（电磁场与微波技术专业论文）5w+tdscdma多载波基站功率放大器的研制.pdf

武汉邮电科学研究院硕士论文 燮麴辫黼麓蘸燃| | | | 篱篓 y 1 9 9 6 7 3 5 7 ” 摘要 t d s c d m a 作为我国拥有完全自主知识产权的第三代移动通信体制，与其它的 第三代体带j j ( w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 ) - - 样，使用了高峰均比的非恒包络调制方式。该 体制要求发射机的射频功率放大器工作在线性状态，而多载波信号的峰均比更高，对 功放的线性要求也更严格，从而使线性化成为功放设计的关键。t d s c d m a 系统的 基站可配置多达8 个功放，功放发热量太大是不能接受的，因而对其效率也有较高的 要求。功放的线性和效率是矛盾的，对这两个目标的实现是设计的难点，因而功放的 线性化和高效率技术的研究也成为业界的热点。目前，在功放的各种线性化技术中， 主要有输出功率回退法、前馈法、预失真法。而提高线性功放效率的技术主要有： d o h e r t y 技术、包络跟踪、包络分离和恢复技术等。由于功率回退法实现起来简单且 可靠性高，国内的模块生产厂家大多采用该法来做线性功放模块，该法的主要不足是 效率约1 0 ，导致设备发热较大。 本课题所研制的t d s c d m a 多载波功放就是应国内某基站设备厂所提出的指标 而开发的。为了尽快开发出可量产的产品，我们选择了功率回退技术并通过仔细测试 功放管和比较各种推放和末级功放的组合来挑选出效率最高且稳定性较好的方案，以 同时满足次邻道优于4 8 d b c 的a c p r 指标和模块整机优于1 2 的效率指标，同时在 生产中引入了较先进的铜基压合p c b 工艺。 本论文第一章介绍了t d s c d m a 多载波功率放大器的基本情况和运用场景。 第二章分析了射频功率放大器的非线性特性。第三章探讨了多载波功放的主要指标 并分析了几种线性化的方法及其不足，提出了综合考虑后的方案。第四章详细介绍 了功率管的选择与利用a d s 仿真软件指导输入输出匹配电路的设计方法。第五章 对功放模块的硬件实现的细节进行了论述并探讨了研制过程中因采用铜基板工艺 而出现的接地问题和解决办法。最后对整个项目的开发过程作了总结并对将来的工 作进行了展望。 关键词：基站；射频功率放大器；线性；输出功率回退；铜基板 武汉邮电科学研究院硕士论文 a b s t r a c t t d - s c d m a s p e c i f i c a t i o n ，w h i c hc h i n ah a sf u l li n t e l l e c t u a lp r o p e r t y , l i k et h eo t h e r t w ot h i r dg e n e r a t i o nm a i n s t r e a mm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s ，u s e sh i 【g hp e a kt o a v e r a g er a t i o ( p a r ) n o n c o n s t a n te n v e l o pm o d u l a t i o ns c h e m ew h i c hr e q u i r e st h er a d i o f r e q u e n c y ( r f ) p o w e ra m p l i f i e r ( p a ) o ft h et r a n s m i t t e rw o r k si n l i n e a rm o d e a s m u l t i c a r r i e rs i g n a lh a se v e nh i g h e rp a r ，t h er e q u i r e m e n tf o rl i n e a r i t yo ft h et d - s c d m a m u l t ic a r r i e rp ai sm u c hs t r i c t e r , t h u sm a k e sl i n e a r i t yt h ek e yo b j e c ti np ad e s i g n i n t d - s c d m a d e p l o y m e n t ，u pt oe i g h tp a m o d u l e sm a yb ec o n f i g u r e di no n es t a t i o n ，s ot o o m u c hh e a td i s s i p a t i o ni su n a c c e p t a b l ew h i c hm e a n sp am o d u l em u s tw o r k se f f i c i e n t l y t h e t r a d e o f fb e t w e e nl i n e a r i t ya n de f f i c i e n c yi sf u n d a m e n t a la n dr e s e a r c ho nh o wt oa c h i e v e b o t hg o a l si st h eh o ts p o ti nr f p ad e s i g nf i e l d t h ed o m i n a t i n gl i n e a r i z a t i o nm e t h o d s i n c l u d e o u t p u tp o w e rb a c k o f f , f e e d f o r w a r da n dp r e - d i s t o r t i o na n de f f i c i e n c y i m p r o v e m e n tm e t h o d si n c l u d ed o h e r t y , e n v e l o p et r a c k i n ga n de n v e l o p ee l i m i n a t i o na n d r e s t o r a t i o n ( e e r ) a l t h o u g ht h ee f f i c i e n c yo fo u t p u tp o w e rb a c k - o f fm e t h o di sl o w , u s u a l l yl e s st h a n1 0 ，w h i c hl e a d st om u c h h e a td i s s i p a t i o n ，i ti ss t i l lt h em o s ts i m p l ea n d r e l i a b l el i n e a r i z a t i o nm e t h o da n di sw i d e l ya d o p t e db yt h ep am o d u l em a n u f a c t u r e r si n c h i n a t h et d s c d m am u l t ic a r r i e rp am o d u l ed i s c u s s e di nt h i sp a p e ri sd e v e l o p e db yt h e o r d e ro fab a s es t a t i o ne q u i p m e n tm a n u f a c t u r e ri nc h i n a i no r d e rt od e v e l o pt h em a s s p r o d u c i b l ep r o d u c ta ss o o na sp o s s i b l e ，o u t p u tp o w e rb a c k - o f fm e t h o di su s e d i nt h e d e v e l o p i n gp r o c e s s ，a l lk i n d so fd r i v e ra n dp o w e ra m p l i f i e rc o m b i n a t i o n sa r et e s t e da n d t h e m o s te f f i c i e n ta n dr o b u s ts c h e m ei sc h o s e n s ot h a tb o t ho ft h el i n e a r i t ya n de f f i c i e n c y s p e c i f i c a t i o n s ，t h ea l t e r n a t ec h a n n e la c p rm o r et h a n4 8 d b ca n dt h em o d u l ee f f i c i e n c y b e t t e rt h a n1 2 ，a r ea c h i e v e d i nt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，t h ep r e - b o n d i n gp c b t e c h n i q u ei sa l s oa d o p t e d t h ef i r s tc h a p t e ro ft h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et d - s c d m am u l t ic a r r i e rp am o d u l e a n dd e p l o y m e n ts c e n a r i o t h es e c o n dc h a p t e rd i s c u s s e sn o n l i n e a r i t yc h a r a c t e r i s t i c so fr f p o w e ra m p l i f i e r t h e nm a i ns p e c i f i c a t i o n so fm u l t ic a r r i e rp o w e ra m p l i f i e ra r ed i s c u s s e d n 武汉邮电科学研究院硕+ 论文 a n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fl i n e a r i z a t i o nm e t h o d sa r ea n a l y z e da n da d e s i g n t r a d e o f fi sm a d e i nt h ef o u r t hc h a p t e r , ap r a c t i c a b l em e t h o do fd e s i g n i n gr fp o w e r a m p l i f i e rm a t c h i n gc i r c u i t sa n da c h i e v i n gt h eo b j e c t i v eo fd e s i g nq u i c k l yb yt h eg u i d eo f a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ( a d s ) i sp r e s e n t e d a n dt h e n ，t h ed e t a i l so ft h er e a l i z a t i o no ft h e p o w e ra m p l i f i e rm o d u l ea r ed i s c u s s e d t h ef i f t hc h a p t e ra l s oc o m p a r e st h et r a d i t i o n a l t e c h n i q u ew i t ht h ep r e - b o n d i n gp c bt e c h n i q u ea n da n a l y z e st h ec a u s eo ft h eg r o u n d i n g p r o b l e mo ft h el a t t e ra n dp r e s e n t sap r a c t i c a b l em e t h o dt os o l v ei t t h ew h o l ed e v e l o p i n g p r o c e s si ss u m m a r i z e d a tt h ee n do ft h ep a p e r k e yw o r d s ： b a s es t a t i o n ；r fp o w e r a m p l i f i e r ；l i n e a r i t y ；o u t p u tp o w e r b a c ko f f ； p r e - b o n d i n gp c b m 武汉邮电科学研究院硕士论文 手机的普及使通信向个人化方向发展，互联网用户近几年每年以翻番的速度增长 又带来了移动多媒体和高速数据业务的发展。这都要求新一代的移动通信网络具备更 宽的工作频带，并支持如高速率数据、多媒体及非对称数据传输等多种业务，使终端 能在不同的网络间漫游。这些需求促成了第三代移动通信系统标准的诞生，w c d m a 、 t d s c d m a 和c d m a 2 0 0 0 等标准相继出台f 1 1 。 1 1 高峰均比信号的产生 对于采用恒包络调制，如调频( f m ) 、最小移频键控( m s k ) 等的通信系统，如第二 代移动通信系统，为提高功放的功率效率，p a 基本上都工作在非线性区域。 为了在有限的频谱范围内容纳更多的信道和传输更多的数据，第三代移动通信系 统的调制方式的频谱利用率都较高，且都是大带宽和多载波系统。此外，四相相移键 控( q p s k ) 、多进制正交调幅( q a m ) 等调制方式日渐流行，这类信号均为非恒定包络 的调相信号，导致系统输出信号包络具有很大的峰均比( p a r ) 。如t d s c d m a 和 w c d m a 信号的峰均比就可达1 0 d b 。由于大动态范围信号对系统的非线性非常敏 感，非线性失真将严重影响通信系统的性能。 一j 功率放大器是通信系统中非线性最大的器件之一，其非线性失真对无线通信系统 产生许多不良影响，使频谱扩展而干扰邻道信号、使输出信号星座图发生偏移并导致 误码率恶化。此外，非线性失真还使系统的数据率下降而使系统的容量降低，或使系 统信道频率间隔变大而使频谱利用率下降。因此，线性p a 的设计就成为第三代移 动通信系统发射机设计的关键。 1 2 课题来源及t d s c d m a 功放射频指标 离第三代移动通信牌照发放的日期越来越近，t d s c d m a 试验网的建设也在全 国几个试点城市全面铺开，国内各大通信设备生产厂都推出了自己的基站设备。本课 题所研制的t d s c d m a 多载波功放就是应国内某基站设备厂所提出的指标而开发 1 武汉邮电科学研究院硕十论文 的。该功放主要的射频指标如表1 1 。 表1 15 wt d s c d m a 多载波基站功率放大器射频指标 项目指标 工作频段2 0 1 0 2 0 2 5 m h z 标称最人输出功率 3 6 5 d b m 标称最大增益 5 6 5 d b _ + 3 d b ( 预衰减1 2 d b ) 室温 带内波动 = 1 2 d b 1 6 m h z ；= 2 d b 1 5 m h z 增益调节范围= 3 l d b l d b= 0 4 d b ：2 d b= 0 4 d b 增益调节步长精度 4 d b= o 5 d b ：8 d b= o 6 d b 1 6 d b= - 1 3 d b - - 4 5 d b c _ + 1 6 m h z 室温 a c p r = 4 8 d b c + _ 3 2 m h z 室温 9 k h z - - 一1 5 0 k h z= - 4 0 d b m l k h z 1 5 0 k h z 3 0 m h z= - 4 0 d b m 1 0 k h z 3 0 m h z 1 g h z = - 4 0 d b m 1 0 0 k h z 杂散辐射 1 g h z 2 g h z_ - 3 5 d b m 1 m h z 2 2 0 3 5 g h z = - 2 0 d b m 1 m h z 2 0 3 5 1 2 5 g h z = - 3 5 d b m 1 m h z e v m 4 p c d e 1 2 ( 2 8 v 常发3 6 5 d b m6 c1 6 码道) 整板功耗 2 3 w ( 收发时隙3 ：4 ，3 6 5 d b m ) 厂家给的测试用t d s c d m a 信号的峰均比为l o d b 。设计的难点在“a c p r ”和 2 武汉邮电科学研究院硕士论文 “p a 效率( 整板功耗) 两项上。由于厂家对功放模块的大小尺寸做出了规定，而且 该模块上还有接收链路的低噪放及控制部分。实际模块整机是一款收发一体化模块， p c b 布局比较拥挤。要想再采用复杂的线性化技术和提高线性功放效率的技术，布 局布线难度很大，而且开发时间也不允许。为了尽快开发出可量产的产品，我们采用 功率回退技术。然而问题是目前用回退技术达到4 8 d b c 的a c p r 指标的功放模块效 率最高只有1 0 ，满足不了1 2 的指标。解决方案是通过仔细调试选择新一代的功 放管和比较各种推放和末级功放的组合来挑选出效率最高且稳定性较好的方案，以同 时满足次邻道优于4 8 d b c 的a c p r 指标和模块整机优于1 2 的效率指标( 因为整板 功耗 2 3 w ，测试信号收发时隙3 ：4 。输出3 6 5 d b m ，即4 5 w 时测试，则整板效率 为( 4 5 x 4 ) ( 2 3 x 7 ) = 1 1 2 ，为量产留余量，把模块整机效率定为1 2 ) 。为提高 生产批量的一致性，同时引入了较先进的铜基压合p c b ( 铜基板) 工艺。 1 3 课题的主要内容及创新点 本课题的主要任务是在采用传统的功率回退技术情况下通过选择功放管和比较 推放管与末级功放组合，得到一个方案使功放模块能同时满足线性和效率指标；并在 尽量短的时间内开发出可量产的产品。本文从实践和理论两方面论述了在完成这一任 务中遇到的问题和解决办法。 对采用功率回退技术的线性功放，本文提出了一个推算用的经验公式，通过简单 的运算，可较方便地确定末级放大管功率等级。为了能快速准确地筛选功放管，本文 提出了一个在a d s 仿真软件指导下，输入输出匹配电路的设计方法。在生产工艺对 比试验中，发现了环保铜基板工艺的接地问题，本文在对比了传统螺钉工艺和新工艺 的区别后，从理论上分析了新工艺接地问题产生的原因并提出了简单可行的解决办 法，从而使得铜基板工艺能成功地运用在射频功放模块的生产实践中，最后开发出了 符合客户要求的基站功放模块，通过客户的全面测试并进行了小批量生产。 3 武汉邮电科学研究院硕士论文 第2 章射频功率放大器的非线性特性 各种电子器件都是非线性器件，所有包含电子器件的电子线路都是非线性电路。 在不同的工作条件下，电子器件所表现出来的非线性程度并不相同。通常所说的线性 电路，如小信号放大器，只是因为其非线性非常弱，可以近似看成是线性的。而当其 工作在大功率微波频段时，其非线性就表现的非常显著。 2 1 非线性的基本概念 电路的非线性表现为许多现象，主要有：谐波、互调、a m a m 变换、a m p m 变换、交叉调制等等，简要介绍如下： ( 1 ) 谐波：谐波是非线性系统最显著的特征之一。如果系统的激励频率是w ，则 非线性系统会产生许多频率为n w 的频率分量，这就是谐波。对于通信发射 机来说，谐波会干扰其他信道的信号正常传播，因此必须将其抑制在一定电 平之下。谐波一般远离基波分量，可以用滤波器滤除，因此对系统影响不大。 ( 2 ) 互调：习惯上称为交调。交调分量是激励信号中两个或多个频率的线性组合。 交调分量落在带内会形成假信号，落在带外会形成邻带干扰，因此对自身和 其他系统都会产生干扰。交调分量中偶次分量离基波较远，可以用滤波器滤 除，但奇次分量的影响较大，特别是其中的三阶交调，即双音输入时频率为 ( 2 w 1 w 2 ) 和( 2 w 2 w 1 ) 的分量。由于其幅度最大，离主信号最近，且无法用滤 波器滤除，因此危害最大。其次，五阶交调也有一定的影响。 ( 3 ) a m a m 变换：a m a m 变换就是指由输入信号的幅度变化而引起的输出信 号的幅度调制现象。饱和现象是一种最为常见的a m a m 转化现象，这是由 于任何器件的输出能力都是有限的，当输入信号增加到一定程度，输出信号 就不随输入的增加而增加了。 ( 4 ) a m p m 变换：与a m a m 变换相似，a m p m 变换是指输出信号相位与输 入信号的幅度间的非线性关系。对于采用相位调制的系统，a m p m 变换的 影响比较大。现代通信系统中为了提高频谱利用率，通常采用正交幅度调制 ( q a m ) ，这种方法利用了相位信息，因而相位失真将导致误码率的增加。 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 ( 5 ) 交叉调制：非线性设备、电网络或传播媒介中信号的相互作用所产生的无用 信号对有用信号的调制。 电路的非线性特性会对系统的正常工作产生各种干扰，因此掌握非线性的特点， 并根据实际需要尽可能的消除非线性的干扰是非常必要的。下面就通过分析a m a m 和a m p m 转换效应对多载波信号的影响【2 1f 3 】【4 l ，深入地了解射频功率放大器的非线 性失真。 2 2a m a m 转换对多载波信号的影响 先不考虑射频功放相位特性的影响，主要考虑由于幅度非线性对多载波信号产生 的畸变。射频功率放大器的传输函数可以用一个幂级数来表示： ，= 口l u + a2u 2 + a 3 u 3 + + a h h ” ( 2 1 ) 式中u 、y 分别代表输入、输出信号；a 。，a ：，a ，a 。是由非线性特性所决定的系 数。它们的数值可以根据实际测试曲线用拟合的方法获得，也可用v o l t e r a 级数来逼 近进行计算。因为高次项对幅度畸变的影响较小，所以对式( 2 1 ) 中四次以上的高 次项不予考虑。 设输入信号为三个余弦波时 m = u l c o s w lt + u 2 c o s w 2 t + u 3 c o s w 3 t( 2 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 ( o = u l o + u 2 0 + u 3 0 + u 1 2 + u 2 3 + u 1 3 + u 1 2 3( 2 3 ) 其中各个分量： 气1 u l o = 肛j u 2 + 亏a 3 u ；+ 专a 3 u i ( u ；+ u ；) l c o s w 1气 “2 d = p j u 2 + 亏a z u ；+ 亏a 3 u z ( u ；+ u ； c o 刚方 “3 。= a l u 3 + i 3 幻u ；+ 吾口3 协f ，u ；+ u ；”c o s ”f “j 2 = 百3 口3 u ；巩c o s ( 2 w j w 2 ) t + 百3 幻奶u ic o s ( 2 w 2 w f u 1 3 = 百3 口3 u ；协c o s ( 2 w w 3 ) t + 了3 幻巩u ；c o s ( 2 w 3 w f 5 武汉邮电科学研究院硕士论文 h 刀= 百3 口3 u ：u 3c o s 仁w 2 w 3 ) t + 孑3 口3 觇u ；c 。s ( 2 w 3 w 2 ) t 3 u 1 2 3 = 一2a 3 仉u 2 u 3 c o s ( w j + w 2 一w 3 ) t + c o s ( w j + w ，力f + o o s n 也+ w 3 一w 1 ) t l( 2 4 ) 如果输入信号为聆个任意的余弦波，即 h 似= 荟u i c o sw i t = 善r e 【u i e x p ( _ w i t ) ( 2 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信号的幅度： n 个基波信号似fj 的幅度为： 口，u t + 罢口s u ? + 兰口，u ；( 喜u j 2 ) 】 c 2 6 ， 咒似d 个三阶互调干扰信号但毗m 的幅度为： 号口，u ? 【， ( 2 7 ) 等0 1 ) o 一2 ) 个三阶差拍干扰信号似+ w j 愀，的幅度为： 詈口3 u f u ，u t ( 2 8 ) 由式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 和( 2 8 ) 能够分别求出三阶互调( 2 w i 叫分量及三阶差拍分 量似+ 竹w 与基波信号的幅度的比值。如果输入各载波幅度相等，则三阶差拍分 量要比三阶互调分量大，其幅度之差为3 d b ，功率之差为6 d b 。这也是为什么用双音 ( 2 t o n e ) 信号测试放大器的三阶互调指标较好，如可到4 8 d b c ，而测试a c p r 指标 却达不到4 8 d b c 的原因：双音测试测不出三阶差拍分量。而反过来，如果a c p r 指 标达到4 8 d b c ，用双音测试互调一般可以到4 8 d b c 。 2 3a m p m 转换对多载波信号的影响 一个较大的信号通过非线性电路时，其输出信号会产生相移，相移的大小与输入 信号的功率有关，这种现象称为非线性电路的调幅调相( a m p m ) 转换效应。为了 6 武汉邮电科学研究院硕士论文 描述相位失真的大小，引入“调幅调相转换系数”，即 即孚茄斋f ，倒 ( 2 9 ) 其中p i 为输入信号功率，哟对应于只的输出信号相移。于是，射频功放a m p m 转换的功能模型可以近似用图2 1 来表示： 图2 1a m f m 转换模型 假设输入端送进两个调相信号为 h ( 1 ) - - = u lc o s w d 七fl ( t ) 1 七u 2c o s w 2 t + f2 0 ) 1 q 1 0 其中w 1 、w 2 分别为两个载波角频率；阢，观为其幅度，是固定的( 恒包络，峰 均比为1 ，即0 d b ) ；厂j 和厂2 例分别包含两个载波调相信息。 得到 图2 2 两个调相信号的矢量合成 其合成信号可写成 h ( 1 ) = v ( t ) c o s w d + f ( 1 ) 1 q 1 1 、 其中合成信号幅度为俐，相位为f 似。由矢量合成的关系，参见图2 2 。可以 护( t ) = v , c o s fd t ) + v 2c o s ( o t + f2 ( t ) ) j 2 + f u ts i n i ( 1 + u 2s i n ( o r + f2 ( 1 ) 】2 = 巩2 + 谚+ 2 u 1 u 2c o s 6 e d t ) f 2 ( o o r ) ( 2 1 2 ) 7 武汉邮电科学研究院硕士论文 邮，= t g - 1 嚣uc o s 鬻。p 篇uc端os(ff2t 仁聊、7 。 。( f ) + 2+ 驴：o ) ) 、7 其中d = w 2 w j 。由式( 2 1 2 ) 可以看出，这两个恒包络调相波合成信号的包络 并不恒定，随时间变化。因而峰均比大于1 ，变高。这就是形成调幅调相转换的内在 原因，也是多载波信号比单载波信号峰均比更高的原因。 输出信号的一般表达式可以写成 u o ( t ) = v ( t ) c o s ( wl t + f ( t ) + k p i y ( t ) ) )q 1 4 ) 式中局f ，珂圳是由于幅度变化所产生的调相分量。当输入功率足够小时，k d v ( t ) ) 大体上和输入功率成正比，也就是说由包络起伏所引起的寄生调相与包络的平方成正 比，即 r 啊彬c o 酽似( 2 1 5 ) 其中c o 为比例常数，对于不同的放大器其值不相同。在一般情况下昂f 圳值很 小，可以近似地将合成输出信号看成是两个载波分别通过放大器以后输出信号的叠 加，所以式( 2 1 4 ) 可以改写成 u o ( t ) = u l c o s ( w l t + fl l t ) 4 - k p ( v ( t ) ) ) + u 2c o s ( w 2 t + 2 ( 0 + k p l t ) ) ) = u j c o s ( w 2 t + fl o ) + c o 扩( t ) ) + u 2 c o s ( w 2 t + f2 i t ) + c o 驴( t ) )q 1 6 ) 可见从放大器输出的两个载波中有a m p m 转换产生的畸变项g 俨似。式( 2 1 6 ) 中的第一项是第一个输出载波： u o l t ) = u l c o s ( w l t + f1 ( t ) + c o 酽t ) ) - u l c o s ( w l t + fl ( t ) ) 一u j s i n ( w l t + fl t ) ) c 小卢t )q 1 7 ) 该式中第一项为有用信号，第二项表征相位非线性引起的畸变效应，记为 d ( t ) = - u 1s i n ( w i t + fl ( t ) ) c o oq 1 8 ) 将俨似的表达式( 2 1 2 ) 代a ( 2 1 8 ) ，经过三角变换、化简整理后，有 a ( t ) = c 口ufs i n ( w i t 七fl 1 ) ) 七c 口ul u 2 z s i n ( w l t + d o ) + c o u j u 2 2 s i n ( w 2 t + f2 ( t ) ) 4 - c o ul u is i n ( ( 2 w 2 - w 1 ) t + 2 fl 【t ) f2 【t ) )q 1 9 ) 其中第一、二项是第一个载波信号，第三项为第二个载波信号，它们都有9 0 0 的 相移。而最后一项 c o ul u is i n ( ( 2 w z - w 1 ) t 七2 fl ( o - f2 ( t ) ) q 2 0 ) 8 武汉邮电科学研究院硕士论文 就是由相位非线性所产生的互调失真产物，其中包含第二个载波的信息。它与幅 度非线性所产生的互调失真产物( 见式( 2 4 ) 中的u j 力h 踢u 1 3 ) 是类似的，但载波有 9 0 0 的相移。 同样推导，由式( 2 1 6 ) 中的第二项也能够得到由相位非线性所产生的第二个互 调失真产物( 包含第一个载波的信息) ： c 口ufu zs i n ( ( 2 w l - w z ) t + 2 f2 ( t ) - fl ( t ) ) q 2 1 ) 这样，对于a m p m 转换所产生的非线性失真，也可以用三阶互调失真i m 3 来 表达，其方法与幅度非线性的情况是一样的。 2 4 两种转换效应的综合影响 实际上，一个非线性部件或者系统中，幅度非线性( a m a m 转换) 和相位非线 性( a m i ，p m 转换) 是同时对传输信号产生影响的。因此，有必要研究a m a m 和 a m p m 转换的综合效应。这种综合效应可用一串联的模型简化：输入信号先通过 脚m 转换，再通过a m a m 转换，后经过低通滤波器后输出。 为简化计算，只考虑三阶系数a 3 在a m p m 转换中所起的作用，且假设a m p m 转换所产生的附加相移与输入信号的功率成正比，即在输入信号足够小时的情况，简 记玛为口： 口= c 口酽 ( 2 2 2 ) 以下分单载波和多载波两种情况讨论。 2 4 1 单载波工作时 设输入信号 “似= uc o s ( w o t + ，) ( 2 2 3 ) 假设失真特性曲线稍微偏离理想特性，即o 1 。考虑到a m p m 转换和a m a m 转换的综合效应，其输出信号为 y ( t ) = a t u c o s ( w o t + f + e ) + a 3 u 3 c o s 3 ( w o t + f + e ) = 口j u c o s ( w o t + f + 刚+ 署a 3 u 3 c o s ( w o t + f + 功+ 孑1a 3 u 3 c o s 3 ( w o t + f + 叨( 2 2 4 ) ( 2 2 4 ) 式中的第三项是三倍频，将由低通滤波器滤除，并且o 1 ，所以 9 武汉邮电科学研究院硕士论文 v t ) = ( a z u + i 3a 3 u o s ( w o t + f + 8 ) = ( a l u + 署a 扪t c o s ( w o t + ，ms i n ( w o t 月 = 口j u c o s + ，) + 号a 3 扩c o s ( w o t + f ) - a l o u s i n ( w o t + ) - 三a 3 0 u 3 s i n ( w o t + f ) ( 2 2 5 ) 在( 2 2 5 ) 式中，第一项为信号的基波输出，第二项是增益压缩( 幅度非线性) 的 结果，第三项是相位非线性的作用结果，第四项是幅度非线性和相位非线性的综合效 果。a m p m 转换产物与a m a m 转换产物在相位上相差9 0 0 ，两者共同作用形成的 产物与a m p m 转换的产物是同相的。如果系数a l 和a 3 的相位差是1 8 0 0 ，则第一项、 第二项以及第三项、第四项之间是相互抵消的。 2 4 2 多载波工作时 设输入信号 u ( t ) = u , c o s m f = u _ f c o s ( w o t + q ：) = v ( t ) c o s ( w o r + p ( t ) ) 其中w o 为位于载波序列始项的频率，所以 w i = w o + o i 矢量的合成关系，可参见图2 2 。输入多载波信号包络的平方 矿m ( n 善= u ic o s g ) i t ) + ( 羹u i s i n f 2 i t ) 2 善荟u r u ，c o s ( q 一一q ，弦 = 善u ? + 善荟u ，c o s ( f 乏- q 弦 其合成相位 1 0 ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 武汉邮电科学研究院硕士论文 吲l 銎竺 p 啷啡 由于a m p m 转换和a m a m 转换对传输信号的综合作用，输出信号为 ( 2 2 9 ) 咐吧弘c o s k t + f f 2 ，t + o 坞 私c o s h 峨川】) 3 仁3 而 0 = c o r 2 ( t ) 。善u ? “。善善u ，u j c o s ( m - w j y 在( 2 3 0 ) 式中，若令k o ) = n ，善讥c o sw o t + q d i t + o ，并考虑到。 c 2 4 3 ， ( 5 ) 一砉蓦塞吾口，玑u ，巩。c 0 著nu ? s ；n + w j - w k ( 2 4 4 ) c 6 ， 一砉骞蹇詈口s 玑u ，矾孚砉蓦u ， 蝣n ( 2 w r - w k ) f c 2 笛， p ， 一砉砉蠢吾a 3 u i u j u k c 一。妻。艺川u ， s ；n ( 2 一) f c 2 4 6 ， 综上所述，我们可以得出如下结论： ( 1 ) 多载波信号经过非线性功率放大器以后输出的基波分量、幅度非线性的三阶 互调和三阶差拍分量与单载波的分析结果是一致的。 ( 2 ) a m a m 转换与a m p m 转换的综合作用产生的畸变分量很多，既有对应 于基波相移9 0 0 的分量，也有三阶互调、三阶差拍分量等。以上分析中仅考 虑失真系数a j 和a 3 ，各个畸变分量中含有因子口j 白或a 3 c o 表明是a m a m 和a m p m 转换共同作用的结果。 ( 3 ) 因为多载波输入信号的包络与频率有关，所以在系数a l 、c o 的作用下产生了 三阶互调( 2 w i w j ) 干扰分量；同样的道理，在a 3 、c o 的作用下出现了五阶互 i 周( 3 w i - 2 w i ) 干扰分量。这就是非线性对传输信号的频谱扩展效应。 1 3 武汉邮电科学研究院硕七论文 ( 4 ) 如果系数a j 和a 3 的相位相反，那么因子a l c o 和a 3 c o 的符号相反，相应的各 项是相互抵消的。 需要注意的是，在各个对应的频率点上，a m p m 转换产生的干扰分量与a m a m 转换产生的干扰分量在相位上相差9 0 0 ，即两个矢量是正交的。若要求两个正交矢量 的合成，设 v = l v l lc o s w t + i v 2 lc o s ( w t + 9 0 u ) = i v lc o s ( w t + y ) 其中i v l = 痧丽 w 副谢 把( 2 4 8 ) 、( 2 4 9 ) 代入( 2 4 7 ) ，合成矢量的表达式为 y = 厨丽c o s 卜增4 谢) 。 ( 2 4 7 ) ( 2 4 8 ) ( 2 4 9 ) ( 2 5 0 ) 如果我们知道某一频点上a m p m 和a m a m 转换分别产生的畸变分量，就可 以应用式( 2 5 0 ) 得到合成信号解析表达式。 用双音测试信号互调失真的幅度，实际上是伽m 和a m a m 转换分别产生 的两个互调失真分量的合成信号的幅度。 1 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 第3 章功率放大器设计方案的选择 功率放大器的线性化有许多种不同的方法，每种方法都有其独特的优点和缺点。 目前，没有任何一种线性化方法能够适用所有的系统而得到统一的应用。在选择线性 化方法时，必须综合考虑系统的效率、调制方法、带宽、电路复杂度、动态范围等各 种要求，根据系统的具体要求选择最合适的方法【5 】【6 胴。 3 1 功放线性化技术的选择 可供选择的几种常用的功率放大器线性化方法如下： 3 1 1 功率回退法 改变放大器的直流偏置可以看作是最简单的改进功率放大器线性化的方法。从失 真的角度来看，改变直流偏置等效于功率回退。即选用功率较大的管子做小功率使用， 也就是牺牲直流功耗来提高线性度。功率回退法把功放的输入功率从l d b 压缩点向 后回退几个d b ，工作在远小于l d b 压缩点的电平上，使功放脱离饱和区，进入线性 工作区。 放大器的传输函数可由幂级数表示： v=alu+a2 “2 + a 3 u 3 + + a u ”( 3 - 1 ) 式中“， ，分别代表输入、输出信号；a ，a ：，a ，a 。是由非线性特性所决定 的系数。从( 3 1 ) 可见，u 越小，高次方非线性的影响就越小，l ，越接近线性输出。 这种方法简单易行，不需要附加任何设备，是改善放大器线性度常用有效的方法， 其缺点是功率放大器的功率利用率大为降低；另外，当功率回退到一定程度，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，完全依靠功率回退 法是不够的，通常将回退法与其他方法结合起来使用【羽。 3 1 2 负反馈法 负反馈是将功率放大器输出的非线性信号反馈到输入端，与原输入信号共同作为 功率放大器的输入信号，以减少功率放大器的非线性。如果单级放大器的增益很高， 可以考虑采用本地负反馈来改进线性度。本地负反馈削减了整个放大器的增益。如单 武汉邮电科学研究院硕士论文 级放大器的增益不足以高到能够使用本地负反馈，可以采用多级放大器级联的方法来 构成全局负反馈。 在工作频率较低时，这种方法经常使用。但高频时使用负反馈代价过大。首先是 高频时放大器价格较高，若每级只有很小的增益，则需要较多的级数和放大器来达到 所需的增益，整体的效率较低。更重要的是，当级数较多时，每级所产生的延时将使 整个放大器变得不稳定。 3 1 3c a r t e s i a n 环路法 c a r t e s i a n 环路法属于负反馈方法，是一种基带的线性化方法。c a r t e s i a n 环的基 本原理是对i ，q 两路信号分别加以调制，进入放大器p a 后将失真信号耦合出一部 分，解调后返回到输入端的差分放大器。这样使环路精确的跟踪i ，q 信号的变化， 使系统整体输出具有良好的线性。该方法的局限是较窄的带宽，取决于差分放大器的 带宽和解调器的线性程度，因此不适用于宽带的情况。 3 1 4 预失真方法 预失真方法的基本思想是对放大器进行实时的补偿，通过电路网络或其他技术方 法对放大器的非线性输入输出特性进行校正。按照预失真电路工作的频段，可以分为 射频预失真、中频预失真和基带预失真。其中射频预失真对最终的射频信号进行纠正； 中频预失真发生在中频上，精度不如射频预失真；基带预失真主要应用了d s p 技术 把预失真系数存在其中。按照预失真电路的不同结构，可以分为开环预失真和闭环预 失真。开环预失真方法具有带宽较宽，稳定性好，易于与其他方法结合使用的优点。 而闭环方法则是在开环的基础上加入了反馈，构成了自适应预失真，能够实时跟踪放 大器的非线性特性，并避免系统参数的漂移。 3 1 5 前馈法 在所有的线性化方法中，前馈法一直得到广泛的使用。前馈法的思想是，先把由 主放大器