（电子科学与技术专业论文）射频放大器的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i r e l e s si so n eo ft h em a i ns i g n a lc a r r i e r sf o rc u r r e n ta n dn e x tg e n e r a t i o n c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ep e r f o r m a n c eo fr ff r o n t e n da m p l i f i c a t i o nm o d u l e sh a sa g r e a tr o l eo nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，f r o mq u a l i t ya n dc a p a c i t yt oc o m m u n i c a t i o n d i s t a n c e i nr e c e i v i n gl i n k , a st h ef i r s ts t a g eo ft h er e c e i v e r , t h ep e r f o r m a n c eo fl o wn o i s e a m p l i f i e r ( l n a ) h a sad e c i s i v ee f f e c to nt h ew h o l er e c e i v e r d u et os e m i c o n d u c t o r p r o c e s sw em u s tt r a d eo f fb e t w e e ni n p u tv o l t a g es t a n d i n gw a v er a t i o ( v s w r ) a n d n o i s ef i g u r e i nt h i sp a p e r , ab a l a n c e dl n a i sa d o p t e d i n p u tv s w ra n dn o i s ef i g u r e c a nb ei m p r o v e dd r a m a t i c a l l ya tt h es a m et i m e t h eb a l a n c e dl n ai ss u i t a b l ef o rg p s f r e q u e n c yb a n d ( c e n t e rf r e q u e n c y15 7 5 4 2 m h z ) f o rm o d e r nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，i n o r d e rt os a v es p e c t r u mr e s o u r c e sa n db o o s ts p e c t r u me f f i c i e n c y , s o m ek i n d so f c o m p l e xd i g i t a lm o d u l a t i o na r eu s e d ，f o re x a m p l eq p s k ，q a m ，o f d m ，w h i c ha r en o t c o n s t a n te n v e l o pm o d u l a t i o n f u r t h e r m o r et h ep e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a r ) i s v e r yb i g t a k i n gw c d m a f o re x a m p l e ，p a ri s6 9 d ba t0 0 1 p r o b a b i l i t yo nt h e c c d ei fp o w e ra m p l i f i e rb a c k - o f ff r o mp l d bi su s e df o rh i 曲l i n e a r i t y , t h ep o w e r a d d e de f f i c i e n c y ( p a e ) i sd e g r a d e dg r e a t l ya tt h es a m et i m e i nt h ep a p e rd o h e r t y t e c h n i q u ei ss t u d i e dt os o l v et h ep r o b l e m s ot h eh i g he f f i c i e n c yc a nb ea c h i e v e dw i m l i t t l el i n e a r i t ys a c r i f i c e i nt h ep a p e r , d e s i g nm e t h o do fl n ai sd e e p l ys t u d i e di nt h e o r y b yc h o o s i n gl o w n o i s eh i 曲e l e c t r o nm o b i l i t yt r a n s i s t o r s ( h e m t ) a t f 5 51 4 3f r o ma v a g o t e c h n o l o g y , u t i l i z i n ga d s 2 0 0 8s i m u l a t i o ns o f t w a r ef r o ma g i l e n tt e c h n o l o g y , ab a l a n c e dl n a i s d e s i g n e d e m e i r c u i tc o - s i m u l a t i o ni sc a r r i e do u to nb a l a n c e dl n ai no r d e rt ov e r i 母 t h ec o m p l e t ec i r c u i td e s i g n , a n dl a y o u tf i l e sf o rp c bf a b r i c a t i o na l eg i v e ni ng d s i i l a s t l yt h ef a b r i c a t e da n ds o l d e r e db a l a n c e dl n ai st e s t e db yv e c t o rn e t w o r ka n a l y z e r t h es c h e m eo fn o i s ef i g u r em e a s u r e m e n tb e s tm a t c h e df o rt h i sb a l a n c e dl n ai s p r o p o s e d m a t c h i n gt e c h n i q u e , l o a d p u l lt e c h n i q u ea n dd o h e r t yt h e o r ya r es t u d i e da n d i n v e s t i g a t e di nd e t a i l r fh i g hp o w e rl d m o sm r f 6 s 2 10 5 0 lf r o mf r e e s c a l ei sc h o s e n a sc o r ec o m p o n e n t c o m b i n e dw i t ha d s 2 0 0 8a n df r e e s c a l el d m o sd e s i g nk i t ，t h e w c d m ab a s es t a t i o nd o w n l i n k ( 2110 m h z - 217 0 m h z ) p o w e ra m p l i f i e ri sd e s i g n e d a b s t r a c t a n ds i m u l a t e d a tl a s t , d 0 h e r t yp o w e ra m p l i f i e ri s d e s i g n e da n ds i m u l a t e dt h e s i m u l a t i o nr e s u l tp r o v e st h a tt h ed o h e r t yp o w e ra m p l i f i e rh a sag r e a t e rp o w e ra d d e d e f f i c i e n c y ( p a e ) t h a nc o l n l l l o nb a l a n c e dp o w e ra m p l i f i e rw h e no u t p u tp o w e rb a c k so f f 6 d b k e yw o r d s ：b a l a n c e dl n a ；g p s ；d o h e r t yp o w e ra m p l i f i e r ；w c d m a ；a d s 英文缩略语 g p s l 】n a l d m o s d p d q p s k e e r l i n c d p a i m d 3 a c p r 3 g p p s f d r p a p r c c d f e v m s c s m m i c l t f i c 英文缩略语 g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m l o wn o i s e a m p l i f i e r l a t e r a ld if f u s e dm e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r d i 西t a lp r e d i s t o r t i o n q u a d r a t u r ep h a s e s h i f tk e y i n g e n v e l o p ee l i m i n a t i o na n dr e s t o r a t i o n l i n e a ra m p l i f i c a t i o nw i t hn o n l i n e a rc o m p o n e n t d o h e r t yp o w e ra m p l i f i e r 3 - o r d e ri n t e r - m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n a d j a c e n tc h a n n e lp o w e rr a t i o 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t s p u r i o u sf r e ed y n a m i cr a n g e p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o c o m p l e m e n t a r yc u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n e r r o rv e c t o rm a g n i t u d e s i g n a lc o m p o n e n ts e p a r a t o r m o n o l i t h i cm i c r o w a v ei n t e g r a t e dc i r c u i t r a d i of r e q u e n c yi n t e g r a t e dc i r c u i t 插图目录 插图目录 图2 1 噪声功率谱密度一一一一一8 图2 2 放大器输入输出信噪比 图2 3l d b 压缩点和3 阶截止 图2 4 - - 阶交调失真示意图 图2 5 平衡放大器框图 图2 6 噪声分析仪测量噪声系数 图2 7 增益法测量噪声系数 图2 8y 因子法测量噪声系数 图3 1a t f 5 5 1 4 3 直流扫描 图3 2a t f 5 5 1 4 3 直流偏置电路 图3 3 稳定性因子和稳定性测定值 图3 4a t f 5 5 1 4 3 源稳定性圆簇 图3 5 稳定性和偏置电路 图3 6 加稳定性网络后的源稳定性圆 图3 7 加入稳定性网络后的稳定性因子和稳定性测定值 图3 8 等增益圆和等噪声系数圆 图3 9 单个低噪声放大器电磁电路协同仿真图 图3 1 0w i l k i n s o n 功分器的微带结构 图3 1 1 平衡低噪声放大器w i l k i n s o n 功分器设计 图3 1 2 平衡低噪声放大器电磁电路协同仿真图 图3 1 3 平衡低噪声放大器s 参数 图3 1 4 平衡低噪声放大器噪声系数 图3 1 5 输出三阶截止点 图3 1 6 增益压缩曲线 图3 1 7 a d s 生成的g d s i i 格式的版图 图3 1 8 平衡低噪声放大器实物图 2 8 2 9 3 0 m 圪 b 托 掩 侈 扒 挖 勉 毖 筋 拼 斟 筋 笱 筘 凹 蕊 插图目录 图3 1 9 平衡低噪放测试场景 3 0 图3 2 0 用矢量网络分析测得的输入端反射系数( d b ) 一一一一一- - 3 1 图3 2 1 用矢量网络分析测得的增益( d b ) 一一一一一一一一一3 1 图3 2 2 用矢量网络分析测得的输出反射系数( d b ) 一一3 2 图3 2 3 用矢量网络分析测得的反向传递( d b ) 3 2 图4 1 采用d s p 技术的包络分离和恢复 图4 2l 1 n c 功率放大系统 图4 3l i n c 相位合成 图4 4 模拟控制功放包络跟踪框图 图4 5d o h c r t y 功放原理框图 图4 62 路d p a 电路 3 6 3 7 3 7 3 8 3 8 ，3 9 图4 7d o h c r t y 功放等效电路 图4 8 理想d p a 电流和电压一_ 4 0 图4 9 实线理想d o h c r t y 放大器，虚线b 类放大器一一一4 1 图4 1 0 低功率输入模式一一一一4 2 图4 1 1 中等功率输入模式一一一4 2 图4 1 2 高功率输入模式一- _ 4 3 图4 1 3 多级d o h e n y 放大器和两级非对称d o h m y 放大器效率一一一4 3 图4 1 4 多级d o h e r t y 功率放大器结构框图- 4 4 图5 1l d m o s 结构剖面图一一4 6 图5 2 不同工作类型的l d m o s 功放管的p o u t 和i m 3 一一一一_ 4 8 图5 3 输出理想电压电流关系一一一一- 4 9 图5 4 直流扫描电路一 5 2 ，5 2 5 3 5 4 5 5 5 5 图5 5m r f 6 s 2 1 0 5 0 l 输出i v 特性 图5 6 漏极直流偏置设计 图5 7 输出负载牵引仿真电路 图5 8 负载牵引得到的等增益曲线和等输出功率曲线 图5 9 输出端匹配网络设计 插图目录 图5 1 0 源负载牵引仿真结果 图5 1 1 输入端匹配网络设计 图5 1 2 单音测试功放增益压缩特性 图5 1 3 单音测试功放效率随输出功率变化 图5 1 4 单音测试功放谐波失真 图5 1 5 双音测试三阶和五阶互调失真 图5 1 6 普通平衡功放顶层电路图 图5 1 7d o h e r t y 功放输入端定向耦合器设计电路 图5 1 8 定向耦合器s 2 l 和s 3 l 的幅度和相位 图5 19 输出端功率合成器的幅度和相位一一6 0 图5 2 0d o h e r t y 功放顶层电路图一一一6 0 图5 2 1d o h e w t y 功放与普通平衡式功放效率对比一一一6 l 图5 2 2d o h e r t y 功放与普通平衡式功放增益对比一一6 l 图5 2 3d o h e r t y 功放与普通平衡式功放输出功率对比一一一6 2 图5 2 4d o h e r t y 功放中峰值放大器和载波放大器漏极电流一6 2 图5 2 5d o h e r t y 功放输出到负载的电流一一6 2 6 6 6 7 7 7 8 9 9 量 5 5 5 5 5 5 5 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文“射频放大器的研究 。除论文中已经注明引用的内容外， 对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文 中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成 果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密( 请在以上方框内打搿”) ：後龟群 射频放大器的研究 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 无线通信技术是发展最为迅速的科学技术之一，它实质是以电磁波代替导线 进行信息的传输，使人们可以利用无线频谱进行双向通讯，给人们带来了极大的 方便，也极大的改变了人们的生活方式。射频技术是无线通讯技术的核心技术， 在当今各个领域得到广泛应用，如：高速语音、数据、图文与图像传输、蜂窝式 个人通信、低轨道卫星移动通信、无线局域网、无线接入系统( 包括b l u e t o o t h 、 u w b ) 、全球卫星定位系统( g p s ) 、卫星直播电视和多点多址分布系统等。低噪 声放大器和功率放大器在现代射频通信电路中起着重要作用。 在整个接收链路中，天线后的第一级放大器贡献了大部分的噪声。因此，如 何降低这一级放大器的所带来的系统信噪比的恶化成为射频工程师们所关心的问 题。第一级放大器往往做成低噪声放大器( l n a ) 。同时，低噪声放大器输入驻波 也是一个十分重要的指标，放大器的输入驻波表征天线接收到的微弱信号在放大 器的输入端由于不匹配而产生反射的损耗程度。因此，一个好的低噪声放大器设 计要求放大器同时具有较好的噪声系数和输入驻波比，这样才能从实质上提高系 统的灵敏度。 g p s 的优良性能被人们誉为是一场导航领域的革命，是卫星导航定位系统的 代表，技术最成熟，产业化也最强，具有全能性( 陆地、海洋、航空和航天) 、全球 性、全天候、连续性和实时性提供导航、定位和定时的特点，提供精密的三维坐 标、速度、时间，还具有良好的抗干扰和保密的性能。随着g p s 的发展，人们越 来越意识到它的重大作用及广阔的应用领域，除军事应用外，g p s 已应用于航天、 航空、航海、测量、勘探、建筑、市政、规划、土地、农业、交通、水利、电力、 环保、银行、公安、消防、森林防火、抗洪抢险等诸多领域，在信息、交通、安 全防卫、农业等建设方面具有其他手段无法替代的重要作用，发展前景十分广阔。 目前很多的公司和研究机构都在研究各种g p s 接收机，以更深入彻底地应用g p s 定位的优势。而射频前端电路设计是整个g p s 接收机的重点和难点。l n a 作为射 频前端电路的第一级，它的性能直接影响到整个接收机的性能。因此研究低噪声 第1 章绪论 放大器有很大的实际意义。 在移动通信系统的基站和移动台的发射机中，最重要的部件莫过于射频部分 的功率放大器( p a ) 。功率放大器和相关的射频器件占无线基站硬件成本的4 0 。 改进放大器本身的性能是从根本上提升放大器内部的信号完整性和功放的可靠 性，这是最省事但也是最复杂的方法。这种方法主要是通过发明性能更好、更合 适的晶体管，应用更先进的集成技术。在设计过程中，综合考虑器件的寄生效应、 温升效应、以及记忆效应等，使用更好的偏置电路、宽带匹配电路、散热和屏蔽 技术来最大幅度地提高放大器的线性度和效率。l d m o s 射频功率管的主要厂家飞 思卡尔( f r e e s c a l e ) 和恩智浦( n x p ) 等都推出了用于第三代移动通信的第七代 l d m o s 管。飞思卡尔甚至还推出了基于第八代高压( h v 8 ) 的射频功率l d m o s ， 专门用来满足w c d m a 和w i m a x 等高数据速率应用以及l t e 和多载波g s m 等 新兴标准的严苛要求。基于h v 8 技术的系列器件针对先进功率放大器架构中的运 行做了优化，包括与数字预失真( d p d ) 结合使用的d o h e r t y 。 1 2l n a 的国内外发展现状 随着近年来无线通讯、卫星通讯、全球定位系统及电子对抗技术迅速发展， 现代通讯系统要求通讯距离越来越远，接收灵敏度越来越高，低噪声放大器( l n a ) 作为移动通信、雷达、电子对抗及遥控遥感系统接收机前端部件，对整个接收系统 的性能指标起着关键作用，设计性能指标良好的l n a 有着重要的意义。低噪声放 大器位于射频接收系统的前端，其主要功能是将来自天线的低电压信号进行小信 号放大。前级放大器的噪声系数对整个微波系统的噪声影响最大，它的增益将决 定对后级电路的噪声抑制程度，它的线性度将对整个系统的线性度和共模噪声抑 制比产生重要影响。对低噪声放大器的基本要求是：噪声系数低、足够的功率增益、 工作稳定性好、足够的带宽、和大的动态范围。因此，研制合适的宽频带、高性 能、小体积、更低噪声的放大芯片，己经成为微波系统设计中的重要技术之一。 g p s 接收机的天线接收到包含噪声的卫星信号，首先经过一个前置射频滤波 器( 1 5 7 5 m h z ) ，滤掉不需要的频率部分的信号，滤波以后的信号送入低噪声放大器， 进行放大这一步是非常关键的一步，能够基本检出微弱的卫星信号，同时尽量少 射频放大器的研究 地带入新的噪声。经低噪声放大器处理放大过的信号，才能进行下一步的混频， 滤波和放大。g p s 接收机中各级单元电路的内部噪声对级联后总噪声系数的影响 有所不同，级数越靠前的单元电路的噪声系数对总噪声系数的影响越大，而电路 的第一级正是低噪声放大器：同时g p s 接收机的灵敏度决定于系统的信噪比，噪声 系数的大小决定了接收机灵敏度的性能，所以研究低噪声放大器的噪声系数不仅 可以降低电路的总噪声系数同时还能提高接收机的灵敏度。因此，l n a 对于接收 机，或者更具体地说对射频前端电路的重要性勿庸置疑，具体设计将在后面的章 节中论述。 上世纪四十年代阃世的微波晶体管由于具有体积小、重量轻的特点，使其迅 速成为微波固体器件的一个重要分支。到了六十年代中期，由于平面外延工艺的 发展，双极晶体管能够应用于微波频段。而且，随着半导体材料和工艺的迅速发 展，场效应晶体管紧接着也应用于微波频段。微波晶体管放大器具有宽频带、稳 定性好、噪声性能好、动态范围大等优点。1 9 6 7 年第一个g a a s 单极晶体管问世， 到7 0 年代初期已知可用g a a s 制造x 波段以下的低噪声放大器。1 9 7 2 年l e i c h t i 等人研制的1 0 g h z 放大器，噪声系数( n f ) 为3 5 d b ，相关增益为6 6 d b t l l 。 在过去的二十几年，低噪声技术有了长远的发展。在8 0 年代早期，低噪声放 大器的噪声性能已经相当出色了，然而其体积重量都比较大，功耗也比较大。卫 星地面终端对低噪声、重量轻、低功耗以及高可靠性同时提出了要求，当时的低 噪声放大器还很难同时达到上述要求。随着分子束外延( m b e ) 和金属有机化合物化 学汽相淀积( m o c v d ) 等晶体生长技术、“能带工程 原理在器件设计中的成功应用， 以及电路匹配技术，器件工艺技术的发展，人们开发了许多新型的半导体器件。 除砷化钾场效应晶体管( ( 3 a a sf e t ) # i ，其佼佼者有高电子迁移率晶体管( h e m t ) 和 异质结双极晶体管( h b t ) 。 1 3w c d m a 基站功率放大器发展现状和面) l 缶a g t j g 战 随着无线通信和军事领域新标准新技术的不断发展，日益要求提高射频功率 放大器的性能，使之在更宽频带内，具有更高的输出功率、效率和可靠性。例如 在通信基站中，因为c d m a 基站采用四相相移键控( q p s k ) 技术，需要对多路载波 第1 章绪论 同时放大，此时信号幅度将随时间剧烈变化，要求峰均比达1 0 - 1 3 d b ，所以要求 p a 具有较高的线性度；在第三代移动通信系统( 3 g ) 中，要求数据传输速率达到 2 m b i t s ，单个信号的带宽达5 m h z ，这就需要p a 具有宽带特性；为了降低通信运 营商的运营成本，减小冷却成本，易于热控制，就要求提高p a 的效率；为了减小 功率放大的级数和功率管的使用数量，以更低的功率进行驱动，降低成本，就要 求提高放大器的增益；为了增加通信基站的覆盖范围，减小固定区域内所需要设 置的基站以节约成本，同时减小电路的尺寸和重量，就要求提高p a 的输出功率。 所有的这些问题，对射频功率放大器的设计提出了新的要求。 1 3 1 功放的线性化技术 国内外已经研究了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【2 j 【3 】，预失真技术刚和反馈技术【5 l 。 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 且由于在前馈电路的第二个环路中需要一个辅助功率放大器，反而使得总效率有 所降低。而预失真技术电路结构较为简单，性能适中且成本较低，因而在小功率 射频功放的设计中得以广泛应用。 预失真技术可以用模拟器件实现，能对放大器的低阶非线性进行有限补偿， 存在着局限性，线性化性能也不太理想，数字信号处理技术的突破性发展为预失 真技术注入了新的活力，现在的预失真技术已从模拟走向数字，从开环走向闭环， 从射频、中频走向基带，基带自适应数字预失真是现在预失真技术的研究热点， 但是由于设备比较复杂，一定程度上限制了它的广泛发展和应用。 反馈线性化方法非常实用。由于引入了反馈，所以线性化的精度大大提高了， 人们在这方面已做了大量的工作，许多模拟电路的线性化问题都使用了这种方法， 它也是数字电路线性化的重要手段之一。反馈方法又可分为直接反馈和间接反馈 控制法。由于直接反馈法在反馈端输入输出信号是直接相减的，因此在信号频率 较高时，输出信号相对于输入信号会产生数个射频周期的延迟，使结果变得不准 确。此外，直接反馈线性化方法的稳定性条件比较苛刻，所以在大部分情况下， 采用的是间接反馈法。在间接反馈线性化方法中输入输出信号的比较不是直接比 射频放大器的研究 较的，而是通过间接手段进行的，c a r t e s i a n 环法【6 】就是一种比较成熟的间接反馈控 制法。p o l a r 环法阴也是一种间接反馈控制法p o l a r 环的基本原理是对信号的幅值 和相位都进行校验，然后分别加以调整，这样就能获得较好的精度。输出的一部分经 耦合器引出后，经过衰减，分别在幅值和相位上与原信号进行比较，幅值的比较结果 经由差分放大器来调节高频功放，相位由鉴相器鉴出之后经锁相环去控制功率放大 器。这样就可以对相位及幅值分别进行调节从而提高了调节的准确度。但是在频 率很高的时候，尤其是对于微小信号，检测相位差是非常困难的。另外，p o l a r 环的工 作带宽受相位及幅值放大器的带宽限制，所以更适用于窄带通信系统。 除了前馈线性化、预失真技术和负反馈线性化这三大主流以外，还出现了很 多其他的新技术。 1 3 2 功放的效率增强技术 前提高效率的常用方法有如e e r ( 包络消除和恢复) 8 1 ，l i n c ( 采用非线性部件 的线性放大) 【9 】( 1 0 l ，d o h e r t y 功放【1 1 1 ，d c d c 直流变换的功率随动法【1 2 】，d 类【1 3 1 【1 4 1 和e 类功放【1 5 】【16 】等等。 对w c d m a 或多载波通信系统来说，为保证在全负荷工作时的高线性度，功 放的大功率输出能力是必须的，考虑到低效率带来的运营成本高和功放散热等问 题，传统的功率放大器就不能适应新的通信系统的需求，d o h c r t y 功放便应运而生 了。d o h e m y 功率放大器技术最早于1 9 3 6 年由w hd o h c r t y 提出，用于幅度调制广 播系统，并未得到广泛的应用。直到近代，功放的效率和大功率输出的矛盾日益 显现，d o h c r t y 功放技术重新受到重视，新的射频设计理论对d o h c r t y 功放进行做 出了改进，使高功率功放在功率回退时保证功放的效率近似不变，可广泛应用于 现在的民用3 g 通信系统中。d o h c r t y 电路的基本原理是将输入信号的平均部分和 峰值部分分开放大，然后合成，从而获得高效率。d o h c r t y 放大器包括两个部分： 一个载波放大器c ( c a 玎i 砷，一个峰值放大器p ( p c a k ) 。它们的合成输入输出特性的 线性区比单个放大器的线性区有较大地扩展，从而在保证信号落在线性区的前提 下获得了较高的效率现有d o h c r t y 技术己经具有多种形式，按照级数可分为两路和 多路d o h e r t y 功放，按照功率分配比例可以分为等功率分配d o h e r t y 和不等功率 第1 章绪论 d o h c r t y 功放，本文中介绍两路等功率分配的d o h c r t y 功放。 d o h c r t y 功放主要是应用于大型的基站等设计，而对于轻便的小型移动终端的 效率的改善，除了利用互补推挽( p u s h - p u l l ) 的功放和开关级功放之外，现在越来 越趋向于利用d c d c 电压转换模块改善效率。通常是把输出功率分成若干个区间， 而在每个区间设定一定的电源供电方案，从输出端耦合出一部分功率作为控制信 号去改变输入功率的大小，当然这些方法实施起来有一定的难度，用d s p 技术实 现这些区间的功率电平的控制，会增大整个终端发射系统模块的体积，结构也会 随之交得很复杂。 功放按电流导通角可以分为a 、b 、c 、d 、e 类等，d 和e 类放大器被称为 开关式功率放大器或是数字式的放大器，正是因为它们工作在开关状态所以才有 提高效率的潜能。 1 3 3d o h c r t y 功放的发展前景 国际电信联盟( r r u ) 确定的第三代移动通信系统主流无线接口标准主要有以下 三种：w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。无论采用哪种标准，其射频信号都 具有多载波，信号频谱动态范围大的共同特点。由于功率放大器存在非线性( 通常 可由放大器的i m d 3 和a c p r 特性来描述) ，非恒定包络的线性调制信号通过非线 性放大器后将会产生互调失真，造成频谱扩展，落于信道带内的失真增加了误码 率，而带外再生的频谱对于邻近信道用户来说又是一个潜在的干扰源。高线性的 功率放大器收到人们的关注。业界纷纷采用前馈，数字预失真( d p d ) 等功率放大器 来提高功放的线性度来满足3 g p p 对功放线性度的要求。然而采用这些技术的功率 放大器虽然解决了功放线性度的问题，但都存在功放效率太低的问题，典型值都 在9 左右。d o h c r t y 结构的放大器可以较好的解决功率放大器在功率回退时效率 提升的问题，结合前馈和预失真电路，可以在线性度和效率之间做到较好的兼顾。 采用d p d 加d o h c r t y 技术的功放效率可以达到2 7 【1 刀。 一个符合要求的功率放大器必须满足额定输出功率、增益、幅频特性( 增益 平坦度) 、线性度、效率等各方面的要求。这对基站射频大功率功放的研制提出了 很多挑战。节1 3 1 中提到的线性化技术和节1 3 2 中的效率增强技术的结合，可 射频放大器的研究 以保证基站功率放大器在线性度满足指标要求的基础上，效率得到大幅度提高。 大大节省基站的耗能，符合新一代环保基站的要求。 1 4 本文的主要工作和内容安排 第一章绪论。总体说明目前低噪声放大器的广泛应用以及发展状况。概括性 的介绍功放线性化技术和效率增强技术，概述了d o h e i - t y 功率放大器的发展情况以 及在基站中的广泛应用。论述了本课题的研究目的和意义。 第二章接收机的性能指标和低噪声放大器的基本理论。介绍了噪声的一些基 本概念和噪声的分类，分析了电路中噪声的来源。放大器设计中用到的不同增益 的区分，绝对稳定条件的推导和判断。介绍噪声系数测量的几种方案。 第三章平衡低噪声放大器的仿真设计加工和测试。 第四章功率放大器主要性能参数分析和效率增强技术研究。 第五章d o h e r t y 功率放大器的仿真设计，同普通的平衡式功率放大器效率进 行对比。 第六章总结与展望。 第2 章接收机的性能指标和低噪放的基本理论 第2 章接收机的性厶月匕g 丁4 曰1 - 标和低噪放的基本理论 2 1 噪声的基本概念和分类 2 1 1 噪声的基本概念 噪声的存在是一种物理现象，当一种物理量不停地无规则地变化时，表现为 符合一定的统计特性的随机过程。噪声则是该过程所表现的一种随机物理量。电 噪声即是电路系统中的电参量如电压、电流等随时间无规则的变化的随机信号。 虽然噪声信号的每一时刻幅度都是随机的，但当性能稳定时，不同时间段内的概 率分布规律是一样的，即平稳随机过程，用均值和偏差仃来表示其统计特性。 这样，噪声测量中可用均方值盯2 来度量噪声的大小，即噪声的功率谱。噪声功率 谱表示单位频带内的电流或者电压均值，单位是d b m h z 。 噪声的功率谱密度：根据平稳随机过程理论，噪声功率谱密度定义为： = 躲警 ( 2 1 ) 式中以厂，a f ) 为频率厂处，带宽为v 的噪声平均功率。 通常，电子器件内部本征噪声源功率谱 密度如图2 1 所示。中间段在很宽的频率范 跏 围内功率谱密度恒定不变，称为白噪声( 器 件中绝大多数中频段噪声都是白的) ；频率低 端为l f 噪声( 晶体管一般都具有低频噪 声) ，也称红噪声；若谱密度随频率增加而升 | 高，则称为蓝噪声，也称高频噪声。 f i g u 嚣_ 紫茎妻冀奏量珊d 锄s 时 2 1 2 噪声的分类 噪声按照产生的机理大致可分为： l 、热噪声( t h e r m a ln o i s e ) ：热噪声在器件中是最普遍最重要的一种，由于 j o h n s o n 第一个发表电阻中噪声的详细测量方法【1 8 】。而n y q u i s t 把他们解释为布朗 运动的结果【1 9 1 。又称为j o h n s o n 噪声或n y q u i s t 噪声。众所周知，在绝对温度零度 射频放大器的研究 以上，金属导体内的自由电子和气体中的分子一样，处于无规则的热运动状态， 类似于布朗运动。这种热运动的方向和速度都是随机的，这就在导体内形成无规 则的电流，这种由于自由电子热运动产生的噪声称为热噪声。热噪声是一种白噪 声。 2 、散弹噪声( s h o tn o i s e ) ：其机理首先由s c h o t t k y 描述和解释，又称为s c h o t t k y 噪声。其产生原因是因为电子电荷的粒子性【2 0 1 ，发生散弹噪声的条件为：必须要 有直流流过并且还必须存在电荷载体跃过的电位势垒。其电流功率谱为s ( d = 2 q i ， ，为平均电流强度，g 为电子电荷，q = 1 6 x1 0 j 9 库仑。可见，散粒噪声的功率谱密 度与频率无关，因而散粒噪声也是一种白噪声。 3 、闪烁噪声：又称为1 矿噪声。广义上讲，凡是功率谱与频率成反比的随机 涨落现象均可称为1 f 噪声。电子器件中1 厂噪声电压功率谱密度可以写成以下形 式：s ( 厂) = a i f 一。式中，彳是与器件结构和材料有关的参数，为流过器件的电 流，厂为频率，b 为电流因子，7 频率指数通常接近于1 。l f 噪声有两个基本特征： 在一个相当宽的频率范围内，1 矿噪声的功率谱密度与频率成反比；1 i f 噪声电压或 电流的功率谱密度近似与通过器件的电流的平方成正比。 2 2 接收机的性能指标 接收机的功能是能够选择合适的频段，把射频信号进行合理的放大，在将其 频率降低到中频，然后对信号进行解调并在足够的信噪比情况下将解调信号送到 基带信号处理器中，实现数字检测。用来衡量接收机的性能优劣的参数有灵敏度， 噪声系数，线性度，动态范围等。 2 2 1 噪声系数( n o i s ef i g u r e ) 由于射频系统的灵敏度( 即可以检测的最小信号功率) 是由组成系统的各种电 子元件产生的噪声所决定的，故噪声是设计射频电路时要考虑的一个很重要的因 素。噪声因子( n o i s ef a c t 0 0 和噪声系数( n o i s ef i g u r e ) ，都是用来衡量射频系统噪声 性能的参量，噪声因子的定义【2 1 】如下： 第2 章接收机的性能指标和低噪放的基本理论 ，匕 输入信噪比 总的噪声输出功率 输出信噪比 输入噪声引起的噪声输出功率 n f = 1 0 l o g ( f )( 2 2 ) 输入信号墨。及输入噪声帆 经过一个增益为g 的放大电 路，产生输出信号氏。，及输 出噪声o m ，见图2 2 所示， 在输出端的噪声除了输入信 号经放大的噪声之，外，放大 & 蚝 瓦 幺 图2 2 放大器输入输出信噪比 f i g u r e2 2s i g n a lt on o i s er a t i oo fi n p u ta n do u t p u t 器本身也会严生嗓声l ，因此展升噪户凼于农达瓦，戎1 j 得剑卜瓦： f ：塑t ：墨! 丝。：星生：土生：n , + g n m 1( 2 3 ) s n r o 瓯。蚝gm 。叫。 、 平时，我们更常见的概念是噪声系数，定义就是噪声因子的d b 值，即 脬( d b ) = 1 0 l o g ( 等) q 聊 现在考虑两级放大器模型，第一级的输出噪声为输入端噪声放大g l 倍后，再 加上第一级放大器产生的噪声l ，第二级的输出噪声为第一级的输出噪声再 放大倪倍，再加上第二级放大器产生的噪声飓，因此可以得到噪声因子的表达 式如下： f ：尘k ：丝鱼墨g g 丝：1 + 且+ 丝 ( 2 5 ) g n = g 2g l kg l 虬g 2g l 虬 、 纠+ 袅 ( 2 6 ) 纠+ 袅 ( 2 7 ) 可得两级放大器的噪声因子的通式： f ：e + 掣 ( 2 8 ) 射频放大器的研究 有n 级放大器串联，其噪声因子可如式： 肚互+ 等+ 嚣+ 叶箍 亿9 ， 1 g ig l g 2 几“：g 、 式( 2 9 ) y n qf r i i s 方程式【2 1 1 。 从f r i i s 方程可看出，如果n 级级联系统中每一级的增益都大于1 的话，则第 一级的噪声系数对整个网络的影响最大，同时如果第一级的增益足够大的话，则 后面几级的噪声系数对整体的影响很小，可忽略不计，这就是为什么在低噪声放 大器的设计中，噪声系数和增益必须同时仔细考虑的原因。 噪声系数的表达式为 2 21 ： 肛。4 厶揣 仁埘 式中，：i 为器件的等效噪声电阻，k 为最优源反射系数。可以看出，在放大器的 匹配网络的设计中，除了温度，频率等因素外，噪声系数是由源反射系数l 决定， 也就是说由5 0 f 2 的系统阻抗经过输入匹配网络的阻抗变换后所得到的z 。决定。瓦抽 为最小噪声系数，它与偏置条件和工作频率有关。 2 2 2 灵敏度 定义为，在给定接收机解调器前要求的信噪比条件下，接收机可以检测到的 最低电平。灵敏度可以由下面这个表达式计算： p i , m i ( d b i n ) = 一1 7 4 d b i l l h z + f + 1 0 1 0 9 ( b w ) + s n r o m i a ( 2 1 1 ) 令z = - 1 7 4 d b m h z + n f + 1 0 l o g ( b w ) ，称e 为噪声基底，其中- 1 7 4 d b m h z 是在2 9 0 k 时的热噪声功率谱密度。孵是接收机中解调模块之前的各电路模块的 级联噪声系数，以d b 表示。b w 是有效噪声带宽。s n r 。，m i 。为保证输出信号质量情 况下的最小输出信噪比。从上面的灵敏度表达式可以看出输出的信噪比越大( 输 出的信号质量越好) 灵敏度就会降低。 2 2 3 线性度 ( 1 ) l d b 压缩点 第2 章接收机的性能指标和低噪放的基本理论 由于有源电路所具有的非线性特性，使得功率增益会随着输入信号的强度增 ， 图2 3l d b 压缩点和3 阶截止点 f i g u r e2 3 ld bc o m