（通信与信息系统专业论文）高功率、高效率线性化功率放大器技术的研究.pdf

摘要 摘要 随着新一代通信技术的发展和新的调制方式的出现，通信系统对基站、直放 站等射频前端设备提出了更高的要求。要求基站、直放站等射频前端设备具有更 高的覆盖范围和输出功率，同时要求基站、直放站等射频前端设备能够输出具有 高锋均比( p a r ) 、高效率( p a e ) 、高线性度的无线信号。功率放大器作为射频前 端设备的核心部件，其性能对基站、直放站等射频前端设备有直接的影响。由于 传统功率放大器固有的内在矛盾：当输出高锋均比信号时，功率放大器难以同时 满足高线性度和高效率的要求。如何解决这个问题，已成为射频技术研究领域的 重要课题。 本文在综合分析各种功率放大器效率增强技术特点后，采用非平衡输入结构、 低记忆效应d o h e r t y 功率放大器的方案，设计并仿真实现了3 0 w 级高效率 w - c d m a 基站功率放大器。仿真结果表明，在输出功率为4 5 d b m 时，d o h e r t y 功 率放大器的功率附加效率优于3 2 ，三阶交调失真比小于- 4 0 d b c 。 在此基础上，为了进一步提高功率放大器的线性度，以满足w - c d m a 基站的 要求，提出了将d o h e r t y 功率放大器技术与射频预失真技术相结合的方案，设计并 实现了自适应射频预失真模块。最后通过实验，对自适应控制模块中的失真检测 模块进行了验证。实验结果显示，失真检测子模块能够对不同频带内的w - c d m a 失真信号进行采样检测，检测功率范围为：2 0 d b m - 5 d b m 。 关键词：d o h e r t y 功率放大器；射频预失真；自适应控制；失真检测；功率附加 效率；线性度 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 ft h en e wc o m m u n i c a t i o na n dm o d u l a t i o nt e c h n i q u e ，t h e r e a r em o r er e q u e s t si n c l u d i n gp a r ( p e a ka v e r a g er a t i o ) ，p a e ( p o w e ra d d e de f f i c i e n c e ) ， l i n e a r i t yf o rr a d i of r e q u e n c ee q u i p m e n tu s e di nt h e s es y s t e m s ，s u c ha sb a s es t a t i o n ， r e p e a t o rs t a t i o n a st h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h e s ee q u i p m e n t s ，p a ( p o w e ra m p l i f i e r ) i st h ek e yw a yt om e e tt h er e q u e s t s w h e r e a s ，a c c o r d i n gt ot h eo r i g i n a lp at h e o r y , i ti s v e r yd i f f i c u l tt ob a l e n c et h el i n e a r i t ya n dp a e w h e nt h ei n p u t - s i g n a l 、 ，i t l lah i g hp a ra t t h es a m et i m e h o wt os o l v et h i sp r o b l e mh a sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nt h e r f e n g i n e e r i n g f i e l d i nt h i sp a p e r , b a s e do nas u f f i c i e n ts t u d yo nv a r i o u se f f i c i e n c ye n h a n c e m e n t t e c h n i q u e s ，o n ek i n do fd o h e r t ya m p l i f i e rw i t hu n e v e ni n p u td r i v ea n dl o wm e m o r y e f f e c t i o nw a sp r e s e n t e dw h i c hi su s e di nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t i o no fa30 wh i 曲 e f f i c i e n c ep e r f o r m a n c ep o w e ra m p l i f i e ra p p l i c a t e di nt h ew - c d m ab a s es t a t i o n t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep a eo ft h ed o h e r t yp ai so v e r3 2 w i t h4 5 d b mo u t p u t l e v e l f u r t h e rm o r e ，a c c o r d i n gt oc o m b i n i n gt h ed o h e r t yp aa n dr fp r e d i t o r t i o n t e c h n i q u e ，ab e t t e rw a yw a sp r o p o s e dt oi m p r o v et h el i n e a r i t yp e r f o r m a n c e ，w h i c h m e e t st h er e q u e s tf o rl i n e a r i t yo ft h ep aw i t ht h eh i g he f f i c i e n c ep e r f o r m a n c ea l r e a d y a c h i e v e d a tl a s t ，a na d a p t i v ec o n t r o l l i n gm o d u l ea p p l i c a t e di nt h er fp r e d i s t o r t i o n t e c h n i q u ew a sp r e s e n t e d a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t ，ap r e d i s t o r t i o nd e t e c t i n gm o d u l e w h i c hi so n eo ft h et w ok e yp a r t si nt h ed a p t i v ec o n t r o l l i n gm o d u l ew a sv a l i d a t e d t h e m e a s u r e m e n tr e s u l t ss h o wt h ed e t e c t i n gm o d u l ei sc a p a b l eo fd e t e c t i n gw - c d m a d i s t o r t i o ns i g n a li nd i f f e r e n tb a n d sw i t ht h ei n p u tp o w e rr a n gf r o m 一2 0 d b mt o5 d b m k e yw o r d s ：d o h e r t yp o w e ra m p l i f i e r ，r fp r e d i s t o r t i o nt e c h n i q u e ，a d a p t i v ec o n t r o l i n g ， p r e d i s t o r t i o nd e t e c t i n g ，p a e ，l i n e a r i t y i i 图目录 图目录 图2 1 功率放大器的交调失真5 图2 2 功率放大器输入、输出特性6 图2 3 理想功率放大器模型7 图2 - 4 栅极电压和漏极电流关系8 图2 5 导通角和漏极电流关系9 图2 - 6 负载电阻和输出功率关系1 0 图3 1 包络消除与恢复技术原理图1 1 图3 2 异相放大器技术原理图1 2 图3 3 有源负载牵引原理图1 3 图3 4d o h e r t y 功放原理图1 4 图3 5 主放大器和从放大器输出性能一1 5 图3 - 6 主放大器和从放大器输出功率曲线15 图3 7 阻抗变换原理图1 6 图3 8d o h e r t y 功率放大器和a b 类放大器效率曲线1 9 图4 1 有源负载牵引原理图一2 1 图4 2m r f 6 s 2 1 1 4 0 h 漏极静态电流曲线2 1 图4 3a d s 中的谐波平衡仿真法工具2 2 图4 4 优化前放大器仿真性能2 2 图4 5a d s 中的负载牵引工具2 3 图4 6 负载牵引曲线2 4 图4 7 主、从放大器的源、负载阻抗匹配网络2 4 图4 8 优化后放大器仿真性能2 5 图4 9d o h e r t y 功率放大器电路结构图2 5 图4 1 0x c 2 1 0 0 a 0 5 耦合器的输出性能2 6 图4 1 1 增加延迟线前后从功放输出阻抗变化2 7 图4 1 2 阻抗变换网络仿真原理图2 7 图4 1 3d o h e r c y 功率放大器的a d s 仿真模型2 8 图4 1 4a d s 中的s 参数测试工具。2 8 v i 图目录 图4 1 5d o h e 啊功放的单音测试结果2 8 图4 1 6d o h e r t y 功率放大器仿真性能2 9 图4 17 调制从功放偏置前的仿真结果3 0 图4 1 8 功放系统框图3 1 图4 1 9m w 4 i c 2 2 3 0 的源、负载阻抗匹配网络3 2 图4 2 0 预驱动放大器谐波平衡仿的谐波仿真原理图3 2 图4 2 l 预驱动放大器的仿真性能3 3 图4 2 2m r f 2 1 0 3 0 的源、负载阻抗匹配网络3 4 图4 2 3 驱动放大器的仿真性能3 4 图4 2 4 驱动放大器的单音测试结果3 5 图4 2 5d o h e r t y 功放的w c d m a 信号测试工具3 5 图4 2 6w c d m a 信号输入输出频谱图3 6 图4 2 7w c d m a 信号输入输出信号a c p r 值3 6 图4 2 8d o h e r t y 功放的版图设计3 7 图4 2 9d o h e r t y 功率放大器电路实物图3 8 图5 1 预失真线性化技术原理框图3 9 图5 2 射频预失真原理3 9 图5 3 射频预失真技术实现框图4 0 图5 4 自适应射频预失真技术原理图。4 1 图5 5 失真信号幅度与控制信号关系4 2 图5 - 6 自适应控制算法流程4 3 图5 7 失真检测模块原理图4 4 图5 8 失真信号的检测过程4 4 图5 - 9 自适应射频预失真电路原理图设计一4 7 图5 1 0 自适应射频预失真电路版图设计4 7 图5 1 1 自适应射频预失真电路实物图4 8 图5 1 2 失真检测子模块测试框图4 8 图5 1 3 采样精度测试结果4 9 图5 1 4 选频精度测试结果5 1 v i i 表目录 表目录 表2 1 功率放大器的工作类型8 表4 1 优化前的m r f 6 s 2 1 1 4 0 h 源阻抗和负载阻抗一2 1 表4 2 优化后的m r f 6 s 2 11 4 0 h 源阻抗和负载阻抗2 3 表4 3 平衡输入结构d o h e r t y 功率放大器仿真性能3 0 表5 1 控制电压变化趋势4 2 表5 2 采样精度测试性能4 9 表5 3 选频精度测试性能一5 0 v i i i 缩略字表 w c d m a a c p r i m d p a e e e r p a r i 心 i f m c u a d c d a c j t a g 气心 l d m o s 缩略字表 w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s a d j a c e n tc h a n n e lp o w e rr a t i o i n t e rm o d u l a t ed i s t o r t i o n p o w e ra d d i t i o n a le f f i c i e n c y e n v e l o p ee l i m i n a t i o nr e c o v e r p e a ka v e r a g er a t i o r a t i of r e q u e n c e i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y m i c r oc o n t o lu n i t a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r d i g i t a lt oa n a l o gc o n v e n e r j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p t e s ta c c e s sp o r t 宽带码分多址 邻近信道功率比 交调失真 功率附加效率 包络消除与恢复技术 锋均比 射频 中频 微控制单元 模数变换器 数模变换器 联合测试行为组织 测试访问端口 l a t e r a id i f l u s e dm e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r 横向扩散金属氧化物半导 体 i x 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： ；墨盘盛日期：知c 。年f 月呼日 论文使用授权 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：逛趁盛导师签名：盔塾丝至： e l 期：w , j 年占月争e l 第一章引言 1 1 课题的背景 第一章引言 新一代移动通信技术的发展，给功率放大器提出了更加苛刻的性能要求，如 何突破传统功率放大器性能上的内在矛盾，同时提高线性度和效率，已经成为当 前通信技术发展的重要课题。 1 2 线性化功率放大器的发展现状 伴随着新的调制方式和多址方式的不断发展和完善，第三代通信系统大规模 组网以成为主流趋势【l 】1 2 】。同时，也给处于物理层工作的通信基站及直放站提出了 更高的要求，作为其关键部件的功率放大器，其性能的提升也就变得越来越重要。 首先第三代通信系统需要提供有效的网络覆盖，这就要求增大基站或直放站 的覆盖范围，要求基站或直放站上的功率放大器能够提供足够的输出功率( 1 0 w 以上) 。为了满足这一要求，高功率放大器通常使用l d m o s 晶体管技术，并采用 多级放大结构、功率合成等技术提高功率输出。例如：美国飞思卡尔( f r e e s c a l e ) 半 导体公司，作为世界主要的放大器晶体管供应商，利用其领先的l d m o s 技术， 推出的1 0 w 至3 0 0 w 级功率晶体管，能够为通信基站及直放站提供足够的功率输 出能力，并保证良好的工作效率和可靠性。其推荐的功率放大器结构通常由三级 放大器组成，即：预驱动放大器、驱动放大器、末级功率放大器。在此基础上， 为了进一步提高放大器的功率输出能力，该公司还推出了多款基于平衡放大器结 构的功率放大器芯片，输出功率均超过i o o w 。 其次，新的调制方式对频谱资源有更高的利用效率，这是新一代通信系统与 前两代通信系统的关键区别之一，在物理层表现为采用非恒定包络调制方式取代 恒定包络调制方式，因此，其无线信号具有更高的峰均比。为应对这一变化，并 满足线性度的要求，传统的功率放大器通常采用功率回退的办法，但同时，这样 做会造成效率降低低的问题。效率低会对整个通信系统带来很多负面影响，主要 表现为： 1 效率低下意味着在输出相同射频功率时，直流功率的大量浪费，这将直接 电子科技大学硕士学位论文 导致通信系统运营成本的增加。 2 效率低下同时带来更多的散热问题，这些问题除了会直接影响基站的工作 性能外，还会给基站带来额外的降温成本。 3 功率放大器长时间工作在高温情况下，会导致功率放大器的寿命缩短，同 时也增加了运营商的维护成本。 为了解决这一问题，各种新的功率放大器效率增强技术应运而生，如：d o h e n y 功率放大器技术、异相功率放大器技术、包络消除与重构功率放大器技术、自适 应偏置功率放大器技术。其中产生于上世纪3 0 年代的d o h e r t y 功率放大器技术因 其原理简单，实现成本低，工作稳定，效率改善明显等优点，已经成为现代射频 工程界解决功率放大器效率低下的主要途径，并出现了一批基于d o h e r t y 技术应用 的产品，例如： t r i q u i m 半导体公司于2 0 0 8 年展示了一款对称结构的应用于w - c d m a 基站 的d o h e r t y 功率放大器，其设计采用三相结构( 预驱动器、驱动器和输出级) ，驱动 级放大器峰值功率达到1 0 0 w ，输出级由两个新型放大器组成，单个放大器的峰值 输出功率达到10 0 w ，整个d o h e r t y 放大器能够提供2 0 0 w 峰值功率或者5 0 w 平均 输出功率的w - c d m a 信号输出能力，具有4 2 的总附加功率效率和4 0d b 的增益。 独立自飞利浦公司的恩智浦半导体公司在射频功率器件和数字处理等领域处 于全球领先地位。恩智浦于2 0 0 9 年推出了两款t d s c d m 和w - c d m a 基站用 全集成d o h e r t y 功率放大器，这两款产品利用第6 代l d m o s 技术，将传统d o h e r t y 功率放大器技术中的两个功放管减少为一个，不仅降低了功率放大器的体积和成 本，而且使功率放大器的效率得到大幅提升，在1 0 w 平均功率时的效率大于4 0 。 与a b 类放大器相比，这将使多载波信号工作条件下的功耗降低3 5 。 根据3 g p p 协议中对w - c d m a 功率放大器线性度的要求( a c p i 斟5d b c ) ， 般的d o h e r t y 功率放大器很难满足其线性度要求，因此d o h e r t y 技术需要与其它 的线性化技术结合才能满足线性度的要求，例如：负反馈技术、前馈技术、预失 真技术等等。目前将线性化技术与d o h e r t y 技术相结合，已成为国内外公司及研究 机构实现高效率、高线性度、高功率基站及直放站放大器的重要方向，如： 恩智浦在推出独立的d o h e r t y 放大器产品的基础上，进一步提出了三路d o h e r t y 概念，将d o h e r t y 放大器的优势与第7 代l d m o s 技术结合起来，通过集成预失真 技术，进一步改善系统的线性度。 诺基亚西门子公司于推出的新一代t d s c d m a 基站，集成了数字预失真技术 与d o h e r t y 技术，其线性度达到a c p r 5 0 d b c ，在典型配置下功耗低于业内平均 2 第一章引言 水平4 0 以上，功放效率提高到2 0 以上，整机效率从业内平均水平的8 提高到 1 6 5 ，大大降低了设备功耗。 摩托罗拉公司推出的一款新型g s m 基站，结合了数字预失真技术和d o h e r t y 技术，线性度达到a c p r _ 5 0 d b 4 带内增益波动小于- 4 - 0 5 d b ； 5 邻近信道功率比： a c p r - 5 4 d b c 单载波( 2 1 1 2 1 7 g h z ，3 8 4 m w c d m a ) ； a c p r _ - 5 1 d b c 单载波( 2 1 1 2 1 7 g h z ，3 8 4 m w c d m a ) ： 6 工作电压：2 8 v d c ； 7 工作温度：2 5 0 c “o o c ； 8 工作湿度：5 9 5 。 在本文中，首先介绍了国内外线性化功率放大器技术的发展情况，然后对功 率放大器的设计方法和功率放大器的效率增强技术进行了分析研究，在此基础上， 设计并仿真了一种非平衡输入结构的d o h e r t y 功率放大器。最后，为了改善功率放 大器的线性度，满足w - c d m a 基站的应用要求，设计并实现了应用于射频预失真 技术中的自适应控制模块。 电子科技大学硕士学位论文 第二章功率放大器技术 2 1 功率放大器的技术指标 功率放大器处于无线发射设备的最末位置，主要用于增大无线信号的发射功 率，提高无线设备的通信距离和覆盖范围【3 】。一般手持式设备的发生功率在 0 3 w - 0 6 w 之间，基站及直放站设备的发生功率在1 0 w 一1 0 0 w 之间。衡量一个功 率放大器能否满足通信设备的工作要求，主要的性能指标包括：工作频带、功率 增益、带内增益平坦度、功率容量、线性度、效率。在下面的小节中，将对其逐 一进行介绍。 2 1 1 工作频带 功率放大器与其他射频电路一样，可以看作是一个s 参数的网络，而s 参数 的幅度、相位与电路的工作频率相关，因此，功率放大器只能在一个固定的频带 内工作。根据工作频带的大小，功率放大器可以分为窄带功率放大器和宽带功率 放大器。 2 1 2 功率增益 在功率放大器的工作频带内，功率增益g 定义为输出基波信号功率p 似j 与输 入信号功率如的比，通常使用分贝( d b ) 为单位，如下式： g p2 等 ( 2 - 1 ) 同时，由于功率增益与功率放大器的工作频率相关，g 口不是一个定值，而是 会在工作频带内呈现一定的波动。描述这个波动程度的指标称为带内增益平坦度 g 。q 定义为：工作频带内最大增益与最小增益差值的一半，如下式： q ：g p , m a r 了- a p , m m ( 2 - 2 ) 相应的，功率增益q 定义为工作频带内增益的平均值，如下式 4 第二章功率放大器技术 2 1 3 功率容量： q = 垒 ( 2 - 3 ) 功率放大器是一个非线性器件，其输入信号和输出信号之间会产生非线性失 真。以双音输入信号为例，当功率放大器的输入信号为双音信号时：，、幼，在 功率放大器的输出信号中，即包含经过放大的相同频率的信号( c o t 、c 0 2 ) ，称为基 波信号，也包含由于非线性失真产生的信号，称为非线性失真分量。非线性失真 分量表现为以基波信号频率为基础的频率组合( m o o j + n 0 2 ，m 、n = o ，4 - 1 ，士j ，4 - 2 ， g ，) ，如图2 1 所示： z 五 五石 2 z 一厄 2 正- a i 2 百2 一升r 3 l 一2 石 小 l l、 图2 - l 功率放大器的交调失真 在非线性失真信号中，2 c o e - l ，和2 c o l l o ) 2 两个频率分量对功率放大器的影响 最明显，称为三阶交调分量。为了描述三阶交调分量的影响，定义三阶交调失真 比( i m d 3 ) 。i m d 3 定义为：交调失真分量功率与基波分量功率的比值，如下式： 一。等 ， 在表达式( 2 4 ) 中，尸口以j 为基波信号的输出功率，p 删3 为三阶交调信号的输出 功率。在实际通信系统中，功率放大器的输入信号通常为在通信带宽内的通带信 号，通带信号在经过功率放大器放大后会产生非线性失真。产生的非线性失真信 号同样是宽带信号，并且分布在通信系统的通带内和通带外。在工程中，为了反 映由于功率放大器的非线性失真导致的带外泄露现象，使用邻近信道功率比 ( a c p r ) 描述通带信号的非线性失真。a c p r 定义为：泄露到邻近信道的非线性 失真信号功率与通带内的信号功率的比值。 功率放大器的非线性失真会降低通信系统的线性度，并给邻近信道的通信系 电子科技大学硕士学位论文 统造成干扰。另外，从能量守恒的角度分析，非线性失真分量会降低基波信号的 输出功率，降低功率放大器的功率增益，使放大器的输出功率饱和。例如，在双 音输入的情况下，随着输入功率尸加的增加，n 训和3 的输出功率都会增加， 并且，的增长快于尸口她j 的增长，其结果是导致基波输出信号功率尸口矾，压缩， 如图2 2 所示。 mi i p 3船m j 图2 - 2 功率放大器输入、输出特性 从图2 2 中可以看到，随着基波输入信号尸加的增加，基波输出信号，出现 了压缩，最终导致功率放大器的输出功率饱和。为了描述功率放大器的功率容量， 定义功率放大器的l d b 压缩点尸j 衄。p j 棚定义为：实际输出的基波信号尸j 比线 性输出的基波信号p d 以，曲线下降l d b 的功率点。尸，招既可以用输入功率p j 以加表 示，也可以用输出功率p j d b , o u t 表示。 另外，从图2 2 中可以看到，随着基波输入信号的增加，三阶交调信号的 输出功率r 础了也出现了先线性增加后非线性压缩的情况。为了描述这个非线性失 真特性，定义三阶交调截断点i p a 。i p a 定义为：基波线性输出功率p 硎t ，和三阶交 调信号线性输出功率3 的交点。同样的，i p 3 既可以用输入功率i i p z 表示，也可 以用输出功率o i p 3 表示。一般的，我们可以定性的判断出o i p 3 与功率放大器线性 度的关系：o i p a 越大，功率放大器的线性度越好。 2 1 4 效率 在通信系统中，功率放大器是主要的直流功率消耗源之一，其工作效率对降 低通信系统的能耗尤为重要。功率放大器的效率可以定义为：基波输出信号功率 6 第二章功率放大器技术 尸眦，与直流输入功率尸出的比，如下式： 刁2 等 ( 2 - 5 ) p 这个定义的缺点是：因为大部分功率放大器的功率增益较低，功率放大器的 输入功率不能忽略，叮无法反应功率放大器将直流功率转化为射频功率的能力， 因此通常使用功率附加效率p a e 来描述功率放大器的效率，其定义为： p a e ：生( 2 - 6 ) 2 2 功率放大器的设计 根据经典的功率放大器理论，在设计功率放大器时，除了选择满足功率和线 性度要求功率放大器芯片外，还包括合理设置功率放大器的工作类型，设置输入、 输出负载匹配等任务。 2 2 1 功率放大器的工作类型 本节将介绍功率放大器的工作类型 4 1 ，以及工作类型对功率放大器输出功率和 效率的影响。一个理想的功率放大器电路如图2 3 所示： 匕 z ：- r ：- j o ( f , ) z ：- i x 辽, 3 9 0 ，e 晒 卜 图2 3 理想功率放大器模型 在图2 3 中，假设功率放大器能够输出的最大静态电流为毛一，对应最大偏 置电压一。为栅极的单音输入信号，频率为办。扬为漏极输出电流，v d s n 7 电子科技大学硕士学位论文 漏极输出电压。f j 为漏极输出电流f d 的基波分量，频率为而。f 2 、如等为漏极输出 电流幻的谐波分量，频率为确、玩等。另外，功率放大器具有理想的负载输出， 即负载阻抗磊满足下面的表达式： 乙= 雹+ 0 ( 厶) ( 2 - 7 ) 乙= o ( 2 f o ，3 f o ，e t c )( 2 8 ) 假设功率放大器的栅极偏置电压为，对应漏极静态电流厶。那么栅极输入 电压和漏极输出电流i d 的波形如图2 4 。假设漏极电流的峰值为厶一；a 为功 率放大器的导通角，导通角描述了漏极电流f d 在一个周期内的导通情况。由于功 率放大器的输出端具有理想的负载匹配，那么负载电阻上只有频率为而的输出电 流，即漏极电流f d 中的基波分量f j 。又因为i i 和直流d c 的大小由导通角a 决定， 如图2 5 ，所以导通角仅决定了功率放大器的工作类型，如表2 1 ： 表2 - 1 功率放大器的工作类型 j 川一芦丁 v l q 。” 辽a r l q l 0a 2 丌 2 1 t3 x 图2 _ 4 栅极电压和漏极电流关系 8 第二章功率放大器技术 工作类型：a a bbc 图2 - 5 导通角和漏极电流关系 从图2 5 中可以看到，随着导通角a 的降低，基波电流f ，和直流k 也会随之 降低。基波电流f j 的降低，将导致功率放大器输出功率的降低。但由于直流i d c 的 降低，功率放大器效率叩的变化，并不能直接从图2 5 中看出，因此需要对其进行 定量分析。下面给出通过傅立叶级数展开得到的i t 和k 表达式： f 。r ：三丝型垡型兰! 二塑竺! ! 竺堕( 2 9 ) k 2 首= c o 忑s ( 历厂一 u 。j z 万l a 2 l = 鲁五a - 瓦s i n 历a ( 2 - 1 0 ) 2 万1 一c o s ( 口2 】 根据表达式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) ，可以得到功率放大器输出的基波功率尸，和功率放大 器上消耗的直流功率p v c 别为： e o c = k ( 2 - 1 1 ) 置：单( 2 - 1 2 ) 最后，通过带入不同的导通角a 就得到功率放大器在不同工作状态下的最大 效率。 2 2 2 功率放大器的负载 通过2 2 1 小节的分析，我们得到了功率放大器输出的基波功率尸，的表达式。 在实际情况中，由于功率放大器受输出功率的限制，功率放大器能够输出的最大 基波电流f ，一是有限的，如图2 - 6 所示。同时，功率放大器输出到负载上的电压 9 电子科技大学硕士学位论文 乃也是有限的，其最大值等于v o c ，如图2 - 6 所示。 乃 v o c 0z m 簖 图2 - 6 负载电阻和输出功率关系 从图2 - 6 中可以看出，为了使功率放大器能够输出最大的基波功率，负载阻抗 需要能够保证f 和所同时达到最大值。这个负载阻抗就是功率放大器的最优负载 阻抗r 叫。尺叫满足的条件是： ：墨 ( 2 - 1 3 ) 艄 当尺工钮叩，时，功率放大器能够输出最大基波功率p j ，m 嚣。p j ，一可以由下式 表示： 丑，蚴：t l , “_ r , v o c ( 2 - 1 4 ) 从以上的讨论可以看出，功率放大器能够输出最大功率的要求是：r 镏叩，。 但在其他的设计中，要求功率放大器具有较高的工作效率叩。通过表达式( 2 - 1 1 ) 和 ( 2 1 2 ) ，可以推导出工作效率叩与负载阻抗毗的关系： 刁= 瓦1 2 - 石r l ( 2 - 1 5 ) 从表达式( 2 1 5 ) 中可以看到，在功率放大器工作类型确定的情况下，负载阻抗 见的值越大功率放大器的工作效率习越高。但从图2 - 6 中可以看到，当凡凇叫时， 负载阻抗毗的值越高，功率放大器能够输出的最大功率越小。 1 0 第三章高效率功率放大器技术 第三章高效率功率放大器技术 功率放大器在放大幅度调制信号( a m ) 时，存在两个根本的问题。第一个问 题是：当调制信号的包络幅度接近功率放大器的饱和输出时，会出现严重的非线 性失真，影响通信系统的通信质量：第二个问题是：在设计功率放大器时，其工 作效率的最大值通常出现在输出功率接近饱和输出时，当输出功率降低时，功率 放大器的工作效率也随之降低，直流耗散也随之增加。近年来，为了解决这二个 问题，出现了很多实用、有效的功率放大器效率增强技术【5 】1 6 】。在下面的小节中， 将对其逐一进行介绍。 3 1 包络消除与恢复技术 在k a l m t 7 】提出包络消除与恢复技术( e e r ) 技术之初，e e r 技术被认为是一 种具有更高效率的a b 类线性工作放大器。一直以来，e e r 技术都是提高a m 信 号功率放大器效率的通用技术。 在数字通信系统中，传输的信息由信号的幅度和相位共同承载。e e r 技术的 原理就是根据信号幅度信息和相位信息的不同特点，对信号的幅度和相位信息分 别进行放大。其原理图如图3 1 所示： 图3 - 1 包络消除与恢复技术原理图 调制信号进入放大器后，被分为两路信号，其中一路信号承载了调制信号的 相位信息，这一路信号首先通过限幅器，限幅器的作用是降低该路信号的幅度， 避免该路信号经过放大器放大后产生a m p m 调制失真，因此，放大器的输出信号 中无失真的包含了调制信号中全部的相位信息。另一路信号中承载了调制信号的 幅度信息，即调制信号的包络信号，因此该路信号经过包络检波器后，得到调制 电子科技大学硕士学位论文 信号的包络信号。包络信号经过放大整型后，作为放大器的直流供电信号输入放 大器。由于当放大器处于过饱和状态时，放大器可以看作是一个电压发生器，其 输出的信号幅度与直流供电电压成比例，因此当包络信号作为直流供电电压时， 放大器输出信号的包络与输入信号的包络成正比，通过适当调整包络信号的放大 整形电路，输出信号就能恢复原调制信号中的幅度信息。 3 2 异相放大器技术： 异相放大器技术于19 3 5 年由c h i r e i x 8 1 提出，与传统功率放大器相比，异相放 大器技术通过一种完全不同的思路用以提高功率放大器的效率网。在异相放大器技 术中，采用两个相同的放大器够成两条信号通路，如图3 2 所示。在两条信号通路 中，放大器工作在固定的功率输出等级上，而且允许放大器工作在非线性输出状 态。 p 夕 a m p m ，一， 调制器 信号相加i 、 沁 图3 - 2 异相放大器技术原理图 假设输入信号为鼢( ，) = a ( d c o s ( c o t ) ，鼢( ，) 经过a m - p m 调制器后输出两个幅度 相等且固定的信号研( f ) 和& ( f ) ，其表达式为： s ( ，) = c o sc o t + c o s 。1 ( 么( ，) ) ) ( 3 - 1 ) 岛( f ) = c o s ( c o t - c o s 。1 ( 么( f ) ) ) ( 3 - 2 ) 假设放大器的电压增益为g ，在输出端叠加后的信号s o “t ( t ) 为： ( t ) = g s i ( t ) + s 2 ( f ) = 2 g a ( t ) e o s ( c o t ) ( 3 - 3 ) 从表达式( 3 3 ) 中可以看到，a m p m 调制器是异相放大器中最关键的部分。 a m - p m 调制器将一个幅度调制信号转换为两个异相的相位调制信号。异相放大器 技术能够提高功率放大器效率的原因是，两个异相的研( f ) 和& ( t ，k 够由非线性失 真很强，但工作效率很高的放大器放大，放大后的两路信号通过异相叠加，仍然 能够保证整个功率放大器的线性度。 1 2 第三章高效率功率放大器技术 3 3d o h e r t y 功率放大器技术： d o h e r t y 功率放大器技术于1 9 3 6 年提出【l o 】。最初的d o h e r t y 功率放大器被应用 于短波广播电台中，具有很高的发射功率。近年来随着技术的发展，d o h e r t y 功率 放大器主要用于放大具有很高功率锋均比( p a r ) 的非恒定包络调制信号。 有源负载牵引理论l l l j 是d o h e r t y 功率放大器技术的基础。有源负载牵引理论的 核心思想是：在一个有两个电流源和一个负载的电路中，负载相对于其中一个电 流源的电阻或者电抗会由于另一个电流源输出的电流而改变。如图3 3 所示： 在图3 - 3 中，当& 输出的电流垆o 时，电阻r 相对于研的电阻值r j = r l 。根 据基尔霍夫电流定量，如果两输出电流为乃，输入电阻r 的电流为乃和2 的和， 电阻尺上的电压为： 圪= 吃( 厶+ 厶) ( 3 4 ) 此时，2 将使电阻r 相对于研的电阻值r j 发生变化，如下式： 墨= 吃( 半 b 5 ， 相应的，乃也将使电阻r 相对于的电阻值r 2 发生变化，如下式： 恐= r l i i 2 + 2 - ) p 6 ， 表达式( 3 5 ) 、( 3 6 ) 同样可以被应用到电流源输出交流信号时。在交流信号下， 乃、乃和2 变为复数，r i 和r 2 变为乃和历，如下式： 乙= 吃 p 7 ， 电子科技大学硕士学位论文 z 2 吃) ( 3 - 8 ， 从表达式( 3 7 ) 、( 3 8 ) 看出，可以通过改变& 输出电流厶的相位和幅度，改变 电阻r 相对于s ，的负载阻抗乃，例如：当乃和易同相时，乃的电阻值将增大；当 乃和2 反相时，乃的电阻值将减小。 由于场效应晶体管可以被看作是一个受控电流源，因此将有源负载理论中的 电流源替换为场效应晶体管。如果两个晶体管输出相位相关的电流信号，那么负 载相对于其中一个晶体管的阻抗，将根据另一个晶体管输出的电流而改变。根据 前面章节中的讨论，负载阻抗对功率放大器效率的影响，通过合理设置两个功率 放大器输出电流间的关系，就能够改善功率放大器的效率。 d o h e r t y 功率放大器由两个放大器组成，采用并联结构【1 2 】。两个放大器工作在 不同的偏置状态下，分别称为主放大器和从放大器，其中主放大器工作在a b 类， 从放大器工作在c 类，如图3 4 所示： 主功放 从功放 图3 - 4d o h e r t y 功放原理图 d o h e r t y 技术提高功率放大器效率的原理是：当d o h e r t y 功率放大器输出峰值 功率时，主放大器和从放大器均输出各自的峰值功率，并通过功率合成得到d o h e r t y 功率放大器的峰值功率输出。当输出功率从峰值功率降低时，两个放大器的输出 功率同时降低，直到输出功率降低至峰值功率回退6 d b ，从放大器关闭。由于从放 大器关闭，其直流消耗为0 ，因此在低功率输出阶段，整个功率放大器的直流消耗 减半，效率得到提高。同时，在高功率输出阶段，可以通过合理设置放大器的负 载匹配，使主放大器的效率始终维持在最大值，从而提高整个功率放大器的效率。 在低功率输出阶段，从放大器不工作，主放大器的效率和主放大器负载上的电 1 4 第三章高效率功率放大器技术 流、电压，随着输入功率的增加而增加，如图3 5 。因此，主放大器的输出功率也 线性增加。在高功率输出阶段，随着输入功率的增加，主放大器的电压出现饱和， 但电流仍保持线性增加，因此主放大器的输出功率不再随输入功率线性增加，如 图3 - 6 所示。同时，从放大器开始工作。根据有源负载牵引理论，由于从放大器的 输出电流增加，主放大器的等效负载阻抗降低。主放大器等效负载阻抗的降低，