（电磁场与微波技术专业论文）前馈法提高微波功率放大器的线性度.pdf

硕士学位论文前馈法提高微波功率放大 | 的线性度 摘要 微波功率放大器的线性度和功率效率之间的矛盾已经成为第三代移动通信 发展的瓶颈，为了解决这一难题，本文从理论和实验两个方面研究了前馈法对微 波功放非线性失真的改善情况。主要内容包括： 1从微波功率放大器的模型入手，引出功率放大器的非线性问题，然后用 v o l t e r r a 级数对功放的非线性进行了比较深入系统的理论分析，并讨论了功 放非线性对数字移动通信系统造成的危害，说明线性化补偿的必要性。 2介绍了各种线性化措施的原理和优缺点，并详细阐明微波前馈法的原理，通 过理论分析给出了理想的线性化条件，且详细分析了实际情况下能够影响前 馈法提高功率放大器线性度效果的各种因素。 3设计出了完整的前馈功放方案，在硬件方面根据方案要求设计、加工了各单 元电路，并对各部件进行了分析和测试。特别是对误差放大器的设计，根据 具体的理论分析采用了较小功率处理能力的中功率线性放大器。 4 对前馈功放系统进行了完整的调试、测试，并给出了测试步骤，对结果进行 了分析、评估，并提出了改进意见。 关键词：功率放大器；前馈法；线性度：三阶互调失真 硕士学位论文前馈法提高微波功率放人器的线性度 a b s t r a c t a sw ea l lk n o wt h ec o n f l i c tb e t w e e nt h el i n e a r i t ya n dp o w e re f f i c i e n c yo ft h e m i c r o w a v e p o w e ra m p l i f i e rh a sc u m b e r e dt h ed e v e l o p m e n to f t h et h i r dg e n e r a t i o no f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n i no r d e rt of i n das o l u t i o n ，t h en o n l i n e a rd i s t o r t i o no f m i c r o w a v ep aa n dt h ef e e d f o r w a r dt e c h n i q u ea r ea n a l y z e di nt h e o r ya n de x p e r i m e n t i nt h ep a p e r a l lih a v ed o n ei sa sf o l l o w ： 1b a s e do nt h ea n a l y s i so nap a m o d e l ，t h en o n l i n e a rd i s t o r t i o ni si n t r o d u c e d a n d t h e n o n l i n e a rd i s t o r t i o ni sd e e p l ya n a l y z e di nt h e o r yb yu s i n gt h ev o l t e r r as e r i e s t h e e f f e c t so n d i g i t a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a u s e db y t h en o n l i n e a rd i s t o r t i o na r e a l s od i s c u s s e d 2f o u rk i n d so fl i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u ea r ed e s c r i b e da n dt h em i c r o w a v ef e e d f o r w a r d l i n e a r i z a t i o ni ss e l e c t e dt ou s ei no u rd e s i g n a f t e rt h ed i s c u s s i n go nt h ef e e d f o r w a r d l i n e a r i z a t i o n p r i n c i p l e ，t h e b e s t c o m p e n s a t i o n c o n d i t i o ni s g i v e n a n d a l lt h e c o n d i t i o n sw h i c h m a y b ed e s t r o y t h ee f f e c tt h ef e e d f o r w a r dl i n e a r i z a t i o na r ed i s c u s s e d 3t h es c h e m eo ff e e d f o r w a r dp as y s t e mi s g i v e n a n da l l t h ec i r c u i th a sb e e n d e s i g n e da n df a b r i c a t e d t h e nb e e nm e a s u r e d e s p e c i a l l yw ed e s i g nam i d d l ep o w e r a m p l i f i e rw h i c h i sf i t t e df o rt h e s y s t e m 4w eh a v ef a b r i c a t e dt h ef e e d f o r w a r dp a ，t h e nm e a s u r e da n dd e b u g g e di t t h e m e a s u r e m e n tr e s u l ti sp r e s e n t e d ，a n dt h ea d v i s eo f m o d i f i c a t i o ni ss u g g e s t e d k e y w o r d s ：p o w e r a m p l i f i e r ；f e e d f o t w a r d ；l i n e a r i t y ；i m 3 硕士学位论文 前馈法提高微波功率放人器的线性度 引言 简介 在人类进入2 1 世纪之时，迎来了以知识为基础的信息时代。信息化已经成 为推动世界经济和社会进步的积极因素，成为人类进步的重要标志。社会信息 化将极大的的改变人类社会的生产、工作、学习和生活方式。2 0 世纪8 0 年代 以来信息产业一直是发展最快的产业。进入9 0 年代以来全球的信息化建设已经 拉开了序幕。谁拥有了信息资源开发和网络应用优势，谁就掌握了主动权，信 息化尤其是信息基础设施建设，已经成为各国综合实力的象征。 作为信息产业支柱之一的移动通信产业在2 0 世纪9 0 年代得到了飞速发展， 至今经过第一代，第二代移动事业的发展，第三代移动通信系统也已经初现端 倪，相信在不久的将来我们的通信将变得随时随地、随一1 1 , 自如且丰富多彩。 由于第一代移动通信系统采用模拟技术“( 频分多址f d m a ) ，系统容量 小，业务类型单一( 主要是话音服务) ，而且系统稳定性和保密性都比较差，因 此在经历过8 0 年代的辉煌后，很快被2 0 世纪9 0 年代推出的数字蜂窝系统所取 代，现在已经退出历史舞台。 第二代移动通信系统融合了超大规模集成电路技术低速话音编码和计算机 技术，使现代通信由模拟方式转向数字化处理方式，其多址方式采用时分多址 ( t d m a ，应用在g s m 移动通信系统中) 和码分多址( c d m a ，应用在窄带 c d m a 移动通信系统中) ，系统容量和性能比第一代移动通信系统有很明显的 提高，使得移动用户的数量取得了极大的增长。今天全世界g s m 、d a p s 等第 二代手机用户已达6 亿，2 0 0 7 年内还有望达到1 3 亿，极大地满足了广大用户 的要求。 但是第二代蜂窝移动通信系统只能提供话音和低速率数据业务服务，因为 在信息时代，图像话音和数据相结合的多媒体业务和高速率数据业务将会大大 增加所以人们对通信业务的多样化也与目俱增。目前的第二代蜂窝移动通信系 统不仅远远不能满足未来用户的这种业务需求，而且随着移动用户的迅猛增加， 现在的系统也远远不能满足用户容量的发展需要，所以第i 代移动通信系统的 发展成了电信领域内的研究热t i 。 硕士学位论文前馈法提高微波功率放大器的线性度 国际电信联盟i t u 早在1 9 8 5 年就提出了第三代移动通信系统的概念，其 设计目标是：世界范围内设计上的高度一致性；与固定网络各种业务的相互兼 容：高服务质量；全球范围内使用的小终端；具有全球漫游能力；支持多媒体 功能及广泛业务的终端。为了实现上述目标，对第三代无线传输技术( r t t ) 提出了支持高速多媒体业务，比现有系统有更高的频谱效率等基本要求。 第三代移动通信区别于现有的第一代和第二代移动通信系统，其主要特点 概括为： 1 ) 全球普及和全球无缝漫游的系统：第二代移动通信系统一般为区域或国 家标准，而第三代移动通信系统将是一个在全球范围内覆盖和使用的系统。它 将使用共同的频段，全球统一标准。 2 ) 具有支持多媒体业务的能力，特别是支持i n t e m e t 业务：现有的移动 通信系统主要以提供话音业务为主，随着发展一般也仅能提供1 0 0 k b s 一2 0 0 k b s 的数据业务，g s m 演进到最高阶段的速率能力为3 8 4 k b s 。而第三代移动通信 的业务能力将比第二代有明显的改进。它应能支持从话音到分组数据到多媒体 业务；应能根据需要，提供带宽。i t u 规定的第三代移动通信无线传输技术的 最低要求中，必须满足在以下三个环境的三种要求。即： 快速移动环境，最高速率达1 4 4 k b s 室外到室内或步行环境，最高速率达3 8 4 k b s 室内环境，最高速率达2 m b n 3 ) 便于过渡、演进：由于第三代移动通信引入时，第二代网络已具有相当 规模，所以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进而成， 并应与固定网兼容。 还有高频谱效率、高服务质量、低成本、高保密性等。 在经过几年的技术评估、研究分析及大量的协调和融合工作之后，在1 9 9 9 年底i t ut g 8 1 最后一次会议上，通过了i m t - 2 0 0 0 的无线接口技术规范，这标 志着第三代技术的格局已壤终确定，它分为c d m a 和t d m a 两大类共五种技 术，其中主流技术为w - c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 三种c d m a 技术。 下面就这三种方案作一比较，如表l 所示。 硕：i ：学位论文前馈法提高微波功率放大器的线性度 ! 一j ，二篓匿鎏w 摹- c d m a l j 鋈j j ：攀狮 i 翟琴t i d - s c i d m a 溪道印毗。m h z 汹例0 1 5 2 0 卜见1 ： ； i 率c h 巾速| n n ：x 4 ，z 0 9 4 6 m d s l n x l 2 2 8 8 m c s , n = l , 3 , 6 , 9 , 1 zl t t s s m c ，s 霎址方l d s - c d m al 。s c 。m a 和m c c 。m a | t 。一s c 。m a n! ! | 娶工j yl f d d t d d 7 1 f d d ! t d d a ； 陲霉糯黧器怔答怒f l 、f p 备 疋对，罱向层佰令爹与 l 善f e c 一编艇r = i 2 , 1 3 i , k = 9 ) r s 三三磊i 磊石： 磊嚣聂磊 劫 鬻赢篙黯织孥卿。m s )| 鬻：勰嚣 l 扩频 调制 相干解 调 掣频谝 羹翥哿掣q ：p q s p 刚s 。k q b p p 。s k k 扩 鬻热瓣鬻反向 前向：w a l s h ( 信道 化) + p n 序列( 区 ；分小区) 反向： l w a l s h ( 信道化) + p n 序列( 区分用 沪) l 接入信道：d q p s k | 接入信道： d q p s k 1 6 q a m ! 前向和反向都采用 l 专用导频信道 l ( t d m ) 盏率控；戮、黼聃唧h z ) 聃( 2 0 0 h z ) 蚴脚 ” 环+ 慢速闭环 蒿尹问异步，戳可选) 鼢g p s ) 同步( g p s 或其它 方式) 表1 第代移动通信系统土要方案技术比较 其中w c d m a 被普遍认为是很有发展胁途f i j套标准，l 因而存全球范 内得到了e ! 人发展。 ：矾+向亭 协皈m橼州 删制蚧 砒区副惰懈制酚 一一一 向列出蒯膨讹撕 协分信列割区瓤序 言口8 m 1 ， 胙m 一 黼喘| | | ； 讯i詈哪伽岖 |调荨k一腑礼啪_|据脚哪一砖皈泖 一据刚q一吼帅税|数凹龇一洲m别 硕士学位论文前馈法提高微波功率放大器的线性度 w - c d m a 的主要关键技术是建立在窄带c d m a 的基础之上的，其主要技 术特点主要有： 可适应多种速率的传输，灵活的提供各种业务。 是一个异步系统，b t s 之间无需同步。 优化的分组数据传输方式。 支持不同载频间的切换。 上下快速功率控制。 反向采用导频辅助的相干检测( 提高反向解调增益。提高功率控制准确 度) 。 充分考虑了信号设计对e m c 的影响。 w c d m a 的优势在于，码片速率高，有效地利用了频率选择性分集和空间 的接收和发射分集，可以解决多径问题和衰落问题，采用t u r b o 信道编解码， 提供较高的数据传输速率，f d d 制式能够提供广域的全覆盖，下行基站区分采 用独有的小区搜索方法，无需基站问严格同步。采用连续导频技术，能够支持 高速移动终端。相比第二代的移动通信制式，w c d m a 系统具有：更大的系统 容量、更优的话音质量、更高的频谱效率、更快的数据速率、更强的抗衰落能 力、更好的抗多径性、能够应用于高达5 0 0 k m h 的移动终端的技术优势，而且 能够从g s m 系统进行平滑过渡，保证运营商的投资，为3 g 运营提供了良好的 技术基础。 但是第三代移动通信系统的实现一直向后推，一是市场需求的基础还没达 到，二是在技术方面还有很多问题有待解决，就连w - c d m a 也不例外。如 w c d m a f d d 的关键技术和实现难点包括。： 物理层发射和接收机关键技术 一射频技术一线性功放、多载波t r x ，a g c ，其主要实现难点在于功放的 线性度和功放效率的矛盾。 一中频技术一中频采样、变频，其实现难点在于数字变频技术和中频的自 动增益控制算法。 一基带技术：包括r a k e 接收技术、功率控制技术和信道编解码实现技术， 包括t u r b o 编解码和卷积f ，j ：5 ，其实现的。卜要难点在丁大用1 。容量，通道多，耩 硕士学位论文前馈法提高微波功率放大器的线性度 带处理量大。 - 无线接入网络资源管理技术，主要的实现难点在于无线资源的参数配置需 要在仿真和运营中不断优化调整，包括：功率控制技术、移动性管理、无线资 源优化参数配置、无线接入网络运营。 核心网络口化技术，其实现主要是全口的q o s 控制算法。 接收机增强技术包括：智能天线技术和多用户检测技术。 但随着时间的推移和社会的发展，只要人类发挥自己的主观能动性技术上 的难点总会有办法来解决，而且3 g 所提供业务的需求量也越来越大，因此第 三代移动通信系统的发展势不可挡。 本课题的研究意义和主要工作 近来第三代移动通信的研究经过前段时问的调整愈发变得火热，通信标准 也已经基本确定，世界各大通信公司都在加快第三代通信设备的研制，其中线 性功率放大器的研制已经远落后于其他方面的进展，成了第三代移动通信系统 发展的瓶颈。 在第三代移动通信系统中，主要难题是频谱利用率问题3 ，由于移动用户 急剧扩大，同时由于图像传输和其他大数据量应用的增长对数据传输速率的要 求也愈来愈高，这就意味着要用尽量窄的频宽来传输尽量大的数据量，应用复 杂的调制方式可以提高数据传输速率，这样会导致宽频、动态信号，就相应的 需要线性放大，对功率放大器的线性度要求很高，但是这要以牺牲直流功率效 率为代价，这就形成了移动通信系统中发信机的微波功率放大器的线性度和直 流功率效率之间的矛盾。而且在第三代移动通信系统采用连续发射，因此工作 系统功放的效率扮演着重要角色，又因为采用常规方法能够满足w - c d m a 系 统线性度要求的功率放大器的效率是非常低的。 因此采用线性化方法对提高微波功率放大器线性度的研究就显得非常重 要。我们上海电子物理所孤住问题的根本，承担了上海市科委的“w c d m a 射 频收发组件”项同，并在功放线性研究方m i 投入了大毓的人力物力，本课题就 米源于此。为先成本次没i f 前先分析了微波功率放火 ： 的m 线性失真理论， 硕士学位论文 前馈法提高微波功率放大器的线性度 并对前馈法线性化技术的原理进行了探讨分析，并设计出完整的系统方案：在 硬件上仿真、设计了前馈功放的各个单元电路，其中包括功分器、合路器、定 向耦合器、移相衰减器和误差放大器等。在完成各部件的基础上对主功率放大 器进行了前馈功放系统的联调和测试，调试结果是本系统使主功率放大器的三 阶互调失真从- - 4 0 d b c 降至t j - - 5 0 d b c 以下，调试结果证明本系统的设计是成功 的。最后对实验结果进行了分析，提出了进一步改进性能的建议。 皇婪羔塑堕童! 一 堕塑婆堡塑垡垫些兰垫盔墅塑垡堡堕 第一章微波功率放大器的非线性分析 1 1 微波功率晶体管的物理模型 由于在功放设计中般采用晶体管和场效应管作为放大器的功率放大单 元，下面以晶体管模型为例进行分析，在有源区域，常见的物理模型如下图所 示 到( 1 - 1 ) 双极功率晶体管物理模型 0 表示通过非线性电导q 。中的电流， 之表示计及晶体管放大能力的集电极电路中等效电流源的电流， 表示正向偏置发射结的扩散电容， 表示正向偏置发射结的势垒电容， c f 表示反向偏置集电结的势垒电容， g ，表示集电极电导， ，；，r 分别表示基极、集电极、发射极的串联体电阻。 由参考文献“知：在大信号状念，等效电路模型中的以下三项剥功率晶体管的 非线性影响较大，故把这三项看成是非线性元件。 1 ) 等效 乜流泺t ： 硕士学位论文 前馈法提高微波功率放大器的线性度 = i c o ( g ”一1 ) 式中i 。和，均刀、砜小- - 日e 日l 体管的参量。 2 ) 电导q 。，流过它的电流为0 0 = 之b( 1 2 ) 式中b 是晶体管共发射极的静态电流放大系数。 3 ) 正向偏置发射结扩散电容 c d e = y c p ( z c o + ) = y r p t o e “ ( 1 _ 3 ) 由上面三个表达式可以看出，这三个非线性函数都是以显式与内晶体管线 性四端网络的输入电压相联系。将( 1 1 f ( 1 3 ) 在直流工作点附近展开成泰 勒级数，可以求得如下的表达式： 令“h 一= c o s c o z = ，( f ) ，则对于电流源而言，有 i c = i o + o 1 z 0 ) + f o 2 z 2 0 ) + 乇3 ，3 ( f ) + t ( 1 4 ) 对电导g 。而言 = o + 岛。f a o + g 抛1 z 2 0 ) + j 亭加2 z 3 0 ) + - ( 1 5 ) 对于扩散电容而言，有 o d e = c o + c o 1 f a t ) + c o 2 z 2 0 ) + 3 z 3 ( f ) + ( 1 6 ) 由上面三个表达式可以看出，当z ( f ) 较小时，包含z ( f ) 的项将非常小而可以忽 略，这时特性参量、g b 。、均与输入信号电平无关，为常量，可统一表示为 y ( x ) = y o( 1 7 ) 式中y 表示输出信号，x 表示输入信号，y o 均为确定值。 当z ( f ) 较大时，含有z ( f ) 的项不能简单忽略，此时特性参量与输入信号有 关。如果仅考虑前三阶项，则可表示为 m ) = 氓x 十；) , o l2 x 2 + 扣”一、- _ ( 1 8 ) 硕士学位论文前馈法提高微波功率放大器的线性度 从上述特性参量的分析可以看出，当输入信号电平较小时，特性参量与输 入信号大小无关，功率放大器呈线性特性；而当输入信号电平较大时，特性参 量与输入信号电平有关，呈非线性关系，相应的，功率放大器将表现非线性特 性。 下面对微波功率放大器的非线性进行分析。 1 2 微波功率放大器非线性分析 微波功率放大器的非线性表现为：当输入为幅度变化的信号时，输入信号 的幅度变化不仅会引起输出信号的非线性变化，还会引起输出信号相位的非线 性变化，前者称为为调幅一调幅( a m a m ) 效应，后者称为调幅一调相( a m 伊m ) 效应；多频信号工作时还要产生互调失真。 目前，分析功率放大器非线性特性通常有两种数学工具：幂级数和v o l t e r r a 级数。幂级数适用于忽略功放a m p m 效应而做简单分析。在考虑a m p m 效 应的严格分析中，应采用v o l t e r r a 级数。本文首先采用v o l t e r r a 级数对功率放大 器的非线性进行理论分析。 1 2 1v o l t e r r a 级数的性质 v o l t e r r a 级数的形式为： + + j p ( _ ： f f lj h 一 f ) d f + f ( 一，t ) z ( j ) x ( r ：) ( ；_ d r ： 2 ，r 3 ) 工( f r i ) x ( f 一乇) x ( f r 3 ) d r i d r 2 d r 3 + l ( 1 9 ) ，f ：，l0 ) 兀x ( t 一0 t f = 1 式中 ( ，t ，“) 称为v o l t e r r a 级数的n 阶核，也称为n 阶冲激响应函数。 其中h ( r ) 相当于一阶线性网络的冲击u 向应，h ( r ， f 2 ) 相当于二阶非线性网络的 冲击响应，h ( r 。，r ：，0 ) 相当于三阶非线性网络的冲击响应。 如果从频域分析，则n 阶州，击响j 萝的n 维傅罩叶t 变换称为n 阶= | 卜线t r j ：传递 硕：h 学位论文前馈法提高微波功率放大器的线性度 函数，可以表示为： h ( j c o l ，j c 0 2 ，l ，吼) = j lp ( _ ，f 2 ，l 靠) 兀p 码。啦( 1 1 0 ) f 2 l 其反变换为 砸) = 研1 堙l f h ( j c o 。膨：魄) 珥kp 咖崛( 1 1 1 ) 相应的，响应与激励之间的关系可以表示为： k j w ) = h ( j c a i ，2 ，j c o 女) 丌x ( j m i ) ( 1 1 2 ) t = lf = l 因此，对于图( 1 - 2 a ) 所示的普通非线眭系统可用图( 1 2 b ) 所示的展开模型 来等效。 x ( t ) 一 y ( t ) x o 一非线性系统卜叫 图( 1 - 2 a ) 非线性系统图( 1 - 2 b ) 非线性系统传输函数展开模型 这样，通过等效展开，非线性系统可以采用类似线性系统的分析方法，使 非线性失真的研究得到简化。而且，通过分解各阶非线性产物，可以只对感兴 趣的非线性项进行研究，而不必对整个过程进行研究，从而大大减小了分析难 度。 1 2 2 微波功率放大器v o l t e r r a 级数分析 通过l ：而的分析可以看到，微波功率放大器的非线性特性与拙述电路的核 之f i i j 订密切关系。普通通信系统r m 0 功牢放火 ： 股：【作n ：剥：m 线性，m 线性 硕士学位论文前馈法提高微波功率放人器的线性度 传输函数高阶项对系统只有较小的影响，一般取级数的前三项逼近即可，因此 非线性失真主要受其中的二阶核和三阶核的影响，尽管二阶核引起的非线性失 真( 如二阶互调出。+ c o ：) 、二次谐波( 2 0 a i 和2 c 0 2 ) 比三阶核引起的非线性失真 更加严重，但是当系统工作频带小于一个倍频程时，二阶非线性失真产物偏离 基波信号频率较远，通常落在通频带之外，可以用带通滤波器虑除掉。因此在 窄带系统的非线性分析中；均忽略二阶非线性失真，而主要考虑三阶非线性失 真的影响。对于高功率放大器，为满足所需要的输出功率，末级放大器可能工 作在比较严重的非线性状态，五阶非线性失真的影响甚至比三阶非线性失真的 影响更严重，此时非线性传递函数的五阶核对放大器的非线性的影响不能简单 忽略，必须同时考虑传递函数三阶核和五阶核对非线性的影响。 由于非线性传递函数三阶核和五阶核的分析有很大的相似点，为简便起见， 下面主要分析三阶核对系统非线性的影响，并据此类推五阶核的相应特性。 设功率放大器输入为双频信号的激励，即 z o ) = a ic o s ( 1 t + 妒1 ) + 4c o s ( o ) 2 t + 霞) ( 1 1 3 ) 对应的傅里叶变换为 ( j o ，书c 志+ 焘mc 南+ 最小。， 根据式( 1 1 2 ) ，三阶响应的频域分量y ( j c a ，j c o ：，j c o ，) 具有如下形式： y ( j c o l ，j o ) 2 , j c 0 3 ) = h ( j c o i , j c 0 2 ，j c 0 3 ) x ( j c a 】) x ( j c 0 2 ) x ( j c o d ( 1 1 5 ) 于是，对上式求逆变换可得 y ( ，) _ 古爿。印“地1 吨h ( _ ，珊1 j 埘i m ) 兀p ( 1 1 6 ) i l0 = 1 厶n ； 式中项数等于从2 个元素中取1 1 1 阶的可能组合数。在上式中取m = 1u3 ，展开 即可得到我们感兴趣的项。 线性基波项： 虼( ，) = a 1 1 h ( j o i ) c o s ( c 0 1 ，+ 奶+ z x 9 , 1 ) ( 1 17 ) 三阶互调失真项： 硕士学位论文前馈法提高微波功率放大器的线性度 儿q q o ) = a 1 2 a zh ( j c o i , j c a l 一c 0 2 ) i c 。s 【( 2 m ，一国2 ) f + ( 2 仍一仍) + 妒。：) 圪，( ) 2 言4 3 t 1 日( j 0 1 , j o 1 - j o 1 ) i c 。s ( 脚一f + 仍+ 妒v ( 1 1 9 ) + 4 a 2 2h ( j o i ，j o 2 一。，2 ) l c 。s ( q ，+ 仍+ p + ，：) 式妒= 矗比留丽i m h 来计算获得，其中h 表示相应阶的核，由于出l 与国2 具有轮 换对称性，k 0 ) 、y ：，( f ) 、圪，- ( r ) 的表达式与上述类似。 砜。= 4 h ( j c o 。) l ( 1 2 0 ) u m ：。= _ d 3a 2 。a 1 v ( j 出。，皿一徊。i ( 1 | 2 1 ) 弛。= 沁溢一 z z ， 硕士学位论文前馈法提高微波功率放大器的线性度 。= 三4 3 。i ( _ ，吐，吐一以l + 吾4 a 2 , , i h ( j c o l ，归2 一，珊。) i ( 1 2 3 ) 所以基波压缩系数为 尼：a u 一, i ：三44 ： 竺垦铲h ( j c o + 三24：。掣h(jco)124 。) “ ll 其中前一项是主频信号固有的，即使在单频输入时也存在；后一项是多频 信号输入或者有外在信号干扰时造成的。在微波功率放大器中均表现为基波增 益压缩，即输入一输出特性的非线性( a m a m ) 特性。 类似的，可以推导出五阶核的非线性特性： ( 1 ) 五阶核的互调系数删，。：系统输出中五阶互调项的幅度与标称输出信 号幅度2 _ l t a 2 c 砰睑哗笋 ( 1 f 2 s ) ( 2 ) 五阶核的基波压缩系数： k 。：监 ：三爿。l 望! ! 竺：! 竺：竺：二竺：二竺! + 弘匦铲 1 2 6 + 1 斗5a 2 c a 2 啦半意产划 干扰时才存在。 通过上述分析可以看出，如果忽略外界干扰的影响，忽略谐波失真，在单 一频率时微波功率放大器的非线性表现为基波增益压缩，在多频时除主频产生 的基波增益压缩外，还将产生新的五调分量。 ：面的v o l t e t a 级数分析了微波功率放大器互渊火真和a m a m 效应，接 硕士学位论文前馈法提高微波功率放大器的线性度 着讨论微波功率放大器的a m p m 效应。 1 2 3 微波功率放大器a m p m 效应 式中a ( t ) ，e ( t ) 表示随时间而变化的振幅和振荡相位，则响应“t ) 可表示为： i 厂( f ) = ， 爿( f ) 】l 式中 口( f ) = 妒( f ) + ( f ) ，表达式 爿( f ) 和妒m ( f ) 】即分别表示系统的a m a m 特 【( f ) = y 爿( f ) j r a 】_ f a l e 一加。1( 1 2 9 ) 则y ( f ) = 厶( ，) + x ( m 其中x ( f ) = x ( t ) e m ”1 。 硕士学位论文前馈法提高微波功率放大器的线性度 不a 如将( 1 2 8 ) 式作如下变换 y ( t ) = f t a ( t ) e o s c o t + 目o ) 卜f o a ( t ) c o s e o t + 目0 ) 】 ( 1 3 1 ) 式中 嬲三勰嚣黔黝率放大器可用并联双通道模型表 。q 互卜匹卜 图( 1 - 3 ) 功放并联双通道模型图( 1 - 4 ) 功放级联单通道模型 除此p g = 5 b ，如果将功率放大器的频域复数传输函数分解为且= h i ( 爿) 8 如。 和日- = h 2 ( 爿) e 俐，分别表示幅度非线性失真和相位非线性失真，则可得到 图( 1 4 ) 所示的级联单通道模型。 按上述两种方法可对功率放大器a m p m 效应进行深入分析。对于单频信 号，采用v o l t e r r a 级数分析a m p m 效应则更为简单。只要输出信号可用i 1 阶 v o l t e r r a 级数精确表示，即可求得输出信号的基波相位如下： p ：n r c g i m h r e h 式中h 是( 1 3 0 ) 式所对应的基波频域传输函数，其表达式为 ( 1 3 2 ) 其中a 1 = ，2 ；2 从式( 1 3 2 ) ( 13 3 ) 可以直接看出：功率放大器的延时与输入信号的幅度有关。 这就是a m p m 效应。 a m p m 效应的存在，会使通信系统群时延失真，微分相位、微分增益和互 调失真变坏，尤其是x t , i - h 位极为敏感的系统如调频、调相信号系统危害极大。 因此在高质量的通信系统中总是希望尽可能f | j 溅小功率放大器的a m p m 效应。 功 叻吖吖p弦 筠笺 一 m 归om班舭碱 日 i | 卸 + h 硕 ：学位论文前馈法提高微波功率放大器的线性度 为了宏观上衡量a m p m 效应，引入a m p m 转换系数口：在一定频率和一 定功率电平下，输出信号的相位变化与输入信号的功率电平变化的比值。如下 所示 卢= 警爰( o d b ) ( 1 s 钔 式中口用弧度表示，圪用- d b 表示。 需要说明的是：a m a m 效应和a m i p m 效应是分别从不同侧面反映功率放 大器的非线性失真特性，对于表征非线性失真状况是一致的。 为了便于理解，把微波功率放大器看成一个三阶非线性系统，则它的基波输 出信号同时含有一阶和三阶成分 “，i = a c i h ( j o 。) l o o s ( d o 。f + 敛+ 伊j ) + 3 a ； h ( j o , ，皿一皿) | c o s ( 。f + 纯+ 啪 ( 1 3 5 ) 由前面微波功率放大器等效电路模型可以看出其中含有容性元件，因此其 一阶核和三阶核之间必然存在相位差目= “一吼。系统基波输出就是一阶线 性项与三阶非线性项以口的交角叠加的结果，如下图所示，当输入信号幅度4 不 同时，叠加合成输出信号的幅度( p ) 不同，这就是a m a m 效应；同时输出信 号相位( 西) 也不同，这就是a m p m 效应。对于某一特定功放，输入信号幅 度越大( 如图中虚线所示) a m p m 效应和a m a m 效应也越明显，相应的表示 非线性失真也越严重。因此，a m p m 效应和a m a m 效应对于表现非线性失真 是一致的。 不同特性的非线性系统，臼角所处范围不一样。当0 c o s o 玉1 时，称为增 益扩张，如下左图所示；当一l c o s o 0 时，称为增益压缩，如下图( 1 - 5 b ) 所式。 功率放大器一股呈现增益压缩特性。 。 注：为便于图示，图中令a q ) = 0 硕二 ：学位论文前馈法提高微波功率放大器的线性度 幺阶分量 一阶分量 图( 1 - 5 a ) 增益扩张时 a m a m 和a m p m 效应 1 3 微波功率放大器的线性度评价指标 图( 1 - 5 b ) 增益压缩时 a m a m 和a m p m 效应 对于功率放大器的各项非线性特性进行严格的评价、测试是比较困难而繁 琐的。为了方便工程上衡量功率放大器非线性失真情况，通常使用如下线性度 评价指标： 1 3 1 l d b 压缩点输出功率曰。 一般功率放大器的输入输出特性如下图所示，功率单位以d b m 表示；相 应的增益特性如下右图所示 ，啦h ) ， g g ， 圈( 1 - 6 a ) 功放输入输山特性幽( 1 _ 6 b ) 功放的增益特性 当晶体管工作在小信号状态下时，其功率增益值保持不变，此时的增益称 为小信号线性增益g ，但随着输入信号的逐渐增大，晶体管开始进入非线性工作 状态，此时的功率增益将随着输入信号的增加而逐渐下降，当增益下降到比线 性增益低l d b 时，此时的功率增益称为“l d b 压缩点增益”g 。，对应的输入、 输：l j 功率分别称为“l d b 爪缔i 点输入功率”。和“1 d b “j 缩点输出功率” 謦 硕士学位论文前馈法提高微波功率放人器的线性度 日。，满足 片2 兄f l ) + ( 6 ：一1 ) r 1 3 6 ) 衡量普通功率放大器的性能，希望瓯越大越好，为得到一定的输出功率只 要求较小的输入功率，但对线性功率放大器更主要的是希望墨。大，只。有时也 称作线性输出功率，它是决定失真较小的最大输出功率。 1 3 2 互调 假设等幅双频信号由，和彩：输入功率放大器( 一般测试用) ，如下图所示。由 于非线性失真，输出分量中含有很多混合分量： t r i o ) l n o ) 2 m ，1 1 2 0 ，i ，2 ，3 ， 在高功率放大器中最容易落入通频带而又不能忽略的交调失真产物主要有 三阶交调分量( 2 ( o l 一2 ) 和( 2 0 ) 2 一1 ) 和五阶交调分量( 3 0 ) l 一2 0 ) ：) 和 ( 3 0 ) 2 - 2 0 ) 1 ) ，如下图所示。 在此先讨论三阶互调分量，随后分析五阶互调产物。 一l 盘崆 图( 1 7 a ) 拟频激励信号幽( 1 7 b ) 含有互调分量的输出信号 1 三阶互调 a ：三阶互调系数i m ， 。 定义三阶互调系数( 用艘表示) h v 3 = 2 0 1 9 器 硕士学位论文前馈法提高微波功率放大器的线性度 注意：为了便于测量，这里考虑了基波压缩，即以能够实际测量到的基波 幅度为准。 互调失真产物对模拟通信来说会产生临近话路干扰，对数字电路来说会造 成频谱扩展，降低系统的频谱利用率，产生码间干扰，因此实际应用系统中要 求三阶互调越低越好。实际应用中，随着通信系统调制解调方式的不同，一般 都要求在。2 5 - 5 0 d b c 之间，然而，在等幅双频信号输入情况下用幂级数分析4 可得l d b 压缩点对应的三阶交调系数为 i m 3 ( 蛾) 一2 3 7 5 d b( 1 3 7 ) 在推导上式的过程中使用了许多理想假设，考虑到实际测量误差以及微波功率 晶体管实际非线性优劣程度的不一致性，工程上微波功率放大器异。点对应的 1 m ，比上式决定的数值还要差，一般估算取n 毛为一1 8 至一2 0 d b ，显然这离一般 的通信实际系统的要求还有一定的距离，因此必须采用有效的线性化技术加以 解决。 进一步分析可以发现放大器的互调失真指标与输出功率指标之间是有冲突 的。在忽略非线性对基波分量的影响下，任意输入功率的三阶互调系数满足公 式 i m ，( 幔) z 2 ( 己圪( 1 ) 2 3 7 5 ( 1 3 8 ) 其物理意义结合图( 1 - 8 ) 进行讨论：当己超过己( 以后，己继续增加，输出 功率略有增加，但三阶互调失真分量却急剧恶化，己每增加l d b 。i m 3 就恶化 2 d b ( 这是在上式忽略非线性对基波分量影响下得到近似结果。实际由下图可 以看见此时的恶化并不止2 d b ，这可以通过实验得到验证) ；如果从已) 每回 退l d b ，i m ，可以改善，但却以损害功率输出为代价。因此在普通线性度要求不 高的情况下可以采用功率回退来获得所需要的线性度指标，当输出功率宝贵或 线性度要求很高的场合则必须采用其他专门的线性化措施进行线性补偿。 b ：三阶互调截止点肥 硕：l 学位论文前馈法提高微波功率放火器的线性度 图( 1 8 ) 输入双频信号时，功放的输入一输出特性 如图( 1 - 8 ) 所示，基波信号输出功率特性延长线与三阶互调特性延长线的 交点成为三阶互调截止点，用符号皿表示。对应的输出功率为e ，只与l d b 压缩点p i 。之间有如下关系 毋= p l d b + 1 0 6 3 ( d b , ) ( 1 3 9 ) 它也能反映功率放大器的非线性特性。当输出功率一定时，三阶互调截止点输 出功率只越大，微波功率放大器的线性度就越好，由只也可以估算任意输出功 率时对应三阶互调系数： i m 3 “2 ( 一p 1 ) ( d b 。) ( 1 4 0 ) 式中只。是基波信号输出功率，同样它也是在忽略非线性对基波分量影响下 得到的近似结果，因此只适用于信号功率较小的情况。 2 五阶互调 a ：五阶互调系数1 m 5 两个角频率为信号f - o 、和甜：的等幅基波信号同时输入功率放大器时，在要求 高功率输出状态情况下，其米级功率放大器将工作在比较严重的非线性状态下， 五阶互调分量不能忽略，有时其影响会超过三阶互调分量。五阶互渊系数定义 为 硕士学位论文前馈法提高微波功率放大器的线性度 i m 5 = 2 0l g 訾 五阶互调分量也是功率放大器线性度的一项重要指标，其大小取决于电路结构 及其工作状态。 b ：五阶互调截止点职 同三阶互调截止点_ 样，五阶互调截止点是五阶互调特性的延长线与基波 信号输出功率特性延长线的交点，用符号来表示，如上图所示。可以分析五阶 互调产物与基波信号输出呈现5 ：l ( d b ) 变化关系，即在线性增益段，信号输入 功率每增加l d b 五阶互调失真就恶化4 d b 。 由此可以比较三阶互调与五阶互调的影响：在功率管的线性和弱饱和区域， 三阶互调分量大于五阶互调分量，三阶互调的影响是主要的，五阶互调的影响 可以忽略；随着输入信号的能量逐渐增大，饱和度逐渐加深，三阶互调和五阶 互调都会随之增长，但三阶互调产物与基波输出信号呈3 ：i ( d b ) e l 例关系增长， 而五阶互调产物与基波输出信号呈5 ：l ( d b ) b k 例关系增长，因此五阶互调增长速 度比三阶互调增长速度快，在功率管强饱和区域，他甚至可能超过三阶交调分 量，成为主要的危害因素。此时五阶互调不能忽略。因此在弱非线性，一般考 虑三阶互调的影响即可，在非线性严重时，除三阶互调外，还应该考虑到五阶 互调的影响。 1 4 功放非线性对数字移动通信系统的影响 由前所述，功率放大器的非线性表现为a m a m 效应和a m p m 效应和互 调失真，因此对于采用非恒包络调制方式的数字移动通信系统，会产生带内失 真，更主要的是会产生带外频谱扩展，对邻近信道产生邻道干扰( a c i ，a d j a c e n t c h a n n e l si n t e r f a c e ) 。邻道干扰的示意图如下所示： 。 硕士学位论文前馈法提高微波功率放大器的线性度 ； o ，工采一六一 每一b o 曰，i ；一b ，一 图( 1 - 9 ) 临到干扰示意图 z 为信道间隔，假定两个干扰信号具有相同的干扰电平，对称的位于干扰 信道的两边。邻道干扰功率用2 只c ，表示，干扰信道的双边带外扩散功率用g 表 示，则它们满足如下关系式： 2 只c ，g ( b ) ( 1 4 1 ) 式中b = 2 4 一e 。耳表示接收机中滤波器的带宽。 若接收机滤波器为理想的矩形，则邻道干扰功率为 2 g c ，= a ( b ) ( 1 4 2 ) 文献“中以q p s k 调制方式为例，分别讨论了不同线性度、不同阶数的 b u t t e r w o r t h 数字滤波器情况下，邻道干扰的变化情况。如表( 1 - 1 ) 所示。 功率放大器 1 3 回遗 带外杂波功率 佃) f 皿) 一3 50 2 5 回退 一3 83 5 0 回退 一4