（通信与信息系统专业论文）射频功率放大器线性化技术.pdf

摘要 摘要 射频功率放大器是通信系统中的重要器件，功率放大器的非线性导致了通 信系统带外的频谱杂散、旁瓣再生；同时非线性失真信号也给带内带来了失真 影响，影响接收机的比特误码率。而且随着无线通信的飞速发展，线性调制技 术得到越来越广泛的应用，包络变化的调制信号经过非线性射频功率放大器后 产生交调分量，因此必须采用线性化技术来减少由此产生的邻道干扰。 本文首先从理论上分析了功率放大器的非线性特性，介绍了目前各种线性 化技术的原理和优缺点。然后针对射频预失真和l i n c 这两种很有发展潜力和实 用价值的线性化技术进行了详细的理论分析和计算机仿真。最后创新的研究出 一种将射频预失真技术和l i n c 技术相结合的线性化技术，仿真验证出其具有很 好的线性化作用，具有很高的实用价值。 本论文主要研究成果如下： ( 1 ) 本文首先从理论上分析了功率放大器非线性特性，然后构建了一个 d o h e r t y 功率放大器，并用a d s 软件仿真分析了其非线性特性。 ( 2 ) 对于多项式预失真技术，本文提出了一种正交幂级数的实现方式，可 同时改善放大器幅度、相位失真。接着将其应用在d o h e r t y 功率放大器中，仿 真结果表明这种技术很好的改善了d o h e r t y 放大器的性能。 ( 3 ) 针对数字预失真技术的研究重点为自适应预失真算法，本文提出了一 种改进的l m s 牛顿算法，该算法具有很好的收敛速度，改善了收敛特性。 ( 4 ) 本文全面分析了l i n c 技术原理及系统性能与电路幅度相位失配的关 系，并运用a d s 进行了全面的仿真分析。 ( 5 ) 本文提出了一种射频预失真技术和l i n c 技术相结合的线性化技术。该 技术的本质是采用预失真来弥补l i n c 系统中两条回路的幅度和相位不平衡，并 且由于l i n c 技术的加入，使得预失真系统对功率放大器的记忆性不再敏感，并 且可以使用线性度极其恶劣、效率高的功率放大器，有效的改善了线性化对功 率放大器的苛刻要求，具有很大的实用价值。仿真结果表明该技术方案可以达 到6 3 d b 左右的i m d 3 压缩性能。 关键词：射频功率放大器，预失真，多项式，自适应算法，l i n c 技术 a b s t r a c t p o w e ra m p l i f i e r sa r ei m p o r t a n tc o m p o n e n t si nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n da r e i n h e r e n t l yn o n l i n e a r 1 1 1 en o n l i n e a r i t yc r e a t e ss p e c t r a lg r o w t hb e y o n dt h es i g n a l b a n d w i d n l w h i c hi n t e r f e r e sw i t ha d j a c e n tc h a n n e l s i ta l s oc a u s e sd i s t o r t i o n sw i t h i n t h es i g n a lb a n d w i d t l l ，w h i c hd e c r e a s e st h eb i te r r o rr a t ea tt h er e c e i v e r f u r t h e rm o r e ， w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt h el i n e a rm o d u l a t i o n m e t h o d sa r ew i d e l yu s e d s i n c et h ee n v e l o p eo fm o d u l a t e ds i g n a lf l u c t u a t e s ，t h e s e m e t h o d sg e n e r a t eu n w a n t e di n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n ( i m d ) p r o d u c t si nan o n l i n e a r s r a d i of r e q u e n c yp o w e ra m p l i f i e r s oi ti sn e c e s s a r yt o 喊l i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u et o r e d u c et h ea d j a c e n tc h a n n e li n t e r f e r e n c e ( a c i ) i nt h i st h e s i s ，t h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so fp o w e ra m p l i f i e ra r ea n a l y z e di n t h e o r ya tf i r s t t h ep r i n c i p l e ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fv a r i o u sl i n e a r i z a t i o n t e c h n i q u e sa 陀d i s c u s s e d t h e n , d e t a i l e dt h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n sa r ec a r r i e d o nf o rr fp r e d i s t o r t i o nl i n e a r i z a t i o na n dl i n cl i n e a r i z a t i o n , b e c a u s et h e s et w ok i n d s o fl i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u e sa r em o s ti m p o r t a n ta n dh a v eg r e a t e rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n v a l u e a tt h ee n do ft h i st h e s i s ，an e wl i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u e ，w h i c hc o m b i n e sr f p r e d i s t o r t i n gt e c h n i q u ea n dl i n ct e c h n i q u e ，i sf a b r i c a t e d me x p e r i m e n t a lr e s e t s s h o wt h a tt h et e c h n o l o g yc a ng r e a ti m p r o v et h el i n e a r i t yo fa m p l i f i e r i ti sv a l u a b l ei n p r a c t i c e m a i na c h i e v e m e n t sa l ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i n t h i st h e s i s , t h en o n - l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so f p o w e ra m p l i f i e ra r ea n a l y z e d i nt h e o r ya tf i r s t t h e nw ed e s i g nad o h e r t yp o w e ra m p l i f i e r , a n ds i m u l a t i o nt h e n o n - l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c sb ya d ss o l , r a r e ( 2 ) an e wp o l y n o m i a lp r e d i s t o r t i o nl i n e a r i z e r , q u a d r a t u r ep o w e rs e r i e s ，i s p r e s e n t e d t h i st e c h n i q u ec a ne f f i c a c i o u s l yc o r r e c tf o rb o t ha m p l i t u d ea n dp h a s e d i s t o r t i o no fp o w e ra m p l i f i e r s t h e nw ea p p l yt h ep r e d i s t o r t i o nl i n e a r i z e rt ot h e d o h e r t yp o w e ra m p l i f i e r , a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h et e c h n i q u eh a s i m p r o v e dt h ep e r f o r m a n c eo fd o h e r t yp o w e ra m p l i f i e r a b s t r a c t ( 3 ) t h er e s e a r c ho nd i g t a lp r e d i s t o r t i o nc o n c e n t r e so na d a p t i v ea l g o r i t h m s ，t h i s p a p e rp r o p o s e sa l li m p r o v e dl m sn e w t o nm e t h o d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sh a s d e m o n s t r a t e dt h a tt h en e wa l g o r i t h mh a ss i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n ti nc o n v e r g e n c e i a t e ( 4 ) t h ed i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e st h et h e o r yo fl i n ct e c h n i q u ea n da n a l y s e sh o w t h ep h a s ea n da m p l i t u d ei m b a l a n c ee f f e c t st h es y s t e mp e r f o r m a n c e c a ds i m u l a t i o n s a r ec a r r i e do nb ya d ss o f t w a x e ( 5 ) t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e sar fp al i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u ew h i c hc o m b i n e s r fp r e d i s t o r t i n gt e c h n i q u ea n dl i n ct e c h n i q u e t h ee s s e n c eo ft h en e w t e c h n i q u ei s t ou s ep r e d i s t o r t e rt oc o m p e n s a t et h eg a i n p h a s ei m b a l a n c e so fl i n cs y s t e m a l s o ， b e c a u s eo fa d d i n gl i n ct e c l m i q u r , p r e d i s t o r t i o ns y s t e mw i l ln o ts e n s i t i v et ot h e m e m o r yo fr fp o w e ra m p l i f i e r t h er fp o w e ra m p l i f i e rw i t hb a dl i n e a r i t ya n dh i 9 1 1 e f f i c i e n c yc a nb eu s e d ，a n dt h i sa m e l i o r a t e st h es l a s h i n gn e e do fl i n e a r i t yt or fp o w e r a m p l i f i e r t h et e c h n i q u eh a sg r e a tp r a c t i c a lu t i l i t y t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h i s n e wk i n do fl i n e a r i z a t i o ns y s t e mc a ng e ta b o u t6 3 d bi m d 3s u p p r e s s i o n k e yw o r d s ：r a d i of r e q u e n c yp o w e ra m p l i f i e r , p r e d i s t o r t i o n ，p o l y n o m i a l ，a d a p t i v e a l g o r i t h m ，l i n ct e c h n i q u e i i i 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：关勉 刎年弓月少e l 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 研究工作所取得的成果。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。 学位论文作者签名：乓氖 瑚年；月7 7 日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题研究的背景和意义 近几年来，全球通信技术的发展日新月异，尤其是近两三年来，无线通信 技术的发展速度与应用领域已经超过了固定通信技术，呈现出如火如荼的发展 态势n 3 。其中最具代表性的有蜂窝移动通信、宽带无线接入，也包括集群通信、 卫星通信，以及手机视频业务与技术。无线通信技术的进步，在走向数字化、使 用蜂窝结构、更有效应用频谱等方面，将会扩大应用面，并增加数据的传送速度。 在现代通信中，提高频谱利用率一直是人们关注的焦点之一。近年来，随 着通信业务需求的迅速增长，寻找频谱利用率高的数字调制方式已经成为数字 通信系统设计、研究的主要目标之一。其研究内容主要围绕着减少信号带宽以 提高频谱利用率；提高功率利用率以增强抗干扰能力；适应各种随参信道以增 强抗多径抗衰落能力等。正交振幅调制( q a m ) 和正交频分复用( o f d m ) 方式具 有高的频谱利用率，因而在卫星通信和有线电视网络高速数据传输等领域得到 广泛的应用。高斯最小移频键控( g m s k ) 具有较强的抗多径抗衰落能力，因此 在移动通信中得到广泛的应用。其他一些新型的数字调制方式也在不同的通信 系统中得到广泛的应用。 现代通信系统中应用的数字调制方式，对邻信道干扰的要求是非常严格的。 通常要求已调信号在邻信道的辐射功率( 带外发射功率) 与所需功率之比应低于 一6 0 d b ，即与带内信号功率相比，带外发射功率应小于一6 0 d b 一7 0 d b 。线性放大 器在某种程度上具有功率效率低的缺点，这使得它们不能满足上面所提到的邻 信道干扰的严格要求。人们曾尝试对于较小邻信道干扰放宽这一严格要求，并 尝试在不牺牲放大器功率效率的情况下保持高的频谱效率。然而即使在非常窄 的频带系统( 像3 0 k h z 或1 0k n z 信道间隔系统) 中，这一严格要求依然存在。在 这种窄信道间隔系统中，发射机功率放大器为了实现高功率效率和低的带外发 射则会遇到这一要求。为了克服这一问题，人们对用于基站和移动台的高功效 非线性放大器的线性化技术进行了研究。 迄今已研究出了多种方法对移动发射机中功率放大器进行线性化。一方面， 第1 章引言 广泛采用工作于甲乙类状态的大功率微波晶体管来提高传输功率和利用效率； 另一方面，无源器件及有源器件的引入，多载波配置技术的采用等，都将导致 输出信号的互调失真。因此，在设计射频功率放大器时，必须对其进行线性化 处理，以便使输出信号获得较好的线性度。一般常用的线性化技术包括：功率 回退、预失真、前馈等。其中，功率回退技术能有效的改善窄带信号的线性度， 而预失真技术和前馈技术，特别是前馈技术，由于其具有高校准精度，高稳定 度以及不受带宽限制等优点，成为了改善宽带信号线性度时所采用的主要技术。 1 2 国内外发展状况 这里首先介绍射频功率放大器线性化技术在国内外目前的发展状况，然后 着重介绍预失真技术的研究状况。 1 。2 1 射频功率放大器线性化发展状况 最早的功率放大器线性化技术是由在贝尔实验室工作的美国人 h a r o l d s b l a c k 发明的，他在1 9 2 8 年提出了前馈和负反馈技术并应用在放大器 设计中，有效的减少了放大器失真硷，3 | 。 随着无线通信技术的飞速发展，人们开始广泛关注和研究的热点主要集中 在两个方面，一方面是新兴的功率放大器线性化技术，如自适应基带预失真技 术、自适应前馈技术，l i n c ( l i n e a ra m p l i f i c a t i o nu s i n gn o n l i n e a rc o m p o n e n t s ) 技术、c a l l u m ( c o m b i n e da n a l o g u el o c k e dl o o pu n i v e r s a lm o d u l a r ) 技术等。 另一方面是各种有效的自适应算法，自适应算法是功率放大器线性化技术的关 键技术之一，一种稳定、收敛速度较快、实现简单的自适应算法对功率放大器 的性能有很大的改善，并且减小实际应用成本，有很大的实用价值。 国际上对射频功率放大器的线性化研究非常重视，近年来，美国电气电子 工程师协会( i e e e ) 与线性化相关的文章以一定数量增长，由于该技术较强的 实用性，欧洲、美国的各所综合性大学的相关研究所也都很重视线性化技术的 相关研究h 1 。相比之下，国内在这方面的研究相对比较落后，只有东南大学、华 中科技大学、华南理工大学等少数大学开展这方面的研究工作洲，学术研究论 文也较少，因此非常有必要展开这方面的研究工作。 2 第1 章引言 1 2 2 预失真线性化技术发展状况 预失真技术起源较晚，1 9 5 9 年m a c d o n a l d 提出用相反的非线性特性来补偿 三极管自身非线性的方法西1 ，这就是基本的模拟预失真思想。早期的模拟预失真 技术主要应用于有线电视和卫星通信系统中。1 9 世纪8 0 年代以后，预失真技 术开始飞速发展，出现了数字预失真技术和自适应控制预失真技术，主要的应 用对象也转变为移动通信系统，r f 模拟预失真属于开环线性化技术，其校准精 度不如闭环系统，线性改善度有限。它的优点在于不存在稳定性问题，频带宽， 电路简单，成本低廉，是目前应用最广泛的功率放大器线性化技术。特别是在 一些对体积、电源效率有严格要求的应用场合( 如手持移动通信设备、卫星通信 设备) ，预失真法仅用少量额外元件就可以降低互调失真产物几个d b ，但这是关 键的几d b 。根据预失真在发射机中的位置，可以分为射频预失真技术、中频预 失真技术和基带预失真技术。根据预失真处理信号的方式，可以分为模拟预失 真技术和数字预失真技术。 模拟预失真技术起源于上世纪中叶对晶体管器件非线性特性的展开。1 9 5 9 年m a c d o n a l d 就提出了用相反的非线性特性来补偿三极管本身非线性的方法嘲， 这就包含了模拟预失真技术思想。1 9 6 8 年l o t s c h 提出了分析二极管非线性的理 论n 们；1 9 6 7 年n a r a y a n a n 提出了用v o l t e r r a 级数研究晶体管的非线性n 玎并研究 了串联晶体管的交调扰动问题n 副，r e y n o l d s n 驰、t h o m a s n 司等也研究了晶体管的 非线性失真和消除问题。早期主要应用在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。三阶模拟预失真技术在行波管功率放大器系统中成功应用后，就迅 速推广到固态功率放大器系统中。1 9 世纪8 0 年代后，模拟预失真技术进入快速 发展阶段，这时主要应用于移动通信系统。 数字预失真技术是指在数字域内完成信号预失真处理的技术，一般有两种 实现方式：基于非线性射频功放的参数模型实现和基于查询表方式实现。射频 功放的参数模型有许多种，如多项式模型、v o l t e r r a 级数模型等。多项式预失 真系统是三阶预失真系统的推广，在模拟多项式预失真器出现后，就出现了用 数字形式实现的多项式预失真系统n 明，并逐步发展完善。v o l t e r r a 级数是描述 非线性系统的通用模型，因此基于v o l t e r r a 模型数字预失真技术也是研究的热 点。 3 第l 章引言 1 3 本文内容安排和主要研究成果 本论文的研究主要围绕射频预失真和l i n c 这两种最有发展潜力和实用价值 的线性化技术展开，内容分别涉及到射频功率放大器的各种常用线性化技术、 数字预失真技术、l i n c 线性化技术、预失真和l i n c 相结合的线性化技术等。内 容大致分为四部分。 第一部分是放大器非线性的理论分析及其线性化技术介绍，主要为后文的 分析研究提供理论依据，由论文的第二章构成。首先将r f 功率放大器看作一个 无记忆非线性系统，用a m - a m 转换、a l p m 转换、互调失真和交调失真等描述其 非线性特性，引入放大器增益、i d b 压缩点、三阶截止点等相关技术指标的定义。 为了形象的分析功率放大器的非线性特性，本文构建了一个d o h e r t y 功率放大 器，并运用a d s 软件仿真分析其非线性特性，最后介绍了目前各种线性化技术 的线性化原理，分析了各自的优缺点。 第二部分是对数字预失真技术的研究，重点研究了多项式预失真技术，由 本文的第三章和第四章构成。第三章主要介绍数字预失真的原理和结构，对于 多项式预失真技术本文提出了一种正交平行结构的实现方式，即根据放大器的 a m a m 、a m p m 失真特性使用两路正交幂级数构建放大器带通模型，将放大器的 幅度、相位失真特性用两个不存在相位失真只存在幅度失真的正交信道来表示。 因此，多项式预失真也可由两路正交幂级数进行实现，本文将此实现方案应用 于d o h e r t y 放大器中，仿真结果表明预失真器对放大器的非线性有较好的改善 效果。第四章主要研究了数字预失真技术的一项关键指标一自适应算法，在分析 几种基本算法的基础上提出一种改进算法，仿真结果表明该算法可以有效的提 高收敛速度。 第三部分是l i n c 线性化技术的研究，由第五章构成。目前国内对于l i n c 技术的研究很少，l i n c 线性化技术可以在数字领域里实现，而且它对整个系统 的效率影响也是最小的，因此具有很好的应用价值。本文详细的介绍了l i n c 技 术的原理，在分析其优缺点的基础上，详细的探讨了增益和相位不平衡对系统 性能的影响，并运用a d s 软件进行实际的仿真分析。 第四部分是新型线性化技术的研究，由第六章构成。本文从系统原理的角 度研究了一种射频预失真技术和l i n c 技术相结合的线性化技术，该技术的本质 是采用预失真器来弥补l i n c 系统中两条回路的幅度和相位不平衡。并且由于 l i n c 技术的加入，使得预失真系统对功率放大器的记忆性不再敏感，并且可以 4 第1 章引言 使用线性度极其恶劣、效率高的功率放大器，有效的改善了线性化对功率放大 器的苛刻要求，具有很大的实用价值。 总之，本论文内容分为七章： 第一章：引言 第二章：射频功率放大器非线性分析及线性化技术 第三章：数字自适应预失真系统研究 第四章：自适应算法研究 第五章：l i n c 线性化技术系统研究 第六章：l i n c 技术和预失真技术相结合的新型线性化技术 第七章：总结与展望 5 第2 章射频功率放大器非线性分析及其线性化技术 第2 章射频功率放大器非线性分析及其线性化技术 在现代无线通信系统的设计中，无线射频功率放大器扮演着越来越重要的 角色。射频功率放大器是无线传输系统的主要部件，其晶体管具有的内在非线 性是无线通信系统中的主要非线性来源，功率放大器的线性性能在现代通信系 统的设计中是相当重要的指标。 为了提高无线通信系统的功率效率和性能，我们必须有效的抵消放大器的 非线性失真，使其能够高效线性的工作。因此我们需要对功率放大器的非线性 产生机理、内在原因以及非线性失真的主要表现形式进行较深入的研究分析， 这样才能够有的放矢的进行线性化技术的研究探讨。本章首先从理论角度对射 频功率放大器进行非线性分析，然后利用a d s 软件进行具体的电路仿真，分析 射频功率放大器非线性对信号的影响，最后介绍射频功率放大器的各种线性化 方法。 2 1 射频功率放大器非线性的理论分析 射频功率放大器按工作状态可分为线性放大器与非线性放大器两种，非线 性放大器可以有较高的功率，而线性放大器的最高效率只有5 0 。因此从高效率 的角度看应采用非线性放大器。但是非线性放大器在放大输入信号的同时会产 生一系列有害影响。从频谱的角度看，由于非线性的作用，输出会产生新的频 率分量，它干扰了有用信号并使被放大的信号频谱发生变化，频带展宽。从时 域的角度看，由于波形为非恒定包络的已调信号，由于非线性放大器的增益与 信号幅度有关，则使输出信号的包络发生了变化，引起波形失真，同时频谱也 变化，引起频谱再生现象。本节将详细的介绍和讨论非线性失真的起因和主要 表现。 2 1 1 射频功率放大器非线性失真的起因 在通信系统中，除了存在系统噪声和有限带宽外，当线性网络转移函数 h ( j w ) = h ( j w ) l e x p j ( j w ) 】的振幅1 日( m l 和相角矽( 朋与频率有关时，还会出 6 第2 章射频功率放大器非线性分析及其线性化技术 现信号失真，这种失真通常叫做“线性失真一或“传输偏移 。例如，假定输出 信号y ( f ) 是一延迟的输入信号x ( f ) 按比例改变的模型，则出现无失真传输，即： y ( t ) = x ( t - t o ) ( 2 1 ) 这意味着，系统的转移函数h ( j w ) 应为： h ( j w ) = k e x p - j w t o 】 ( 2 2 ) 换句话说，任何偏离等振幅k 和负的线性相移一。加气都要引起与频率有关的 振幅和相位失真，但这种情况下的输出信号还是随输入信号做线性变化，并且 有一定规律可循，在输出端或者接收端能够较容易进行校正。 除了这种失真之外，如果系统有非线性元件，还可能引起别的失真。在这 种情况下，不能够将系统用一个简单的线性函数作为线性情况来描述，代替输 出的经常是表示成输入的非线性函数，即y ( 尹) = r ( x ( f ) ) ，由这种偏离引起的信号 失真常称为“非线性失真 。信号失真的系数既可以由噪声系数或者作为下限的 灵敏度来决定，还可以有其作为上限的失真可接收电平来决定。 一般来讲，几乎所有的电子线路都是呈非线性的，对于一些非线性程度比 较弱的电路，可以把它们视为线性的。但是，有时候将这类电路应用于较高频 率的射频频段时，例如微波、毫米波通信系统时，它们的非线性程度将急剧加 深，会严重影响到系统的性能。往往一个系统的非线性与每个器件的非线性有 关，而每个器件的非线性又取决于其内部的结构及生产工艺。 对于输入信号的非线性失真可以做以下分类：静态失真，动态失真和准静 态失真。静态失真可以用瞬间输入输出电压曲线来表征，失真影响主要是指对 载波信号幅度的压缩或扩大，不考虑载波信号的相位失真，或者说载波信号相 位没有搬移。动态的失真随时间变化而变化，并且其失真的程度与输入信号的 带宽和功率有很大的关系，比如适合于处理窄带信号的反馈线性化技术，这种 失真在现实生活中还是比较多见的。准静态失真描述的是被幅度或者相位调制 的载波信号经过设备的输出只是随瞬间输入信号电平而变化，而与时刻并无关 系的一种信号失真形式。一些频带宽于信号且没有记忆效应的设备比较适合用 准静态失真描述。准静态失真模型符合幅幅和幅相准则。市场上9 0 的大功率的 功率放大器模块选用的都是固态功率放大器( s s p a ) ，固态功率放大器的失真和 行波管放大器的失真特性相似，属于拥有准静态失真的特性的设备组件。当然 7 第2 章射频功率放大器非线性分析及其线性化技术 功率放大器模块也会随着时间的推移产生老化效应，也会受到输入信号频率的 影响，但总体来说，功率放大器具有明显的幅幅( a m a m ) 和幅相( a m p m ) 特性。 接下来，我们介绍射频功率放大器非线性的主要表现。 2 1 2 射频功率放大器非线性失真的主要表现 1 振幅非线性失真 功率放大器最基本的非线性描述之一是它的振幅失真，结果导致其非线性 转移特性，假如我们假设功率放大器是无记忆的，即输出信号是输出信号的瞬 时函数，并且其非线性非常弱( 这是大多数通信系统的情况) ，则输出电压v o ( t ) 可以用输入信号v a t ) 的级数表示为： 圪= 毛k + 如形2 + 岛k 3 + ( 2 3 ) 对于线性功放，所有的量都为零( 1 = 2 ，3 ，4 ，) ，并且式( 2 3 ) 忽略了功放的 相位特性，此相位特性导致输出相对于任意输入信号的相位变化。下面我们分 别就单音输入信号和双音输入信号进行分析。 对于单音输入信号，我们研究具有适度非线性的功率放大器，即圪( f ) 用式 ( 2 3 ) 的前三项表示： 圪= 毛k + 乞k 2 + 岛k 3 ( 2 4 ) 令k = a c o s w i t ，则圪可以表示为： 圪= q a c o s w + i 呸a 2c o s 2w , t + k 3 a 3 c o s 3w , t = 三乞彳2 + ( 毛彳+ 三岛彳3 ) c 。s r + l k 2 a 2c o s 2 m f + l k 3 ac o s 3 心r ( 2 5 ) 由式( 2 5 ) 可见，输出信号由所加的基频m 分量、直流寄生信号、二次谐波 频率2 w 和三次谐波频率3 m 分量组成。由式( 2 5 ) 可以看到，圪的基波分量振 幅为南彳【l + 3 毛彳2 4 毛】，如果七3 0 ，则它大于功率放大器为线性时的增益墨彳： 相反，如果毛 0 ，则它小于毛4 。这一特性称为扩大或压缩增益。大多数实用 器件都是增益压缩，即颤 ( 2 1 7 ) 输出信号中除了有以w l 为载波的调制信号外，还出现了以w 2 为载波的调幅 波，这种现象称为交叉调制。 图2 5 举例说明了交调和互调的区别。图右边用户不需要的信道有一个双 音调制射频功率放大器线性化技术研究信号，左边是一个用户需要的单音信号， 双音调制信号自身产生了互调失真，并将调制转移到了用户所需的单音信号上， 使其产生了交调失真。 v 交调产物 v频率 互调产物 图2 5 交调失真与互调失真的区别 2 2d o h e r t y 功率放大器设计及非线性仿真 功率放大器的效线性度和效率是设计功率放大器的重点。在线性度方面， 目前存在多种线性化技术，这个将会在本文后面部分详细研究。随着现代通信 的发展，效率越来越受到关注，而d o h e r t y 方法被认为是提高效率最有前景的 一种结构n 。本节我们首先将设计一个d o h e r t y 功率放大器，然后将利用a d s 软件具体分析射频功率放大器非线性对于输出信号的影响，我们主要进行谐波 1 4 第2 章射频功率放大器非线性分析及其线性化技术 平衡法仿真，谐波平衡法仿真能分析频谱、压缩输出功率、和进行其他一些非 线性测量。 2 2 1d o h e r t y 功率放大器设计 d o h e r t y 功放的两路信号分别采用了a b 类偏置和c 类偏置，功率合成采用 了非隔离的负载牵引方式，可以大大提高效率。d o h e r t y 功率放大器的原理框图 如图2 6 所示，从图我们可以看出，d o h e r t y 功率放大器主要由两个平行的功率 放大器组成。上面的放大器是主放大器，称为载波放大器，是一个a b 类的功率 放大器。而下面的放大器是副放大器，称为峰值放大器，是一个c 类的功率放 大器，栅极的偏置电压要低于功放管的夹断电压。峰值放大器只有在载波放大 器接近饱和的时候才会开始工作。 图2 6d o h e r t y 原理框图 d o h e r t y 功率放大器有两种工作状态，当输出功率很小的时候，峰值放大器 没有打开工作，峰值功率放大器对输出呈现断路。此时功率放大器工作在最大 功率回退以下。当输入功率加大时，峰值放大器才被打开工作。此时峰值放大 器线性化工作可以被看作一个受控电流源i p ，同时载波放大器还是工作在饱和 区，因此可以看作是个电压源v m 。图2 7 为d o h e r t y 功率放大器的等效电路 图。 1 5 第2 章射频功率放大器非线性分析及其线性化技术 图2 7 等效电路图 1 d o h e r t y 功率放大器电路实现 图2 8 为d o h e r t y 功率放大器的电路实现框图，要设计d o h e r t y 功率放大 器，首先要选择元器件，然后选择合适的静态工作点，设置偏置电路，再进行 阻抗匹配。对于载波功率放大器我们采用a b 类功率放大器，峰值功率放大器我 们则采用c 类功率放大器，然后采用负载牵引方式进行功率合成。 “，7 j 。 - 1 c i i l i 暖a 彝职 h 卜卜 ， 。棚r j 焉砖 扩盟一 ， ； j 氏蜘脚 1 薯 一f 。一h 卜 _ l l 严 凡l 0 j i o 踟碱u 嘲一 。 厂 同j # ，z z 口# “磁埘一 ，l l 、 i 一 图2 8d o h e r t y 功放电路实现框图 2 负载牵引技术 负载牵引技术能使设计者确定负载阻抗，射频功率放大器在大信号工作 时，晶体管的最佳负载阻抗会随着输入信号功率的增加而改变，因此，在s m i t h 圆图上，针对不同的输入功率单位，每给定一个输入功率值就绘出不同负载阻 抗时的等输出功率曲线( p o w e rc o n t o u r s ) ，帮助我们找出最大输出功率时的负载 阻抗，这种方法即为负载牵引技术。图2 9 为z o = 5 0 时的输出功率等高线和p a e 等高线。 1 6 第2 章射频功率放大器非线性分析及其线性化技术 图2 9 输出功率等高线( 细线) 和p a e 等高线( 粗线) 根据仿真结果确定最优化的负载后，即可进行输出输入匹配电路的设计， 至此一个完整的d o h e r t y 功率放大器设计就完成了，如图2 1 0 为a d s 软件中的 仿真电路图。接下来进行非线性仿真分析。 2 2 2 仿真研究 图2 1 0a d s 仿真电路图 1 单音仿真 首先我们对功率放大器进行单音分析，即输入信号为单音信号的情况下， 1 7 对其进行谐波仿真。如图2 1 1 所示为a d s 软件中的单音分析模型。 图2 1 1a d s 分析模型 对于单音模型，我们主要仿真射频功率放大器的a m a m 失真和a m _ p m 失真 仿真结果如图2 1 2 和图2 1 3 所示。 a t 乎a m d b d e 八 ；f f ， l l f l 图2 1 2a 磕一a m a l 峪t o * p m d e g m e s l d 8 、l r ； ， ? f1b 。1 蔓。14161 b2口222 图2 1 3a m _ p m 1 8 1 ， o o o o o 第2 章射频功率放大器非线性分析及其线性化技术 2 双音仿翼 接着我们将进行双音仿真，仿真参数为：载波频率为8 5 0 m h z ，双音频率间 隔为i m h z ，谐波阶数为5 阶。我们主要仿真系统输出信号的频谱图，如图2 1 4 所示。 从结果我们可以看出d o h e r t y 功率放大器系统仅有2 3 d b 左右的三阶交调压 缩性能，因此d o h e r t y 功率放大器必须与线性化技术相结合的使用。 一 m 一一 m 一。 舶 蓦 写 号蓦 暑 零 8鲁2 2鑫88 a_ aq a-a f r e q u e n c y 图2 1 4 系统输出信号频谱 2 3 射频功率放大器的线性化技术 射频功率放大器的非线性失真会使其产生新的频率分量，如对于二阶失真 会产生二次谐波和双音拍频，对于三阶失真会产生三次谐波和多音拍频。这些 新的频率分量如落在通带内，将会对发射的信号造成直接干扰，如果落在通带 外将会干扰其他频道的信号。为此要对射频功率放大器的进行线性化处理，这 样可以较好地解决信号的频谱再生问题。 这一节我们将简要介绍一下目前主要的线性化技术，这些方法大体上可以 分为两类，一类是反馈和校正类，允许放大器对信号的非线性失真，主要对失 真的信号进行逆处理；另一类主要是从信号入手，把非恒定包络的输入信号分 解成恒定包络信号，或者采用极坐标分量形式转换输入信号，避免了放大器的 非线性失真，从而达到了线性化的目的。线性化技术有功率回退技术、笛卡儿 1 9 第2 章射频功率放大器非线性分析及其线性化技术 负反馈技术、前馈技术、l i n c 技术和预失真技术等。接下来我们对这些方法分 别作简要的介绍。 2 3 1 功率回退技术 功率回退技术是最常用的方法，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l d b 压缩点( 放大器有一个线性 动态范围，在这个范围内，放大器的输出功率随输入功率线性增加。随着输入 功率的继续增大，放大器渐渐进入饱和区，功率增益开始下降，通常把增益下 降到比线性增益低l d b 时的输出功率值定义为输出功率的l d b 压缩点，用p l d b 表示。) 向后回退6 1 0 个分贝，工作在远小于l d b 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。一 般情况，当基波功率降低l d b 时，三阶交调失真改善2 d b 。 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，缺点是效率大为降低。另外，当功率回退到一定程度，当 三阶交调制达到一5 0 d b c 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。 2 3 2 笛卡儿反馈技术 反馈是通过使输出尽量符合输入来使发射线性化。它可以直接应用于射频 放大器或者间接的应用于调制。 射频反馈中，放大器射频输出信号的一端反馈到没有检测或者下变频的射 频输入信号并与之相减。这延迟必须小到保证稳定，射频增益的损失是更重要 的设计考虑。在分布电路中采用射频反馈通常限制在高频和甚高频，但在微波 范围内反馈能很好地用在删i c 设备中。 包络反馈降低了与幅度非线性相关的失真。它能应用于整个发射机或单个 功放。射频输入信号由一个耦合器抽样，输入抽样的包络被检出。然后这个包 络被反馈到差分放大器的一个输入，与一个类似得到的射频输出抽样相减。输 入和输出包络的误差差分信号用来驱动主射频路径中的一个调制器。这个调制 器就调整了驱动射频功放的射频信号的包络。因此，最终的输出信号包络线性 2 0 第2 章射频功率放大器非线性分析及其线性化技术 化到反馈处理的环路增益决定的程度。对一个幅度非线性为主的甚高频b j t 放 大器，二阶交调失真典型地降低了l o d b 。 笛卡尔线性化技术首先由p e t r o v i c 在1 9 8 3 年提出n 羽。笛卡尔技术通过应 用i 和q ( 笛卡尔) 分量的调制反馈来克服与信号相位的宽带宽的有关的问题， 实质是基带反馈系统。因为i 和q 分量是现代d s p 的输出，所以笛卡尔广泛的 应用于移动无线系统。两个相同的反馈过程独立地在i 和q 通路中工作。如图 2 1 5 所示为笛卡尔线性化系统原理框图。 图2 1 5 笛卡尔线性化系统原理框图 笛卡儿环的优点之一就是在于它把增益和带宽在两个正交的信道中分别处 理加以平衡，这样就避免引入相位偏移。但是，笛卡儿环路的增益和带宽又取 决于差分放大