（无线电物理专业论文）tdscdma模拟预失真线性放大器的研制.pdf

摘要 摘要 随着现代无线通信的发展，特别是c d m a 体制的无线通信的发展需要，高线 性度的功率放大器已经成为通信系统的重要部件。 本文分析了微波功率放大器的非线性特性，特别是a m a m 转换和a m p m 转换对多载波信号的影响，介绍了反馈、前馈、预失真等各种常用线性化技术的 基本原理，并对它们的优缺点进行了比较总结。 本文的主要工作是根据3 g 国标t d s c d m a 指标要求，研制在此频段的功率 放大器，该功率放大器采用模拟预失真技术实现信号的线性化放大。本文在器件 上选择了f r e e s c a l e 公司的l d m o s 管m r f 6 s 1 1 9 0 6 0 n b r l 作为主功放管，w j 公 司的a h 2 0 2 放大器作为驱动放大器，s i r e n z a 公司的s t q 2 0 1 6 z 作为矢量调节器。 在方案上采用了反相并联二极管对产生非线性失真信号，经过矢量调节器得到需 要的幅度及相位后再与主信号叠加的办法对放大器进行了预失真处理。在实验研 究过程中发现随着三阶互调抑制度的提高，五阶互调抑制度下降，并对此现象进 行了理论上的探讨，提出了更好的解决办法，并利用a d s 仿真软件进行了仿真， 取得了较好的结果。 本文研制的模拟预失真线性放大器双音测试结果表明，在t d s c d m a 所需 要的2 0 1 0 2 0 2 5 m h z 频段内，当输出功率达到t d s c d m a 标准的平均功率 3 3 d b m 时，系统增益为2 7 d b ，双音信号的三阶互调抑制度的改善超过了2 0 d b ， 达到了5 0 d b c ，实现了预期指标。 关键字：t d s c d m a 功率放大器线性化模拟预失真三阶互调 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mw i r e l e s sc o m m u m c a t i o n s ，i tn e e d st h el i n e a r p o w e ra m p l i f i e ra sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n ti nt h em o d e mc o m m u n i c a t i o ns y s t e mn o w t h en o n l i n e a r i n f l u e n c eo nm u l t i p l ec a i t i e i ss i g n a l ，s u c ha sa m a ma n da m p m c o n v e r s i o n , h a sb e e na n a l y z e d i n t h i s p a p e r , a n ds o m ec o m m o nl i n e a r i z a t i o n t e c h n i q u e s ，s u c h a sf e e d b a c k , f e e d f o r w a r da n d p r e - d i s t o r t i o n , h a v e a l s ob e e n i n t r o d u c e da n dc o m p a r e d ，a n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sh a v ea l s ob e e n a n a l y s e d i nt h i st h e s i s ，t h em a i nw o r ki st or e s e a r c ha n dd e v e l o pap o w e ra m p l i f i e rw i t ht h e c h i n e s es t a n d a r do f3 ga n dt h ep o w e ra m p l i f i e ri su t i l i z i n gp r e d i s t o r t i o nt e c h n o l o g y t h el d m o s f e tm r f 6 s 1 9 0 6 0 n b r lo ft h ef r e e s c a l ec o m p a n yi sc h o s e na st h em a i n p o w e ra m p l i f i e r , w h i l et h ea h 2 0 2o fw jc o m p a n ya st h ed r i v e rp o w e ra m p l i f i e r , a n d t h es t q - 2 0 1 6 za st h ev e c t o r - c o n d i t i o n t h ea n t i - p a r a l l e ld i o d e sa r eu s e dt op r o d u c e t h i r d - o r d e ri n t e r - m o d u l a t i o ns i g n a l ( i m 3 ) t op r e d i s t o r tt h es i g n a lo ft h ep o w e ra m p l i f i e r i nt h i sr e s e a r c h ，i ti sf o u n dt h a tw i t ht h ed e c l i n eo ft h ei m 3 ，t h ei m 5i n c r e a s e s ，a n dw i t h t h et h e o r y sa n a l y s i n g , ab e t t e ra p p r o a c hw a sb r o u l 曲tf o r w a r d ，t h e ni th a sb e e np r o v e d i nt h es o f t w a r ea d s i n t h i s t h e s i s ，f i n a l l yi n t h et w o t o n e st e s t ，t h ea n a l o gp r e d i s t o r t i o np o w e r a m p l i f i e rd e v e l o p e di n t h i sp a p e rs h o w st h a ta tt h er e q u i r e d f r e q u e n c yb a n d 2 0 1 0 2 0 2 5 m h z ，w h i l et h eo u t p u ti st h ea v e r a g ep o w e ro f3 3 d b m ，m o r et h a n2 0 d b i m p r o v e m e n ti n t h et h i r d o r d e ri n t e r - m o d u l a t i o n w i t h2w a t t o u t p u t ，o f f e r i n g a p p r o x i m a t e l y5 0 d b ct h i r d - o r d e r i n t e r - m o d u l a t i o n d e p r e s s ( i m d 3 ) o u t p u t ，a n d a c h i e v e dt h ee x p e c t e dg o a l k e yw o r d ：t d - s c d m a , p o w e ra m p l i f i e r , l i n e a f i t y , a n a l o gp r e d i s t o r t ，t h i r do r d e r i n t e r - m o d u l a t i o n 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：童显日期：2 。? 年 月箩日 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) 签名支畅导师签名： 日期： 2 0 0 2 年尹月罗日 第一章绪论 第一章绪论 自2 0 世纪8 0 年代以来，移动通信在全球范围内得到迅猛发展，它不仅改变 了人们的通信方式，而且在某种程度上改变了人们的生活方式。在中国，据官方 统计，截止2 0 0 7 年，手机用户已经突破了5 亿，无线移动通信已经进入规模化发 展的道路，并已成为信息产业中最耀眼的亮点。 当利用无线电来传送信息时，必须将信号功率增强到足以成功传输的水平。 用于增强信号电平的器件是放大器。在许多射频与微波通信系统中，功率电平会 非常高，结果使发射机中功放的成本所占比重极高，因此对放大器的性能加以优 化获得最佳的性价比对于通信系统的成功应用至关重要。 第一代通信系统使用的频分多址( f d m a ) 技术及第二代通信系统使用时分多 址( v d m a ) 技术采用恒定包络调制及图1 - 1 所示的每载波单路放大、腔体合路器合 成的架构。 图1 - 1 单载波单路放大、腔体合并器 对于恒定包络信号，每一路功放可以工作在饱和状态以得到最高的放大器效 率，非线性放大产生的谐波失真可使用低通滤波器滤除。然而尽管单路放大器有 高的功率效率，但是大功率腔体合路器固有的高损耗又会限制发射机可取得的整 体效率。 为提高频谱利用率，为了在有限的带宽内容纳更多的信道传递更多的数据， 第三代移动通信标准应运产生。这些标准目前的趋势是使用多电平非恒定包络调 制方式，其结果就是必须采用多载波放大的办法。 电子科技大学硕士学位论文 多路输入 图1 - 2 多载波放大架构 如上图所示，多载波放大通过一个共用多载波放大器放大多个载波，信号合 路在低功率电平上进行，不再需要昂贵、笨重、损耗高的大功率腔体合路器，比 每载波单路放大更经济、高效、灵活，并且重量轻、体积小。t d s c d m a 就是采 用了大带宽多载波系统。 2 0 世纪9 0 年代后期，数字移动通信技术迅猛发展，为了节省频谱资源，出 现了多种通信体制。频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 、码分多址( c d m a ) 已 用于现代数字通信，多载波码分多址和正交频分多址体制相继出现。这些系统都 具有共同的特点，多载波、大动态范围，对射频输出功率放大器的线性度要求非 常苛刻。功率放大器总是应用在大信号状态，或工作在i d b 压缩点附近，此时非 线性变得非常严型1 1 。如今，四相相移键控( q p s k ) 、多进制正交调幅( m q a m ) 以 及多元线性幅度调制方案日渐风行，这些信号是非恒定包络的调相信号。这将导 致系统输出信号包络具有很大的峰值平均值功率比( t d s c d m a 超过1 0 d b ) ，由 于大动态范围信号对系统的非线性非常敏感，这就带来另一个问题，即非线性失 真将影响通信系统的性能。功率放大器是通信系统中非线性最强的器件之一，其 非线性失真对无线通信系统将产生诸多不良影响。在移动通信中，为提高系统的 功率效率，功率放大器基本上都工作在非线性区域。因此，线性功率放大器的设 计就成为通信系统发射机设计的关键。 非线性功率放大器的增益及相移随信号功率电平的变化而变化，非恒定包络 角调制信号通过非线性放大后，输出的角调制信号中会出现新的边带互调失真产 物( i m d ) 。这些新边带进一步展宽了信号带宽。 i m d 落在相邻通带内的成分称为相邻通道功率( a c p ) 。在p c s 系统中，常发 生在发射通道的相邻通道接收微弱远距离信号的情况。泄漏到接收通带内的发射 信号i m d 边带可能会淹没接收信号。为避免干扰，发射机的i m d 产物必须比载 波电平低3 5 - - 6 5 d b ，具体数值由应用决定。 带内i m d 对信号质量的影响则体现在降低信号的载噪比c n 导致误码率增 加，这对多电平线性调制影响更大，因此对于1 6 q a m 及8 p s k 信号，需要更高 2 第一章绪论 的载波交调比c i 以得到低的误码率。 综上所述，由于线性放大器的重要性，线性化功率放大器的发展也越来越得 到重视，呈现出大量的文献以及成果。 国外方面，有大批的同行研究了负反馈、前馈、预失真以及自适应的线性化 技术，更有将它们有机结合，实现了线性放大器更高的指标。 j a e h y o ky i 等研制的模拟预失真( p d ) 线性化器具有独立抵消3 阶及5 阶i m d 的能力，在4 5 d b m 的平均功率下，使用带宽为8 m h z ，峰均功率比为l l d b 左右 的的c d m a 信号测得距c d m a 信号中心5 m h z 处a c p r 有9 d b 的改善。此放大 器频率范围为2 3 7 2 4 g h z ，拥有3 0 m h z 的带宽【2 1 。 k a z u h i s ay a m a u c h i 提出了一种二极管与偏置电阻并联构成的小型p d ，与一 个3 7 5 d b m 2 7 g h z 的s 波段放大器结合使用对4 q p s k 信号a c p r 有5 d b 改 善，效率有8 5 的改善i 引。 t p w e l d o n 等提出一种使用差线性放大器改善好线性放大器线性的方案， 利用它们不同的增益和截止点，通过公式p 3 = o i p 3 3 ( o i p 3 一p 0 u t ) ，可以推出当 满足2 ( o i p 3 1 0 i p 3 2 ) - 3 ( g 1 g 2 ) 时，刚好两个放大器的三阶交调量相等。通 过1 8 0 度电桥可以使二者抵消，从而达到线性化的目的。实验结果，三阶互调产 物( i m 3 ) 从原来的6 2 d b m 降低为8 5 d b m ，取得了2 3 d b 的改善1 4 l 。 c h a r t w a n gp a r k 等人在他们的文章中介绍了一种分别改善a m a m 和 a m p m 的双模拟预失真电路，每个预失真发生器都用两个偏置的并联肖特基二 极管联接于9 0 度电桥，通过混频产生三阶交调信号，此种设计易于实现，且效率 能够得到提高，能有效的改善放大器的线性度，经过中心频率为1 9 6 g h z ，带宽 为6 0 m h z 的c d m a 2 0 0 0 多载波信号测试，能改善a c p r 达6 d b 以上【5 1 。 j k i m 等人使用串接f e t 实现了一种有增益的相位特性可调p d ，便于单片 实现，适用于各种相位特性的功放，无需外接缓冲放大器以补偿损耗。将该p d 与3 0 w 基站功放合用后，i d b 压缩点功率从5 2 7 增加至5 3 4 d b m ，相位偏差从 7 0 降至3 9 1 6 j 。 k h o r i g u c h i 等在他们的文章中的研制的前馈方案结合使用了串联二极管p d 线性化器以改善前馈效率，该前馈放大器在输出功率4 5 6 d b m 时距中心频率 l o m h z 处取得了a c p r = 5 0 d b c ，取得了1 0 的效率。比不使用p d 线性化器效率 提高了1 1 7 1 。 y i lg a r yh a u 对前馈放大器中的主放大器和误差放大器用c 型节全通网络 3 电子科技大学硕士学位论文 进行相位均衡以展宽抵消带宽，在两个环路的不同地方都分别加了一个相位平衡 器，这样可以抵消掉主放大器、辅助放大器的相位偏移，这样，在传统的前馈放 大器又添加了相位平衡的用处，使得相位差减小，使得线性化指标进一步提高。 对1 7 1 9 g h z 前馈放大器，传统方法平均可取得1 5 d b 的i m 3 抵消，使用相位均 衡后在此基础上又增加了6 d b 的i m 3 抵消峭j 。 。 a b r o a dk h a n i f a r 等人，又设计了一种带负反馈的前馈放大器，如图，虚线代 表将误差信号的反馈回来线路，这种结果就是能在放大之前预失真信号，使得线 性化结果更好。使用反馈后，i m 3 大概有7 d b 左右的改善，不过由于反馈的闭环 效应，带宽将收到一定的限铝l j l 9 1 。 y o u n g o o y a n g 等人，在他们的文章中介绍了一种i m t - - 2 0 0 0 波段的宽频段多 载波放大器，其中将d s p 技术运用到了前馈放大器中。他们先将所有信号频率下 变频至d s p 能处理的速度的频率上，再用肖特基二极管检波，采样后送至d s p ， 进行自动控制调整矢量调节器，从而实现自适应。在d s p 算法上，他们采用了自 适应的6 调制功率斜率的算法，达到了很快的收敛时间和平滑度。最终用平均功 率2 7 d b m 的w c d m a 信号测试，其载波频率为2 1 5 g h z ，p t b 2 0 1 4 7 管子，p 1 为3 9 d b m ，在加线性化处理前，其i m d 为2 8 d b c ，线性化后能达到5 0 d b c 1 0 l 。 国内方面，也出现了不少的文章介绍线性化功率放大器。这里简单介绍的是 几位电子科技大学学生的成果。 谢成诚、罗嘉等人，采用自适应预失真前馈线性化系统来改善高功率放大器 的线性度，加入自适应控制模块，射频电路不受温度、时漂的影响，可始终处于 较佳工作状态，经双音测试证明，本系统在输出总功率为4 9 d b m 时，三阶互调产 物抑制比为4 8 d b c ，较未加入线性化系统前改善了2 4 d b c ，此时系统总效率为 2 7 8 ，达到了高效率、高线性度的目的1 1 1j 。 张翔利用前馈的线性化技术，制造了基于t d s c d m a 标准的放大器，利用 l d b 压缩点为3 8 d b m 的功放管，在双音测试，输出功率为2 0 d b m 的情况下，改 善的三阶互调抑制度达到4 0 d b c 【1 2 l 。 石海霞制作的模拟预失真器，利用了l d b 压缩点为l w 的功率管，在2 6 g i - i z 的频段内进行双音测试，改善了三阶互调抑制度1 4 d b 1 3 1 。 本实验室的郭道元，将a m 0 7 2 m z - q g ，l d b 压缩点为3 4 d b m 的管子，采用 了前馈的技术，在3 5 - 3 5 3 g h z 频段处，输出功率为3 0 d b m 时，将三阶互调抑 制度成功的降低了4 5 d b c ，达到了近6 0 d b c l l 4 j 。 4 第一章绪论 本文就我国自主研发的第三代移动通信标准t d s c d m a 标准的基站放大器 进行了线性化技术的研究。 本次功率放大器的设计指标如下： 频段：2 0 1 0 2 0 2 5 m h z ； 功率：平均功率3 3 d b m ，峰值功率4 5 d b m ； 线性度：在输出功率为平均功率时，需要i m d 3 在5 0 d b c 以上，a c p r ( 临 信道功率比) 在4 5 d b c 以上。 其中，驱动放大器采用的是w j 公司的a h 2 0 2 ，l d b 压缩点为3 0 d b m 左右； 主功率放大器采用的是f r e e s c a l e 公司的m r f 6 s 1 9 0 6 0 n b r l ，l d b 压缩点为6 0 w 左右( 约4 7 5 d b m ) 。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章微波功率放大器的设计基础 功率放大器是微波通信系统、广播电视发射、雷达、导航系统的核心部件之 一在所有微波发射系统中，都需要功率放大器将信号放大到足够的功率水平， 再由天线将信号辐射出去，经电波传播媒介而到达接受端，以实现信号的发射， 实现信号的远距离传输和保障可靠的接收。实际上它不仅应用在各种类型发射机 中，许多电子设备如高频换流器及微波功率源等也广泛用到它。这里，简单的介 绍一下它的理论基础以及技术指标。 2 1 功率放大器的分类 微波功率放大器按工作频带分类，可以分为窄带功率放大器和宽带功率放大 器。窄带功率放大器的频带相对较窄，一般都采用选频网络作为负载回路，例如 l c 谐振回路；宽带功率放大器不采用选频网络作为负载回路，而是以频率响应 很宽的传输线作为负载。 、 微波功率放大器按照电流导通角口的不同分类，可分为甲( a ) 、乙( b ) 、丙( c ) 三类。甲类放大器的导通角口= 1 8 0 ，适用于小信号低功率放大。乙类放大器导 通角0 = 9 0 。丙类放大器的导通角日 p 坳+ 1 0 8( 2 1 ) t o i 匕+ 8 6 ( 2 - 2 ) p 坳+ 3 如时，有叩。- p a e 。 如何提高输出功率和保证高的效率，是微波功率放大器设计的重要目标。 2 3 线性度 功率放大器总是应用在大信号状态，或工作在l d b 压缩点附近，此时非线性 变得非常严重。所以对放大器线性度的研究就十分必要。 衡量射频功率放大器线性度的指标有三阶互调截点( i p 3 ) 、l d b 压缩点、谐波、 邻道功率比( a d j a c e n tc h a n n e lp o w e rr a t i o ，a c p r ) 等。对于放大器的非线性失真 的研究，在第三章有着重的阐述，这里不再多讲。 8 第二章微波功率放大器的设计基础 2 4 放大器阻抗匹配网络的设计 阻抗匹配网络是晶体管功率放大器与其它网络相连接时，在保证最大功率传 输时所必不可少的网络结构，它关系到功率放大器的增益、工作频率带宽、输出 ；功率、带内平坦度、功耗等等一系列指标的好坏。下图为一般的放大器匹配网络 设计： 输 输 ( a ) 单管匹配网络的设计 平衡 r f 输 1 ( 2 - 7 )3 2 阮墨2 1 2 、7 其中d = s 1 s 2 2 - s 2 1 墨2 。 绝对稳定的条件有： k ：业蜒掣 1 ( 2 8 ) 5 2 阮墨2 1 2 、 1 一i s 砣1 2 i 是，& 2 l 1 一i s 。1 2 陬s 2 i 在这三个条件同时满足时，放大器是绝对稳定的，即当信源阻抗z s 和负载 阻抗z l 为任何值时放大器都能稳定工作。 而当放大器不处于绝对稳定的情况下，就会产生很多不良影响，当工作波长 和电路尺寸可以相比拟时，由于电磁耦合，很容易引起自激振荡；偏置电路的电 感和电容也可能引起低频信号正反馈，导致自激，自激会使管子结温过高而烧毁。 因此当其工作与潜在不稳定区时必须加入稳定网络。加入稳定网络的目的是为了 改变放大器的稳定性系数，使其进入稳定区域。还有办法就是引入负反馈【1 9 l ，但 是这样加入了有耗网络，也会引起增益的下降，放大器的设计需注意这些情况的 权衡。 ( 2 ) 热稳定性 由于功率放大器般工作于高功率，当温度超过其本身允许的极限值时，会 造成烧管。因此必须对功率放大器进行散热设计，以确保其工作于稳定工作的温 度范围。 晶体管散热途径是热量从晶体管管芯到法兰，法兰经接触热传导，将热量散 发出去。计算公式： 1 0 第二章微波功率放大器的设计基础 日如= z 扣b 。( 晶体管管芯到法兰的热阻) ( 2 9 ) t i ，= t i 一( 晶体管管芯与法兰的温度差) ( 2 - 1 0 ) = 一+ 最一( 晶体管耗散功率) ( 2 1 1 ) 其中；t i 为放大器管芯最高温度，为法兰温度，为放大器偏置直流功 率，己为放大器输入功率，为放大器输出功率，为输入反射的射频功率。 可见，当输出反射系数过大时，传到负载的功率只。吐小，耗散功率大，晶体 管容易烧毁。减小输出反射可以减小耗散功率，防止结温过大。 其他的降低热阻措施还有强风冷却散热、增大晶体管法兰与基板接触面积、 加装散热器、使用薄的散热良好的介质基片以及水冷措施等。 2 6 杂散输出与噪声 对于通过天线双工器公用一副天线的接收机和发射机，如果接收机和发射机 采用不同工作频带，发射机功率放大器产生的频带外的杂散输出或噪声若位于接 收机频带内，就会由于天线双工器的隔离性能不好而被耦合到接收机前端的低噪 声放大器输入端，形成干扰，或者也会对其他相邻信道形成干扰。因此必须限制 功率放大器的带外寄生输出，而且要求发射机的热噪声的功率谱密度在相应的接 受频带处要小于1 3 0 d b m h z ，这样对接收机的影响基本上可以忽略。 2 7 总结 以上这些内容，都是设计微波放大器的理论基础，在设计中必须按照这些理 论要求，考虑周到完善。在实际中，放大器的电路板的绘制加工完成之后，其后 续工作，是对放大器性能的优化调试。所以微波放大器的研制还需要很多的工程 经验，对放大器性能的优化调试，在整个放大器的设计中占有很高的工作量，调 试经验要求设计者必须在日常的工作学习中积累。 电子科技大学硕士学位论文 第三章微波功率放大器的非线性失真 微波功率放大器为了提高效率，常常都工作在大信号状态下，这与工作在小 信号状态下不同，会产生非线性效应，影响放大信号的信息。在线性电路系统中 的响应仅仅包含激励信号中的频率，而非线性电路则要产生新的频率分量，这是 划分线性电路与非线性电路的依据【冽。本章通过讨论非线性电路的工作状态，结 合t d s c d m a 标准，研究了微波功率放大器的非线性效应，对信号引起的失真。 放大器的非线性特性一般采用a m a m 和a m p m 表示。a m a m 指的是输 出电平随输入电平变化的特性，代表放大器幅度非线性；a m i m 指的是输入和 输出的相位差随输入电平变化的特性，代表放大器相位非线性。 3 1 幅度非线性 a m a m 转换相当于一个调幅信号加到理想的放大器上，因而a m a m 转换 主要影响到功放的交调指标。在移动通信系统中，全球移动通信系统( g s m ) 功放 主要是要克服这种效应所产生的非线性效应。 为便于分析，假设微波功率放大器为无记忆元件，当处于弱非线性工作区时， 传输函数可以用一个幂级数来表示【2 l j ： y 一口l + a 2 u 24 a 3 u 3 + + 口一比一( 3 1 ) 式中“、l ，分别代表输入输出信号；a l , a ：，a ，4 2 。是由非线性特性所决定的系 数。它们的数值可以根据实际曲线用曲线拟合的方法获得，也可用v o l t e r a 级数来 逼近进行计算。因为幅度畸变较小，往往对式( 2 1 ) 中四次以上的高次项不予考虑。 设输入信号为三个正弦波时 砧( f ) 一qc o s o h t + c o s t 0 2 t + 职e o s a , j0 2 ) 将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) 能够得到在通带内输出信号的表达式为 v ( t ) a 比l o + h 2 0 + “+ h 1 2 + “2 3 + 比1 3 + h l ( 3 3 ) 其中各个分量： 1 2 第三章微波功率放大器的非线性失真 = h u + 三口，田+ 詈口，u ；+ 田) 】c o s 衅 一【口：+ 三口3 u ；+ 吾口：( 昕+ u ；) i c o s 雌 - 【口1 u 3 + ；口期+ 兰口儿研+ v ；) l c o s 呼 1 1d 口- z2 i 口，u 2 c o s ( 地一哆y + 云口，u u ；c o s ( 2 鸭一q 弘 12 “b 。云口，昕虬c o s ( 2 q 一鸭弘+ 三口；c o s ( 2 t 0 3 一q y 气1 以为2 云口，昕玑c o s ( 2 t 0 2 一鸭弘+ 三口期c o s ( 2 t 0 3 一a ，2 ) t h 1 2 3 = a 3 u 1 u 2 u 3 c o s + 一鸭弘+ c o s ( q + 0 ) 3 - ) f + c o s ( 哆+ 鸭一q y 】 如果输入信号为n 个任意的正弦波，即 “( f ) ；善c o s 哗一r e u i e x p ( j o 口) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 将式( 2 - 5 ) 代入( 2 1 ) 中，并略去四阶以上的高次项，得到落在通带内的各个基 波信号、以及各载波之间的互调产物和三阶差拍干扰信号的幅度： n 个基波信号( m ) 的幅度为： 口一u r + ；口，田+ 兰口，u ，( 荔u ；) 】 。- 6 ， 以0 1 ) 个三阶互调干扰信号( 2 皑一f ) 的幅度为： i 口3 u ? 【， ( 3 - 7 ) 号g 一1 勋一2 ) 个三阶差拍干扰信号( q + 吁一q ) 的幅度为： 詈口3 u j u ，u t ( 3 8 ) 由式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 和( 2 8 ) 能够分别求出三阶互调干扰( 2 q 一f ) 分量及三阶差拍 干扰分量q + ，一) 与基波信号的幅度的比值。对比理想状态下，新生出的基 波信号的幅度的大小决定线性放大信号的压缩后者扩展，而三阶互调干扰 1 3 电子科技大学硕士学位论文 、 ( 2 q 一哆) 由于非常靠近输出信号的频率，则是最大的非线性分量，且很难用滤波 器滤除，对它的优化，这是线性功放设计者的着重研究的方向。通常用i m 3 表示 三阶互调产物与载波之比，单位d b c 。 3 2 相位非线性 a m p m 失真指的是输入和输出的相位差随输入电平变化的特性，代表放大 器相位非线性。它可以由图3 - 1 所示： 输出电压 ( 相位) 单位y i l、 、 。 l t 1 1 1 0 4 1 1 n o n l i r b a r 输入电压( 幅度) 单位y 图3 - 1a m p m 失真示意图 在通信系统中，a m p m 失真将使系统的群时延失真，微分相位、微分增益 和交调失真变坏。同时，a m p m 失真的存在将使输出的信号中存在调相分量， 产生杂波干扰。a m p m 转换相当于一个调相信号加到理想的功放上，它主要影 响功放的频谱再生指标邻道功率比( a c p r ) ，因而对于码分多址宽带码分多址正 交频分复用( c d m a w c d m a 0 f d m ) 调制的信号进行功率放大，主要是为了克服 这种物理效应。 为了描述相位失真的大小，通常引入“调幅调相转换系数，即 。即等南( j ( 3 - 9 a a ) ) k ，2 了而砸雨7 j 其中为输入信号功率，1 i ，为对应于的输出信号相移。于是，微波功率放 大器a m p m 转换的功能模型可以近似用图3 2 来表示： 1 4 第三章微波功率放大器的非线性失真 图3 - 2 a m p m 转换的功能模型 假设输入端送进两个调频信号为 “( f ) 一k c o s 唧+ 吼( f ) + c o s 啄+ 仍( f ) 】 ( 3 - l o ) 其中q 、哆分别为两个载波角频率；k 和圪分别表示信号的恒定幅度；妒。o ) 和驴：g ) 分别包含两个载波调频信息。合成信号幅度为： y 2 ( f ) 一陬c o s 吼( f ) + k c o s ( q + 眈( r ) ) 】2 + i v , s i 砚( f ) + k s i n ( q + 晚( f ) ) 】2 2 昨+ 嘭+ 2 吼c o s 吼( f ) 一仍( f ) 一q 】 ( 3 - 1 1 ) 其中q 一吐一q 。 由式( 3 1 1 ) 可以看出，这两个调频波合成的包络并不是恒定的，而是随时间变 化的。这就是形成a m f p m 转换的内在原因。由此，输出信号的一般表达式可以 写成 h 。( f ) = y ( f ) c o s + m ( f ) + k j , r ( f ) 】 ( 3 - 1 2 ) 式中k p 矿o ) j 就是由于幅度变化所产生的调相分量。 应该注意到，由于放大器存在记忆效应，a m a m 和a m p m 只能近似表征 放大器的非线性，而在输入实际信号时测得的放大器a m a m 和a m p m 特性能 更准确地反映放大器的包括记忆效应导致的非线性在内的总体非线性特性。 3 3 互调失真非线性 如果有两个等振幅不同频率q 和哆组成的输入信号唯一彳c o s 呻+ 彳c o s 叫， 将其带入式3 1 ，并省略掉前三项以外的项，整理得到 一口：彳2 + 口一2 c o s ( q 一吡y + ( 口。彳+ 詈口一3 ) c o s q f + ( 口么+ ；口4 3 ) c o s 啄+ 三口，爿3c o s ( 2 q 一y 电子科技大学硕士学位论文 + 詈口3 a 3 c o s ( 2 - o , 1 ) t + 口2 a 2c o s ( q + 吐y + 三口一2o o s 2 唧+ 云1 口一2c o s 2 叫 + 三日一3 c o s ( 2 + q y + 亏4 3 c o s ( 2 q + 弘 + 专口一3 s 3 吖+ 专口一3 c o s 3 啄 ( 3 - 1 3 ) 由式( 3 - 1 3 ) 可见，输出信号主要由直流成分、基频q 和吐、二次和三次谐波、 二次互调成分( q 哆) 和三次互调成分( 2 q c 0 2 、2 哆q ) 等等组成。在t 作频 带, b f - - 个倍频程的系统中，所有q 、哆、q 呸、2 c 0 1 、2 哆、3 q 、3 鸭等等 寄生信号都落在通带以外，可以通过滤波器等办法滤除。但是，频率为2 q c 0 2 、 2 一q 的寄生信号都落在通带以内，可使基频q 和信号产生畸变，故以它们 的幅度与基波幅度之比值具有衡量放大器非线性失真的程度的功能。一般称这两 个频率成分的幅度为三阶互调幅度，定义三阶互调系数i m 3 ( 也可称为i m d 3 ) 为： i m 3 = 2 0 l g 黼d 0 - 1 4 ) 它们的关系可以用图如下所示： 五 jl l爪 。五2 正一正 坼 0 础 、j l 链一矾疆镐3 石一兹 个个 个 i， 3 4 邻道功率比a c p r 图3 - 3 互调失真非线性示意图 近2 0 年来，由于人们对高数据率和多媒体业务的需求日益高涨，数字移动通 信技术迅猛发展，为了节省频谱资源，频分多址、时分多址、码分多址已用于现 代数字通信，多载波码分多址和正交频分多址体制相继出现。这些系统都具有共 1 6 第三章微波功率放大器的非线性失真 同的特点，多载波、大动态范围，大峰值功率平均功率。如采用复杂调制的现代 通信信号的峰值功率平均功率比可达1 3 d b ，这对射频功率放大器的线性度要求 非常苛刻。双音测试的i p 3 和i m 3 已无法描述这些系统的功率放大器非线性特性， 因此，引入了邻道功率比( a c p r ) 1 2 l 】的概念来描述。 邻道功率比衡量由放大器的非线性引起的频谱再生对邻道的干扰程度，对多 载波移动通信设备来说是至关重要的。它可以由下图表示出： 图3 _ 4 放大器的非线性产生的邻遭功翠 a c p r 是指发射机在规定的调制状态下工作时，其输出落入邻道带内的功率。 通常用相邻信道不同频偏处指定带宽内的功率与信道总功率之比来表示，具体的 讲，等于中心频率为如、带宽为b 的频带内信号功率与偏离中心频率f o 带宽为b 的频带内的功率之比，其单位可以表示为d b c a fm h 。对c d m a 连续多载波而 言，通信中的掉话、串音、信号时断时续实际上都与a c p r 密切相关【1 7 1 。在多信 道通信系统中功率放大器产生的非线性信号对临近信道干扰与三阶交调系数有密 切的关系，a c p r 可由i m d 推算出【1 8 j ，公式如下： 爿c p r 衄, = 舳- 6 + 1 0 1 0 9 ( 熹) ( 2 - 6 ) 式( 2 6 ) e e ， a ：2 n 3 - 3 n 2 _ 2 nimod(n2)-i-( 2 7 ) 昌一 一 i 正- ，j b = n 2 一m o d ( n 2 ) 4 n 为信道个数；r o o d ( ) 是取余函数。 a c p r 被广泛用于描述多载波系统的非线性要求。 1 7 ( 2 8 ) 电子科技大学硕士学位论文 第四章微波功率放大器的线性化技术 当利用无线电来传送信息时，必须将信号功率增强到足以成功传输的水平。 用于增强信号电平的器件是放大器。在许多射频与微波通信系统中，功率电平会 非常高，结果使发射机中功放的成本所占比重极高，因此对放大器的性能加以优 化获得最佳的性价比对于通信系统的成功应用至关重要。 随着现代无线通信业务的迅猛发展，对通信系统容量的要求越来越大。为了 追求更高的数据速率和频谱效率，普遍采用线性调制方式，如q p s k ，q a m 等； 另外，多载波配置技术导致了信号包络的变化，从而产生了交调失真，将会出现 频谱再生效应，从而干扰了相邻信道，甚至产生误码。这些都对功率放大器的线 性度提出了苛刻的要求，因此涌现了各式各样的微波功率放大器的线性化技术。 4 1 功率回退法 提高放大器线性度最简单的方法是将放大器工作在甲类，并降低工作电平， 直到得到所要求的线性度，即功率回退法。 在典型的甲类功率放大器中，1 1 阶交调分量输出功率随输入功率变化为 n d b d b ，而线性输出变化为1 d b d b 。所以少许的功率回退可以使i m 产物大幅压 缩，特别是对高阶产物。 功率回退法原理简单，能使放大器得到较高的线性度，但放大器的效率相应 降低。并且当需要大功率输出时，就需要使用多级放大器或能输出更大功率的晶 体管，这样一来，又对器件提出了更高的要求。功率回退技术的这些缺点，限制 了它的广泛运用。对于大功率，高线性的功放，功率回退的容量已难以满足指标 要求，所以需要采用更为有效的线性化技术。 4 2反馈技术 1 9 2 8 年在贝尔实验室的美国人h a r o l d s b l a c k 发明了负反馈技术并且运用到 1 8 第四章微波功率放大器的线性化技术 放大器设计中，这种电路形式在后来的电路设计中成为一种非常基础实用的电路。 负反馈是一种应用比较多的方法，其基本原理如图4 1 所示： i t 图4 1 负反馈基本原理图 如上图，当主路中放大器增益为a ，反馈系数为k 时，输入输出表达式为： y o ) - 而k a xo)(4-1) 当a k 时，k + a a 式( 3 - 1 ) 化简为： y o ) = 戤o ) ( 4 2 ) 负反馈线性化是用增益换取失真抑制。如采用1 0 d b 的负反馈，放大器输出 的i m 产物将下降1 0 d b ，但也就意味着，整个系统的增益要相应下降1 0 d b 。负 反馈线性化还存在两个主要的设计问题。其一，环路延迟制约了线性化器的工作 带宽。其二，反馈存在稳定性问题。 4 3前馈技术 1 9 2 8 年，贝尔实验室的h s b l a c k 提出了负反馈减小放大器失真的方法的同 时，也提出了另一种很好的技术：前馈。在1 9 6 0 年，贝尔实验室的s e i d e l 和他的 同事发现负反馈会造成放大器固有的群延迟，它受条件稳定和抑制互调失真有限 等限制，他们才开始研究前馈在放大器中的用途。前馈技术是一种宽带线性化技 术，也是蜂窝通信和p c s 基站的a m p s ，t d m a ，g s m 多载波系统，以及i s 9 5 单载波放大系统常用的线性化技术。对高线性( c f l 5 0 ) d b 应用前馈技术是唯一可 用的线性化技术。前馈技术可取得2 0 - - 4 0 d b 的典型交调指标改善。 前馈有许多潜在的优点，如：( 1 ) 可以很好地改善功放的线性度；( 2 ) 在工作频 带的带宽内，它不损失器件的增益带宽；( 3 ) 第二个辅助放大器仅处理误差信号， 因此，它是低功率和低噪声的放大器，使系统的总噪声性能得到改善；( 钔它是无 条件稳定的电路。但由于前馈法电路的复杂性，当时前馈技术并未有太广泛的应 用。近年来随着移动通信事业的发展，以及对器件线性程度的要求的不断提高， 1 9 电子科技大学硕士学位论文 前馈技术在国外已经广泛应用，关于前馈控制算法的研究也成了研究的热点。 基本前馈放大器由主放大器、误差放大器、定向耦合器、延时线及环路控制 网络构成。定向耦合器用于信号分配与合成，延时线用于保持宽带工作。环路控 制网络通过幅度相位控制维持环路内的信号与失真抵消。 前馈系统包含两个环路：信号抵消环和i m d ( 互调失真产物) 抵消环，如图4 2 。 信号抵消环用于抵消放大器输出中的信号成分得到i m d 样本，该i m d 样本经误 差放大器放大后再以适当相位及幅度加入到主放大器输出从而得到抵消掉i m d 的无失真信号。 图4 - 2 前馈技术原理图 前馈技术具有较高的线性化能力，通常一次前馈抵消，可以得到2 0 3 0 d b 的线性改善，理论上它可以对所有假响应进行抑制。前馈技术的另一大特色就是 前馈放大器噪声系数主要由辅助放大器决定，通常辅助放大器放大的信号电平不 是很高，其产生的噪声要小的多，因此，在没有改善主放大器噪声特性的情况下， 前馈系统仍然具有良好的噪声性能。另外，前馈系统的抵消还可以在很大的动态 范围内进行。 主放大器与误差放大器的输出在定向耦合器中合成，定向耦合器提供功放间 隔离及电阻性输入阻抗。对于常用的1 0 b 定向耦合器，主功放输出功率的9 0 能 到达输出。对同