在前面所介绍到的功率放大器的模型中，器件的工作电流都低于饱和电流， 电压也没有被钳制，器件的工作状态都远离强非线性区域。这是我们设计功放时 要求遵循的守则，这样的目的在于避免限幅效应的发生。现代的发射机系统都要 求很高的线性度，功率放大器的非线性效都被严格的限制，一旦限幅效应出现， 那么线性度就很难得到保障。另外正如前面所提到的，功放的线性度指标和效率 指标往往是矛盾的，提高效率往往线性度会下降。在我们的实际应用中，采用不 同的调制技术，根据不同的具体要求是可以通过牺牲幅度的线性度，来提高效率 和输出功率。例如对于恒包络的调制系统f s k ，g m s k ，o q p s k ，d q p s k 等，都 可以工作在较高幅度失真的的状态下，所以他们的效率也往往可以牺牲幅度失真 来获得一定的改善。 虽然在过驱动激励的限幅状态下，非线性效应非常强烈，但是由于功放管一 个周期内更多的时间处于饱和状态，所以功放的效率是会得到提升的，下面我们 以a 类功放为例子，讨论一下在过驱动的限幅状态下，功放的工作情况。 1 4 第二章线性化功率放大器的设计 漏 极 电 流 l i m a x m a x 2 乒主纛 、。名。 归一化栅极电压 图2 - 8f e t 的强非线性和弱非线性 图2 。8 显示了a 类功放过激状态下栅极电压漏极电流波形。为了方便讨论， 我们假设了功放管具有理想的非线性特性，漏极电流受控于栅极电压。当激励信 号过强，超出了功放管的线性区域时，那么漏极电流就被钳制。从图中我们可以 看到，栅极电压很大的时候，增加栅极电压，漏极电流并不增加；而栅极低电压 部分的漏极电流被截止，这状况有些类似于a b 类功放。但是因为此时功放的工作 点仍然位于饱和截止的中间，因此这样的功放并不是a b 类功放，仍然是a 类功 放。 图2 - 9a 类功率放大器过激和限幅示意图 在前面介绍b 、c 类功放的时候，我们知道导通角减小将增加器件的非线性度， 同时提高器件的效率，而在限幅状态也是这样的。当功放工作在限幅状态，激励 信号越强，导通角就越低，这样输出电流的谐波成分也就越多；同样，输出电压 也存在类似的问题。这个问题如果想做精确的实际分析，将是十分复杂的，我们 先做一些理想化的假设，方便我们分析这样状态下的电路特性。 电子科技大学硕士学位论文 首先，我们假设负载是一个阻性的固定值，虽然在实际应用中，宽带状态下 功放器件的输出阻抗是一个随着频率变化的参数。但这样的负载，原则上在微波 领域是可实现的。其次，我们同样假设功放管的强非线性特性是理想的，导通门 限电压为零。从图2 - 9 中可以看出，如果负载为固定的阻抗，当输出电压超过2 倍供电电压时，输出波形将出现限幅失真。 为了计算出这种功放的输出功率和效率，有必要求出输出电流的基波的表达 式，因为这是我们所关注的，谐波能量将被匹配网络过滤掉而不考虑。如图2 - - 9 所示，1 1 i m 表示未失真电流的的幅度，i m 强表示器件的饱和点，0 【表示钳制角，则 i 蔸= i l n c o soc+i呲(2-12j 于是 7 ( 2 1 3 ) 2 k 在这里 ， ( 2 1 4 ) 乞2 于 从上面的式子可以看出，当l 确定，= 等则可以求出钳制角口的大小， 这样也可以求出。这里争对应于电流幅度的压缩，由此也可以求出功率增益的 1 压缩。根据上面的我们做的分析，功放的输入输出曲线就可以表示为图2 1 0 。由 图可以看出对一般的a 类功放而言，其线性效率只有5 0 ，但是随着激励信号的 上升，射频输出功率也增加，但管耗并未显著变化，这样功放效率就得到提高。 当被功放工作在p 1 曲时，其效率接近a b 类功放指标。如果激励信号进一步加大， 在3 d b 压缩点附近，功放的效率大约是7 0 。 1 6 第二章线性化功率放大器的设计 输如功率 p o 嘛扭 0 输出瑭宰 簸率 图2 1 0a 类功放过激时的效率 就功放本身而言，效率和线性度总是难以兼顾。为了得到较高的效率，人们 普遍的做法是减少导通角，这必然引起线性度的恶化。另一方面，如前面讨论的 一样，过驱动的情况也会提高效率的同时，引起很强的非线性。在实际的应用中， 如果对幅度失真的要求不那么严格的话，过驱动的工作方式也不失为解决线性度 和效率指标问题的一种有用的选择。 2 5 4 功率放大器的合成技术 在功放管性能指标一定的条件下，设计功率放大器时想获得更高的输出功率， 或者更好的线性度指标，我们通常都需要采用功率合成技术，用两个功放管合成 输出功率。目前比较常用的合成技术有两种，即推挽合成和正交平衡功率合成。 在较低频段，更多的使用推挽合成技术使用较多，而进入微波领域，采用正交平 衡合成技术更有利一些。 2 5 5 功率放大器的设计要领 和设计小信号放大器不同，射频功率放大器是在有较高输出功率的状态下， 考察带宽、线性度、增益和稳定性等指标；同时射频功率放大器对工作效率的要 求也比较高；而且射频功率放大器的增益往往不能一级放大就能满足要求，对于 多级放大的功放，它的级间匹配，各级增益，频率响应特性和稳定性都需要统筹 1 7 电子科技大学硕士学位论文 考虑。设计功率放大器，有以下几个环节需要注意： 2 5 4 1 合理选择有源放大器件功放管或者功放模块 设计功率放大器，功放管的选择非常重要。功放管的使用频率和输出能力是 选择功放管的首先需要考虑的。其稳定性、耐压也都不能忽视，并且对功放管最 大的增益、最大容许工作电流、最大耗散功率、最高允许结温度等都要在设计中 做一个初步的计算。需要注意，由于理论和实际工程的差异，余量一定要留够。 2 5 4 2 合理选择工作状态 射频功率放大器的工作状态主要由功率、效率、失真度等性质来决定。现在 的功放的设计，为了兼顾效率和线性度的要求，宽带大功率线性功放往往采用a b 类工作状态。 2 5 4 3 精心设计匹配网络 对于以输出功率为目的的功率放大器，匹配网络非常重重，匹配不好功率就 不能很好的输出；而且功放在大信号状态下工作时，匹配不好也会造成发射功率 过大，可能会烧毁功放内部的器件；而且由于非线性效应，功放的谐波交调分量 比较严重，匹配网络还有滤波器的作用。所以必须用心设计匹配网络。 第三章功率放大器的线性化技术 第三章功率放大器线性化技术 无线通讯系统中，功率放大器的工作点总是在大信号状态，当工作点在p 1 曲 附近时，会产生严重的交调失真、谐波失真、调幅调相转移失真等，这时非线性 效应更加明显。在第二章中我们也讨论了当输入信号为多载波时，对系统传输影 响最大的就是三阶交调失真。在以前传统的功放设计中，为了提高功率放大器的 线性度，往往是采用线性度更高的大功率器件，用功率回退的方式，使功放管的 工作状态处于线性区，远离p 1 d b 点。但这样，除了使得系统的效率大大降低，还 因为大功率器件输出功率的限制，导致最终的功放输出能力低下。 现如今，微波功率放大器的线性化技术发展非常迅速，但是从原理上来看， 主要还是分两类【l o 】：一类包括前馈技术、负反馈技术和预失真技术等，这类技术 的特点就是通过各种方法获得功率放大器的非线性输出曲线，然后针对这个曲线 进行线性补偿；而另外一类比较典型的就是l i n c 法，其原理在于输入幅度固定的 信号，从而降低功率放大器的非线性效应。本章将对一些常见线性化技术的工作 原理和特点做一个初步介绍。 无论线性化技术怎发展得，但是其目的是没有改变的，都是为了在保持功率 放大器较高发射效率同时，获得更好的线性化输出。如图3 1 所示。 曲线( 1 ) ：理想的线性化特性曲线 曲线( 2 ) ：实际未线性化的输入输出特性曲线 曲线( 3 ) ：实际线性化后的特性曲线 图3 - 1 放大器线性化示意图 1 9 电子科技大学硕士学位论文 3 1 负反馈法 负反馈法，在功率放大器中的应用是非常广泛的，在图3 2 中，我们可以看到 它的基本的工作原理 xs 蹋x t 八x 材一l 瑶本放太吃l x ， 删、 一 一l 2 j ia l i x ， l 爵帷圈拽ci l 肭明增卜l 图3 - 2 负反馈电路的一般原理图 源信号x s 经过变换网络产生初始输入信号x ，通过基本放大电路a 后，部分 输出信号输入反馈网络f ，产生反馈信号x f ，然后在放大器的输入端，反馈信号x f 和初始输入信号x ；混合比较，共同输入放大器中，从而最终改善功放的线性度， 这就是负反馈放大器的基本原理。通过负反馈电路，可以改善功率放大器输出功 率的稳定性、增益的稳定性、降低非线性失真等。但是，负反馈电路对非线性失 真的改善并不是很高，而且采用负反馈电路后，功放的增益会有所降低。 常用的负反馈方法包括直接负反馈和间接负反馈控制法两种。因为直接反馈 控制法相对降低增益较多，而且它的稳定性条件又不太容易满足，所以在实际工 程中，应用的更加广泛的是间接负反馈控制法。间接负反馈法已经是很成熟的功 放线性化技术，具体常用的有p o l a r 环法与c a r t e s i a n 环法。 p o l a r 环法的基本原理：通过负反馈网络对比放大信号与激励信号的的幅度和 相位，再加以调整，最终得到较好的线性输出。 下面，我们用一个s s b 单边带发射器的例子，来具体说明p o l a r 环负反馈的工 作过程。如图3 - 3 所示，耦合器耦合出一部分输出信号，经过衰减器，分别输入 鉴相器和峰值检测器与激励信号进行幅值和相位比较。功放工作时，耦合的输出 信号与激励信号峰值检测后输入差分放大器，通过差分放大器调节功率放大器的 a g c ，达到对功放输出功率的控制。而这两个信号的相位也通过鉴相器检验，利用 一个锁相环去控制功率放大器相位。这样功放的相位及幅值都可以进行调节，从 而能有效的改善功放的线性度。p o l a r 环负反馈法的一个缺点在于，对于比较弱的 信号，频率很高时，利用鉴相器进行相位差检测是非常困难的，并不容易实现。 2 0 第三章功率放大器的线性化技术 图3 - 3 p o l a r 环结构 c a r t e s i a n 环法是另一种比较常见的负反馈线性技术。c a r t e s i a n 环法也是分别 对调节功放的幅值及相位，这一点和p o l a r 环法是一样的。具体来说c a r t e s i a n 环法 的基本工作原理如下：当需要被调制的信号处于基带，那么根据数字通信的相关 原理，我们可以把输入信号分为两个i 、q 两个相位相差9 0 度，相互正交的信号， 功放的线性化是通过对i 、q 两路信号分别控制来实现的，具体结构原理如图3 - 4 所示。 i q 调制器 q 皿 化输出 图3 - 4c a r t e s i a n 环结构 激励信号k 、q i n 分别输入不同的差分放大器，再通过调制器调制，产生射频 2 1 电子科技大学硕士学位论文 信号s ( t ) ，有 s ( f ) = i ( t ) c o s ( c o t ) + q ( t ) s i n ( o x ) ( 3 1 ) 式( 3 1 ) 中彩是载波频率。信号s ( o 通过功率放大器放大后，产生的输出信 号会非线性失真，我们利用耦合器耦合出一部分输出信号，经过i - q 解调器，解调 出信号i 砌、q 哪，输入对应的l n 、q i n 输入的差分放大器。通过这样的方式c a r t e s i a n 环，可以准确控制i 、q 在通过功率放大器后的变化。c a r t e s i a n 环法相对p o l ar 环 的有一个优点，因为它是把增益和带宽放在在两个正交的信道中进行平衡，这样 就可以不考虑相位推移，解决了p o l a r 环法中有时相位检测困难的难题。另外，i 、 q 信号的产生可以采用d s p 及a d c 等数字信号处理器件去模拟，也是比较容易 实现的。 3 2 预失真法 预失真技术【l l 】的概念并不复杂，简单的说，在得到放大器的非线性输出曲线 后，预失真技术就根据这个曲线对输入信号进行修正，按照其特性进行“预先失 真”，抵消最终输出信号的失真分量，使其尽可能的小，预失真技术对功率放大器 的线性化效果是比负反馈法要好的。使用预失真技术，电路中需要增加了一个预 失真器。 具体预失真系统的结构原理如图3 5 所示，其中预失真器的作用就是产生一个 失真信号，与原激励信号的非线性输出对应。因为这个失真信号的加入是处于功 率放大器之前，所以也被称作“预失真信号”。根据预失真器( 模块) 在电路中的 具体位置，预失真技术也可以分做射频( i 心) 预失真、中频( i f ) 预失真和基带 预失真等几种。而根据预失真器处理的信号不同，预失真技术也分为模拟预失真 技术和数字预失真技术。 具体讨论射频( i 强) 预失真。所谓射频预失真就是对最终的射频信号进行预 失真处理，因为射频预失真器位于需要线性化的功放之前，处理的是小信号，所 以对器件、电路系统要求也并不高，比较容易实现。 第三章功率放大器的线性化技术 图3 - 5 典型预失真系统 预失真技术是在激励信号输入放大器之前，对激励信号所产生的非线性曲线 进行“预先失真”处理，以便尽可能的减小放大器输出中的失真信号。所以功率 放大器采用预失真法进行线性化处理，可以工作在较宽的频率范围内，功放调试 也并不复杂。不过预失真技术对三阶交调失真交调改善还是比较有限的，对于线 性化要求很高的系统( 5 0 d b c ) 采用预失真技术就很难满足要求。 下面用传输函数表示的预失真技术原理框图。图3 - 6 中，a 为的功率放大器， b 为预失真电路。其中 巩= h ( j c o ) e 一烈纠( 3 - 2 ) =善凳，(k为常数)(3-3)h8 = 西i 万两，k 为常数 则整体传递函数为 h = 矽。f 口= k ( 3 4 ) 图3 - 6 用传输函数表示的预失真系统原理图 另外我们也可以用图3 7 来说明预失真技术是如何改善功放的线性度。 p r e d is t o r t e ra m p li f e r y + z x ， x 图3 7 预失真线性功放的实现机理 电子科技大学硕士学位论文 显然，预失真技术的关键是获得未预失真处理时功率放大器的非线性曲线， 从而计算出所需要的预失真器特性，然后实际设计一个电路，实现该传输特性。 实际工程中，射频预失真网络常用于降低功率放大器的三阶互调失真，在第二章 我们知道在无线通讯系统中，三阶互调失真是主要的非线性效应，降低三阶互调 分量能有效的改善系统的线性度。 预失真电路的设计很多，有的也很复杂，但最原始的设计却很简单：把需要 进行线性化处理的功率放大器输出特性全部测试并记录下来，然后存储在预失真 电路中，通过查表技术检测出信号的失真，再对信号一一进行补偿。这种方法比 较容易实现，但是在实际工作中随着系统的使用，各个器件的传输特性会逐渐发 生变化，而我们不能总测试并记录其传输特性，然后修正预失真器。所以随着使 用时间，这样的预失真功放线性度会下降，有时预失真器甚至会失效恶化系统的 线性度。所以预失真放大器的一个难点在于提高其稳定性。 3 3 前馈法 目前的功率放大器线性化技术，最受重视、发展得最为迅速的，无疑是前馈 技术【1 2 d 4 1 。在国外，前馈技术的应用已经比较的广泛，但国内的前馈技术还有待 进一步的发展。随着新一代通信体制及h d t v 的发展，人们对功率放大器的线性 度要求更高了，前馈线性化技术是有效改善功放线性度的一把钥匙。前馈法比预 失真法先进的地方，主要体现在它的稳定性和通用性上。 在图3 8 中我们可以看到前馈法技术的工作原理【l 副，一般的前馈电路由两个 环路组成，其中环l 的作用是通过比较得出经功率放大器后信号的失真信号，而 环2 是进行失真信号的消除。如图所示，我们在在放大器( a 1 ) 输出口耦合部分 输出信号与延时后的输入信号相减，这样可以获得功率放大器的失真信号。这个 失真信号经过放大器( a 2 ) 放大，然后与经时延后的原输出信号相减混合，可以 大量抵消失真分量，改善功放的线性度。虽然前馈法要求的技术高，控制系统也 很复杂，但是这种方法和前面提到的线性化技术相比，能够更加稳定高效的改善 功率放大器的线性度。在需要高线性度的系统中，前馈法技术越来越多的被使用。 第三章功率放大器的线性化技术 延迟单元功放如 图3 - 8 前馈线性化工作原理图 在前馈技术中，自适应前馈线性化技术应用是比较多的。因为前馈的重点就 抵消失真，所以网络结构中的主要参数如果能随着运行环境的变化而变化，那对 指标就会有进一步的改善。自适应前馈线性化技术的原理如图3 - 9 所示。 输 v i 弋，_ j ，、k 弋。，_ 信号消减环误差消减环 3 4l i n c 法 图3 - 9 自适应前馈网络结构 l i n e 线性化技术原理是，通过信号分量分离器把输入信号分解成两个信号， 幅度相等并且固定，这样对这两个信号进行放大的功率放大器的幅度增益和相移 也是相等、固定的。这样两个功率放大器的输出信号分量只需要相移校正后用信 号合成器合成，就能有效地降低非线性效应。其原理框图如下： 电子科技大学硕士学位论文 信 ! 固一正交霎剑罨 母 分 = 一词叁 离 分 襞 嚣 图3 l ol i n g 线性化系统原理框图 令输入信号 s ( t ) = a ( t ) c o s ( 2 x f 。+ 矽( f ) ) 我们假设k 为输入信号s ( t ) 分解后两个等幅矢量的幅度值， 器的两路信号s 。( t ) ，s 。( t ) 可以分别表示为： s l ( t ) = 厶( t ) e o s ( 2 z f 。+ 烈f ) + 似f ) ) 蔓( f ) = 如( t ) c o s ( 2 z f c + 烈f ) 一烈f ) ) 此时我们可以通过令 a ( t ) = a r c c o s 啤) 使得 号 ( 3 5 ) 则经过信号分离 ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) s ( f ) ：盟娑逊( 3 - 9 ) z l i n g 技术的难点在于要求两条路径中的信号要求尽量一致，如果两条路径上 信号幅度和相位不平衡，就会使邻道干扰增加，降低线性度，但这个平衡并不容 易做到，实现起来难度较大。 以上种种高频放大器线性化技术各有优缺点。它们对线性指标也都有显著的 改善，一般来说，其中负反馈法能够改善1 0 d b - 一1 5 d b ，预失真能改善1 0 d b - 2 0 d b ， 前馈法能改善2 5 d b 4 0 d b 。 第四章线行功率放大器的仿真 4 1a d s 简介 第四章线性功率放大器的仿真 h p a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m 简称a d s 。作为a g i l e n tt e c l m o l i g y i e s 公司融合原 有产品h pm d s ( m i c r o w a v ed e s i g ns y s t e m ) h pe e s o f f ( e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g s o f t w a r e ) 后，推出的一套新的电路仿真设计软件，a d s 保留了前两者原有的精华， 同时又增加了更多新的功能。 a d s 功能十分强大，包含时域电路仿真( s p i c e 1 i k es i m u l a t i o n ) 、频域电 路仿真( h a r m o n i cb a l a n c e 、l i n e a r a n a l y s i s ) 、三维电磁仿真( e ms i m u l a t i o n ) 、 通信系统仿真( c o m m u n i c a t i o ns y s t e ms i m u l a t i o n ) 、数字信号处理仿真设计 ( d s p ) 等。 因为窗口技术、工具栏、快捷键、模板等人机界面的使用，a d s 的操作更加 简洁方便。同时a d s 还提供器件图例、库浏览以及即时浏览各分层器件的实际电 路等功能，进一步增强了它的实用性。 正因为a d s 功能强大、操作方便，它早已经被电子工程设计师广泛的应用。 a d s 是现代通信系统及其子系统的设计和仿真的好工具。 a d s 版本由早期的a d s l 5 发展到最新的a d s 2 0 0 8 ，在射频微波领域的应用 已经非常成熟。a d s 的应用主要有以下几个方面： d s p 设计 射频和微波电路的设计( 包括r f i c 、r fb o a r d ) 通信系统的设计 向量仿真 绘制原理图 系统仿真 p r o t e l 制版 p s p i e e 原理图 电子科技大学硕士学位论文 4 2 仿真2 2 5 m h z 一5 12 m h z 线性功率放大器 进行功率放大器的仿真必须要有准确的模型，本课题的功率放大器设计采用 的是三级放大。第一级采用p h i l i p s 的c a t v 模块b g d 8 1 4 ，该器件是一个功放模 块不需要进行仿真，接下来的推动级和末放级，分别采用了是需要进行仿真验证 的英国s e m e l a b 公司的d 1 0 1 6 u k ，d 1 0 0 9 u k 功放管，需要进行电路匹配，所 以仿真是很有必要的，d 1 0 1 6 u k 具体仿真如下 第四章线行功率放大器的仿真 嚣 3 q 苫 鬲 嚣忍 譬 宇 皇 n_ g n o ； 图4 - 1d 1 0 1 6 u k 的s 参数仿真图 电子科技大学硕士学位论文 第五章线性功率放大器的研制 5 1 功率放大器的指标要求 5 0q 2 5 0 w v +v 一 接 收 通 道 图5 1 发射组件结构图 本课题涉及到的功放为电台发射组件的的核心部分，即如5 1 所示的p a 模块， 具体根据发射组件的整体指标，对功放的指标划分要求如下： 频率范围：2 2 5 m h z 51 2 m h z 供电：+ 2 8 v l d b 压缩点： 8 0 w 频段内输出功率波动：士1 5 d b 输入电平：1 0 d b m 增益： 4 0 d b 电源+ 2 8 v , 在8 0 w a t t s 输出时：工作效率趁5 杂散： 7 5 d b c ( m i n i m u m ) 三阶互调抑制( 单音信号各回退6 d b ，两信号隔0 2 m h z ，在输出4 9 d b m 时定 义) ：銎0 d b c 输出端可开路短路时间：1s e e 3 0 第五章线行功率放大器的研制 温度检测输出：v t = 0 5 v + t c 1 0 1 1 1 v 工作温度：4 0o c + 6 5 ( + 6 5 工作时，当散热条件较差时，允许功率下降 5 0 d b 。 5 3 2巴伦 不平衡 输入 l平衡 卜叫输出 图5 4 巴伦的结构 3 2 第五章线行功率放大器的研制 此功放中巴伦由5 0q 的柔性电缆套上磁环构成，电缆长度取4 0 0 m h z 波长的 八分之一，大约9 0 m m 。 依赖于巴仑，推挽放大器的方案可得到如下结果：带宽可提高一个数量级， s 】l o ，s 2 2 # 0 ，偶次谐波被抑制。 如图5 4 所示，在输入端，同轴电缆的内芯( 1 端口) 接信号激励，外皮( o 端口) 接地，在输出端，内芯( 2 端口) 和外皮( 3 端口) 分别接功放管的输入端， 整个同轴电缆的中间悬空。这里套上磁环【l6 主要是为了增加巴伦的感抗。 5 3 3b g d 8 1 4 前放级是小信号放大。该级主要的功能是把射频小信号进行初步的放大，其 输出功率大概控制1 w 以下，因此对该级的功放器件的要求是具有较高的增益， 较宽的频带，较好的线性度。 本功放采用p h i l i p s 的c