（电磁场与微波技术专业论文）毫米波模拟预失真技术的研究.pdf

s s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fs c i e n c e b y s o n gy a n w e n s u p e r v i s e db y p r o f q i a nc h e n g s t a t ek e yl a b o r a t o r yo fm i l l i m e t e rw a v e s s c h o o lo fi n f o r m a t i o ns c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y n a n j i n g ，2 1 0 0 9 6 ，p r c h i n a 也不包含为获得东南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了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 签名逸翁丝日期丝! 呈：z ：善弓 摘要 摘要 现代数字通信系统的快速发展日益朝着增大信息容量，提高信道的频谱利用率以及 提高系统线性度的方向发展，研究功率放大器的线性化技术对提高系统的线性度具有重 要意义。 本文首先介绍了功率放大器的非线性特性及模拟预失真技术的工作原理，对基于三 阶交调分量产生器的s 频段预失真器进行了非线性电路仿真。仿真结果表明，该模拟预 失真器可以有效改善功率放大器的三阶交调指标，在功率放大器的饱和功率输出处，三 阶交调分量改善效果达1 0 d b 以上。同时本文采用m a x 2 0 1 0 芯片设计了l 频段模拟预 失真器，文中对模拟预失真器的主要部分m a x 2 0 1 0 电路、控制部分电路等做了详细的 分析、设计和调试。实测结果表明在工作频段内功率放大器的三阶交调指标得到了显著 的改善，在功率放大器的饱和功率输出处，三阶交调分量改善效果达5 d b 以上。在此基 础上，本文对毫米波模拟预失真器电路进行了非线性仿真研究，并对上变频发射机中毫 米波预失真和中频预失真两种方案进行了比较。仿真结果表明，毫米波预失真器和中频 预失真器都能对毫米波发射机的线性度起到明显改善的效果。 关键词：模拟预失真器，功率放大器线性化，三阶交调分量，毫米波预失真器 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e md i g i t a lc o m m u n i c a t i o n si s i n c r e a s i n g l yt o w a r d s i n c r e a s i n gt h ei n f o r m a t i o nc a p a c i t y , i m p r o v i n gt h es p e c t r u mu t i l i z a t i o no ft h ec h a n n e la n d l i n e a r i t y s t u d y i n go np o w e ra m p l i f i e rl i n e a r i z a t i o nt e c h n o l o g yh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ei n i m p r o v i n gt h el i n e a r i t yo fs y s t e m t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h en 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 fp o w e ra m p l i f i e ra n dt h e p r i n c i p l eo fa n a l o g yp r e d i s t o r t i o n ，a n dt h e ns i m u l a t e dt h esb a n dp r e - d i s t o r t e ri na d s s o f t w h i c hb a s e do nt h ei m 3g e n e r a t o r t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea n a l o gp r e - d i s t o r t e r c o u l db ee f f e c t i v ei ni m p r o v i n gt h et h i r d - o r d e ri n t e r - m o d u l a t i o nc o m p o n e n t sw h e nt h ep o w e r a m p l i f i e ro u t p u t t e ds a t u r a t i o np o w e r , t h ep e r f o r m a n c ei m p r o v e do v e r10 d b t h i st h e s i sa l s o d e s i g n e dal - b a n da n a l o gp r e - d i s t o r t e rb a s e do nm a x 2 0 10 ，t h em a i np a r to ft h ep r e - d i s t o r t e r s u c ha st h em a x 2 010c i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i ta r ec a r e f u l l ya n a l y z e da n dd e s i g n e d t h e m e a s u r e dr e s u l t ss h o w e dt h a tt h et h i r d - o r d e ri n t e r - m o d u l a t i o n c o m p o n e n th a db e e n s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d ，t h ep e r f o r m a n c ei m p r o v e do v e r5 d bw h e nt h ep o w e ra m p l i f i e r o u t p u t t e ds a t u r a t i o np o w e r i na d d i t i o n ，t h i st h e s i ss t u d i e da n ds i m u l a t e dt h em i l l i m e t e rw a v e a n a l o gp r e d i s t o r t e r , c o m p a r e dt h ep r e - d i s t o r t e r sw h i c ho p e r a t e do nm i l l i m e t e rw a v ea n d i fi n u p - c o n v e r s i o nt r a n s m i t t e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tb o t ht h ep r e - d i s t o r t e r sp l a y e da s i g n i f i c a n tr o l ei ni m p r o v i n gt h el i n e a r i t yo f t h em i l l i m e t e r - w a v et r a n s m i t t e r s k e yw o r d s ：a n a l o gp r e - d i s t o r t e r , l i n e a r i z a t i o n ，i m d 3 ，m i l l i m e t e rw a v ep r e - d i s t o r t e r m 目录 目录 摘 要：i a b s t r a c t h i 目录v 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景l 1 2 国内外发展状况及趋势l 1 3 本文的主要工作2 第2 章功率放大器的非线性特性5 2 1 功率放大器非线性特性的表现形式5 2 1 1 a m - a m a m p m 特性5 2 1 2 交调失真和交调失真5 2 2 功率放大器非线性特性的描述指标7 2 2 1 1 d b 压缩点7 2 2 2 三阶交调点8 2 3 本章小结9 第3 章功率放大器的线性化技术研究1 l 3 1 功率回退法1 l 3 2 负反馈法1 l 3 3 前馈法1 2 3 4 模拟预失真法1 2 3 4 1 基于三阶交调分量对消的预失真器原理。1 4 3 4 2 三阶交调分量产生器电路仿真。1 5 3 4 3 功率放大器的非线性特性仿真。1 6 3 4 4 基于三阶交调分量对消的预失真器电路仿真1 6 3 5 本章小结18 第4 章基于m a x 2 0 1 0 芯片的l 频段模拟预失真器设计 1 9 4 1 m a x 2 0 1 0 简介。1 9 4 2 模拟预失真系统方案2l 4 3 模拟预失真系统设计2 2 4 3 1 预失真器模块设计2 2 4 3 2 控制模块设计2 3 4 3 3 功率放大器模块设计2 5 4 3 4 模拟预失真系统设计2 6 4 4 模拟预失真系统测试2 7 4 4 1 功率放大器模块的测试2 8 4 4 2 预失真器模块调试2 9 4 4 3 双音信号测试。3 2 4 5 本章小结。3 5 v 东南大学硕上学何论文 第5 章毫米波模拟预失真技术研究3 7 5 1 中频预失真再上变频至毫米波预失真器电路仿真3 7 5 2 毫米波直接预失真器电路仿真3 9 5 3 两种预失真器的比较4 2 5 4 本章小结4 2 第6 章结束语4 3 致谢 参考文献4 7 v i 线 高传输功率和利用效率，这是因为甲乙类功率放大器其效率较高，但使用甲乙类功率放 大器也会带来负面作用，即其非线性特性比较严重；另一方面，有源器件及无源器件的 引入，多载波配置技术的采用等，都将导致输出信号的交调欠真【2 】。一般来说，在2 p s k 和不限制边带的m s k 调制方式的系统中，由于通过信道的信号是恒包络调制信号，系 统的主要指标对信道的非线性失真不敏感。为了获得高输出功率和高电源效率，微波功 率放大器通常工作在饱和状态。但是，在数字微波通信和多载波传输等系统中，通常都 要采用正交调制技术和多电平调制技术。为了保证输出信号质量，系统对信道的非线性 指标有严格要求【3 】。系统的频谱利用率越高，对信道的非线性指标要求越高。 为了很好地解决信号的误差矢量幅值和频谱再生问题，就必须提高功率放大器的线 性度。解决此问题通常有三种方法：一是选用能够满足系统线性度要求的器件，这就需 要设计者在功率管的半导体材料和功率管的制造工艺上进行研究，从器件本身上解决非 线性问题，这种方法近些年虽然取得了一些成果，如g a n 功率放大器管，但其实际效 果并不明显。第二种方法就是需要设计者选用饱和功率更大的功率放大器管，使功率放 大器工作在不饱和状态，即在设计功率放大器时留有更多余量以容纳峰值功率。回退会 造成功率放大器效率的降低，在输出功率相等的情况下，效率的降低往往意味着更多电 源功率消耗和更大的发热量，从而又引起新的问题，即对设备的散热构成了一个很大的 考验。使用火功率的功率放大器管工作在较低的功率工作点，也会大大增加器件成本， 造成设备成本的浪费。第三种方法则是采用线性化技术，即采用适当的外围电路或前置 电路对放大器的非线性特性进行校正，从而使发信通道整体上呈现对输入信号线性放大 的效果。这种方法避免了难度很大的器件制造技术，又可以采用价格相对较低的器件， 不但形式多样，而且器件的选择也较灵洲4 1 。使功率放大管工作在饱和状态而整个通道 上不失真。功率放大器的线性化技术是解决这个问题的一个有效的方式，它能使功率放 大器在输出功率和效率达到最高的同时具有线性的特性。功率放大器的线性化技术常用 的实现方法有前馈法( f e e df o r w a r d ) 、反馈法( f e e d b a c k ) 、预失真法( p r e - d i s t o r t i o n ) 等。 1 2 国内外发展状况及趋势 功率放大器的线性化技术研究始于上个世纪二十年代。1 9 2 8 年贝尔实验室的 h s b l a c k 发明了前馈和负反馈技术并应用到放大器设计中【5 棚，有效的减少了放大器失 东南大学倾上宁位论文 真，可以认为是功率放大器线性化技术研究的开端。但那时主要是从器件本身的角度来 提高功率放大器的线性度，所研究的功率放大器频率也较低。随着无线通信技术的兴起 和发展，从上个世纪七八十年代开始，射频功率放大器的线性化技术得到飞速发展。国 外对此进行了广泛的研究，使功率放大器线性化技术的研究成为当今的一个热点，并且 目前国外已有大量的线性功率放大器及功率放大器线性化器产品问世。 美国线性器技术公( l i n e a r i z e rt e c h n o l o g yi n c ) 是专业研究线性放大器公司，产品 从l 、s 、c 、k 、k u 、k a 波段均有不同功率的固态放大器及线性化器产品，并可根据 客户为已有放大器提供附加线性化器。 加拿大a m p l i 集团是低噪声放大器和功率放大器供应商，产品频率范围1 g h z - - - 3 0 g h z 。该集团1 9 9 4 年开始实施一项研制超线性功率放人器计划，由蒙特利尔大学和 n s ll n c 合作，己完成l 波段至k 波段固态放大器，输出功率分别为5 0 w 和2 0 w 7 1 。 由于线性放大器在微波及毫米波通信中有着非常重要的应用，因此近年来许多国内 有实力的公司、科研院所和高校，都已投入一定人力物力进行研发，并已经起得了一定 的成绩。其中中电成都l o 所研制的毫米波功率放大器预失真器已成产品，同济大学的 贾建华教授也一直致力于功率放大器预失真的研究，并已发表了一定数量的文章。东南 大学毫米波国家莺点实验室、电子科技大学也都纷纷开展了功率放大器预失真方面的研 刭纠o l 。前几届师兄许勤贤也做了有关模拟预失真方面的仿真设计，提出了一种宽频带 模拟预失真器结构，其仿真结果表明在设计频段内预失真器使得功率放大器的i m d 3 改 善1 0 d b 左右【1 1 1 。华为、中兴、大唐等国内通信巨头也都已投入一定人力物力进行功率 放大器线性化的研发。 1 3 本文的主要工作 之前有师兄许勤贤做过模拟预失真方面的仿真设计，提出了一种基于二极管对的宽 频带模拟预失真器结构，其仿真结果表明在设计频段内预失真器使得功率放大器的i m d 3 改善1 0 d b 左右，但未对其进行实验验证。本文在研读了师兄的论文基础上，做了以下 主要工作。 详细介绍了功率放大器的非线性特性的表现形式及其描述指标，在此基础上，本文 介绍了几种线性化方法并着重分析了预失真技术的工作原理，结合本课题为使用模拟预 失真技术来实现对工作在毫米波频段上的功率放大器进行预失真处理展开了详细的论 证。关于毫米波频段上的预失真技术，一般有两种方法，一种方法就是先在中频( 例如 l 波段或s 波段) 上进行预失真，产生的预失真信号再经过上变频至毫米波频段，变为 毫米波预失真信号，从而完成毫米波频段的预失真；另外一种是直接在毫米波频段上进 行预失真。本文采用两种方案相结合的方式来研究毫米波频段的预失真技术。中频预失 真技术又从两种方案来研究，第一种方案是基于三阶交调分量对消的模拟预失真技术， 就是采用二极管对再加上外围电路构成预失真器，产生和功率放大器幅度相等，相位相 2 第1 章绪论 反的三阶交调分最，从而实现对功率放大器的预失真；另一种方案则是基1 - m a x i m 公 司的预失真芯片m a x 2 0 1 0 ，辅助以外围电路，构成l 频段预失真器，实现对功率放大 器的预失真。针对前种方案，本文给出了在a d s 环境下的s 频段模拟预失真器电路仿 真及仿真结果；对于第二种方案，本文制作了l 频段模拟预失真器实物并进行了实验验 证，给出了相关的测试结果。在此基础上，本文对毫米波模拟预失真器电路进行非线性 仿真研究，并对上变频发射机中毫米波预失真和中频预失真两种方案进行了比较。 全文共分为六章。 第一章概述了课题的研究背景、国内外发展状况及趋势，论述了研究功率放大器线 性化技术的必要性，并简述了本文的主要工作及结构安排。 第二章分析了功率放大器的非线性特性，并在此基础上详细介绍了功率放大器的几 个主要的非线性特性指标。 第三章介绍了功率放大器的几种线性化方法，重点分析了模拟预失真技术，着重对 基于三阶交调分量产生器的预失真器进行了研究，并将其应用于s 中频，给出了预失真 器和预失真系统的设计电路和仿真结果。 第四章对m a x i m 公司的预失真芯片m a x 2 0 1 0 进行了研究，基于此芯片介绍了l 中频模拟预失真器的设计，具体分为模拟预失真器m a x 2 0 1 0 电路设计、模拟预失真器 控制电路部分设计和软件控制界面的设计，制作了l 频段中频模拟预失真器实物，并对 w j 公司的功率放大器a h l 0 1 进行预失真处理，经调试测试之后，给出了测试结果。 第五章仿真了中频预失真再上变频至k a 波段的模拟预失真器电路和毫米波直接预 失真器电路，并对两种实现毫米波预失真的方法进行了比较。 第六章对本课题的工作和进展进行了总结。 第2 章功率放大器的i ：线性特性 第2 章功率放大器的非线性特性 想要有效减少功率放大器的非线性失真，使放大器能够高效性的工作，提高系统的 电源效率和性能，必须了解功率放大器非线性的产生机理以及非线性失真的主要表现形 式。本章首先分析了功率放大器的非线性特性，然后给出了描述功率放大器非线性特性 的几个主要指标。 2 1 功率放大器非线性特性的表现形式 2 1 1 a m - a m a m p m 特性 假设功率放大器的输入是单音信号： v a t ) = a c o s ( c o t + ) = a c o s 功率放人器的传输函数为f ( a ，中) ，则输出可表示为： v o ( t ) = f ( a ，) 将v o ( t ) 展开成傅里叶级数的形式： ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) v o ( t ) = o 5 a o ( a ) + ( 彳) c o s ( 椰) + b ( a ) s i n ( n t i , ) ( 2 1 3 ) n - = ln = - i 其中，a f i ，b i l 是傅里叶级数的系数，功率放大器最重要的输出，也是最大的输出信 号在频率c o 附近，即： v o l ( f ) = a i ( a ) c o s ( c o t + # ) + 6 ls i n ( c o t + # ) = e ( a ) c o s ( c o t + # + c ( 彳) ) ( 2 1 4 ) 这里f a ( a ) ，f p ( a ) 分别就是所谓的a m - a m ，a m p m 转换特性。 2 1 2 交调失真和交调失真 在非线性系统中，当有两个输入信号时，其中一个信号为系统有用信号，另外一个 为系统无用信号，无用信号经过幅度调制后，由于系统的非线性，调制会转移到有用信 号上去，从而使有用信号产生干扰，这种新产生的干扰现象称为交叉调制，如果有用信 号也为幅度调制信号，则解调后的信号将含有干扰信号。示意图如图2 1 所示【1 3 1 ，其中 有片l 信号为连续波，无用信号为已调制的双音信号。下面从数学角度来解释交调失真这 一现象1 4 1 。 假设输入信号为： 5 东南大学硕士学位论文 一 v ，( f ) = ( 1 + c o s q ) c o s ( c o , t ) + e c o s ( c o , t ) ( 2 1 5 ) 其中，为调制系数，q 为调制频率，q 和哆为两个载波频率，其中q 为无用信 号，心为有用信号，则输出信号为： v o ( t ) = 墨形( 1 + c o s ) t ) c o s c o l f + 气杉c o s t + 屯k 2 【( 1 + c o s q f ) c o s q f + c o s f 】2 + 岛杉3 ( 1 + m o c o s d t ) c o s t o l t + c o s c 0 2 t 3 + 将上式整理后得： ( 2 1 6 ) 输出信号中除了有以q 为载波的调制信号外，还出现了以哆为载波的调幅波，这 种现象即称为交叉调制，经过交叉调制后，有用信号的幅度变弱。交叉调制项为： 2 ( 墨k + 三岛巧3 ) c 。s 哆f + ( 3 屯k 3 c 。s q f ) c 。s 叫 ( 2 1 - 8 ) = ( 1 + m c o s d t ) c o s c 0 2 t 其中： = 毛杉+ ；岛3 m ：! 塾孥：坠 向+ 言岛巧2 ( 2 1 9 ) 另外当放大器的输入端同时有两个输入信号，和：时，放大器还会产生交调失 真。假设： v f2 v u i + 2 = lc o s o ) m l h 2c o s c o u 2 t 则输出信号为： ( 2 1 1 0 ) v o ( t ) = q ( ，) + 哆2 0 ) + v 3 ( ，) + 2 q ( ic o s e ) u l t + v u 2 c o s a , u 2 ，) + 哆( i c o s c a m i f + 2c o s c o u 2 f ) 2 ( 2 1 1 1 ) + ( lc o s ( - 0 m l ，+ 2c o s c a m 2 ，) 3 + 整理后可发现输出中包含的频率由式2 1 1 2 形式的通式表示的组合频率分量构成。 6 刀亿 力 埘 物 吃 s + | 宝 驴k 2 她 + o2 啪+ 、i ， ， k ，i _ 且 加 哆 s 一 瞄 卟 l 拿 叫2 忙 卜 砂 、 必 一2 t r 【 “ 0 h 咤 + ；兮 f l 、， m吒2铂一2乞一2 | | + ，l屹 第2 章功率放大器的 i = 线性特性 z w = i + 吮。吮：i ( 2 1 1 2 ) 其中除了r = l ，s = o 和r = o ，s = l 的有用频率分量外，还存在众多的寄生分量，从而 引起放大器输出射频信号的失真，这种失真就称为互相调制失真，简称交调失真。当r 和s 值越小，相应产生的杂散频率分量的振幅就越大，因而交调失真也就越严重。特别 是当f 1 ，s = 2 和r = 2 ，铲1 时，产生的交调失真分量2 q 一鸱和2 吐一q ，非常靠近有 用的频率分量，会对相邻信道的有用信号产生非常严重的干扰。 幅度 u n w 锄t e d c n a n n e l w a n t e d c a r n e r i i iiilii 频率 图2 1 交调产物和交调产物的区别 图2 1 描述了交调和交调的区别。双音调制信号自身产生了交调失真，并将调制转 移到了用户所需的连续波上，使其产生了交调失真。 2 2 功率放大器非线性特性的描述指标 2 21l d b 压缩点 当一个单频信号么c o s ( 耐) 输入到一个非线性放大器时，经放大后其输出信号为【1 5 】： 屹= + c c t a c o s ( c o t ) + a 2 a 2c o s 2 ( c o t ) + a 3 a 3c o s 3 ( 仞f ) + ( 2 2 1 ) 经整理后其输出信号可以写为： 屹= + 1 0 2 a 2 一直流分量 + ( a l a + a 3 a 3 ) c 。s ( c o t ) 一基频分量 ( 2 2 2 ) + 三彳2c o s ( 2 r o t ) + l o t 3 a 3c o s ( 3 0 ) 0 + 其输出的基波分量幅度为： 帕o t 3 a 3 = a l a c + 昙么2 7 ( 2 2 3 ) 一 查塑奎兰堡兰堂堡堕苎 - - _ _ _ - _ 一一 一。 如果和的符号相反，则信号的增益将随幅度a 的增大而减小。如果用对数功 率来表示放人器的输入和输出信号幅度，可以清楚地看剑输出功率随输入功率增人而偏 离线性关系的情况。， 当输出功率与理想的线性情况偏离达到l d b 时，放大器的增益也下降了l d b ，此时 的输入信号功率值称为l d b 增益压缩点( 1 d bg a i nc o m p r e s s i o np o i n t ) ，如图2 2 所示 e 勺 鼍 弓 色 p i n ( d b m ) 图2 2l d b 压缩点示意图 2 2 2 三阶交调点 由前节可知，当双音信号m 输入到一个非线性放大器后，其输出将产生交调失真， 假设输入信号为【1 6 】： m = 彳c o s q f + 彳c o s 哆f ( 2 2 4 ) 经过放大器后其输出为： v o = c r o + a l v j + 屹2 + 砖3 + ( 2 2 5 ) 经整理为： v o = + 彳( c o s q f + c o s 吡f ) + 口2 彳。( c o s q f + c o s 吐f ) + = + 么c 。s q f + 彳c 。s 吐f + 詈么2 ( c 。s 2 q f + 1 ) + 譬彳2 ( c 。s 2 吃f + 1 ) + t z 2 a 2c o s ( o ) i - 2 ) t + c t 2 a 2c o s ( o j l + 哆) f + a 3 a 3 ( 3 c 。s q ，+ i 1c 。s 3 q d + 彳2 石3c 。s 吃f + 丢c 。s 3 r ) ( 2 2 6 ) + a 3 a 3 1 3 c o s 吐f + 三c 。s ( 2 q 一吐) f + 署c 。s ( 2 q + 哆，) + a s a 3 3 c 。s 州+ ；c 。s ( 2 哆一础+ 言c 。s ( 2 吐蚂f ) + 输出信号中其三阶交调分量的幅度值为丢彳3 ，随着信号幅度a 的增大，输出信号 8 第2 章功率放大器的一啦线性特性 中的摹波分量q j 与i m 3 分量三彳3 理论上会在某点处达到相同的幅度，这。点称为 三阶交调点i p 3 。对应的输入信号幅度或功率值称为输入三阶交调点i i p 3 ，而输出点则 称为o ! p 3 。如图2 3 所示。 ， 2 3 本章小结 e k 8 乱 p i n ( d b m ) 图2 3 三阶交调点示意图 本章从表现形式和描述指标两个方面介绍了功率放大器的非线性特性，其中表现形 式是从a m a m 和a m p m 特性以及交调失真和交调失真两个方面来描述的，而描述指 标则主要介绍了l d b 压缩点和三阶交调点。 9 第3 章功率放大器的线性化技术研究 第3 章功率放大器的线性化技术研究 功率放大器的非线性失真会使其产生新的频率分量，这些频率分量如果落在通带 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通道的信号，为此 需要对功率放大器进行线性化处理，减小其非线性失真。功率放大器的线性化技术有很 多种，如功率回退法( p o w e rb a c k o f f ) 、前馈法( f e e d f o r w a r d ) 、负反馈法( f e e d b a c k ) 、 预失真法( p r e d i s t o r t i o n ) 等。本章将详细介绍这儿种功率放大器线性化技术原理，其 中着重介绍模拟预失真技术，并对基于三阶交调分量产生器的模拟预失真器进行了仿真 验证。 3 1 功率回退法 功率回退法是最常用的线性化方法，也是最简单的线性化方法。即选用高功率的放 大器件，来对小信号进行放大，从而保证放大后输出的功率在所使用的放大器的线性工 作区间内【1 7 】。具体来说，功率回退法就是把功率放大器的输出功率从l d b 压缩点向后回 退6 1 0 d b ，从而使功率放大器工作在远小于l d b 压缩点的电平上，即使功率放大器工 作在线性区，远离饱和区，达到改善功率放大器的三阶交调分量的目的。这种方法简单 而且易实现，不需要增加附加设备，是改善功率放大器线性度行之有效的一个方法i l 剐。 但是功率回退法实际上是以牺牲直流功耗来提高功率放大器的线性度，因而也就带 来了一个最大的缺点就是效率太低，而低效率的功率放大器不仅不经济，还会带来很多 负面影响，如散热和噪声等。而且功率回退技术只能有效的改善窄带信号的线性度。此 外，当功率回退到一定程度，三阶交调分量和基频分量功率比达至l j - 4 0 d b c 以下时，继续 回退功率放大器的输入功率将不能显著改善功率放大器的线性度。 3 2 负反馈法 关于负反馈系统的特性，很多教材上都有描述，此处不再赘述。负反馈法的基本框 图如图3 1 所示【1 9 1 。 图3 1 负反馈技术原理图 由于在微波或更高频段，放大器的渡越时间与信号周期相比，不能忽略，从而使得 负反馈技术难于直接应用于微波或更高频段放大器电路。此外，微波功率放大器的增益 查堕奎堂堡兰堂堡堡奎： 有限，如果负反馈用于单级放大器，则增益损失人大，若用丁多级放大电路；则又难于 保持链路稳定。所以负反馈技术不适合用。j ：微波或更高频段。一般情况下只用j ：较低频 率的调制信号。 3 3 前馈法 近年来人们又逐渐认识到，负反馈系统具有条件稳定和只能消除有限失真分量的缺 点，相反前馈技术则是无条件稳定并且理论上可以完全消除非线性失真分量。特别在射 频应用情况下，负反馈系统的缺点更加明显，这促使前馈技术又重新得到发展。目前前 馈技术己经成为一种主要的线性化技术，在宽带和多载波系统中得到广泛应用【2 0 】。 前馈线性化方法的简化模型如图3 2 所示，所有的电路都工作在射频范围，通过消 除功率放大器输出端的误差，达到校正非线性的日的。信号源直接输入到主放大器，放 大器产生的失真信号被提取后经辅助放大器进行放大，在输出端与已失真的放大信号相 减，从而得到所需的放大信号，降低功率放大器输出信号的频谱扩剧2 1 j 。 图3 2 前馈线性化方法示意图 前馈法的优点在于，它可以较大程度地改善功率放大器的非线性失真，且不影响其 增益带宽，无条件稳定；缺点是对定位调整敏感，需要两套完全相同的放大器和延时线， 整个系统结构复杂，增益和相位的调整相对困难，硬件实现的成本更高。 3 4 模拟预失真法 预失真技术是一种广泛使用的射频功率放大器线性化技术，它是开环线性化技术最 常用的方法，不存在稳定性问题，并有较大的频带宽度。预失真技术又分为模拟预失真 和数字预失真，本文研究的主要是模拟预失真技术，故在此重点介绍模拟预失真技术。 模拟预失真就是在功率放大器前人为地增加一个非线性模拟电路，使信号通过放大 器前已经失真，通过反失真措施来纠正放大器的失真，从而使功率放大器的输出为线性 输出。预失真技术的基本框架如图3 3 所示，输入信号通过预失真器，经过预失真器校 正成为预失真信号后再经过功率放大器后，输出线性度更好的信号。理想情况下，预失 真器将提供一个与功率放大器相反的非线性特性，用于抵消放大器的非线性，使得功率 1 2 第3 章功率放大器的线性化技术研究 放大器最终的输出信号呈现线性特性2 2 1 。 匕匕，匕匕 图3 3 预失真摹本框架 理想的线性系统为信号的输出幅度和相位随输入功率的增加均为一条直线。但是对 于非线性的功率放大器来说，其输出幅度和相位随输入功率变化的关系都不是直线。因 此，倘若想得到较为理想的线性效果，可以考虑在功率放大器前面分别加上相位补偿单 元和幅度补偿单元，使其分别产生于功率放大器相位和幅度特性相反的曲线。 模拟预失真器一般使用两个非线性单元：相位控制单元、幅度控制单元来对功率放 大器的特性进行校正。具体的工作原理如图3 4 和图3 5 所示【2 3 1 。 羹 耋 p _ d 昏帕 p g h c o u p r 疆嗣0 一 萋 蚕 l p - ( d b m ) 图3 4 相位补偿 g l he x 隈n s 船哪 弈 耋 耋 譬 差 图3 5 增益补偿 模拟预失真器一般都需要仔细的调试，调试的主要参数为有两个：拐点和斜率。在 对功率放大器进行预失真时，需要将预失真器的相位和幅度控制单元的拐点调试至与功 率放大器的拐点基本上一致，斜率与其相反，这样才能达到比较好的线性化作用。 模拟预失真技术其实现方法有很多种，常见的有单个二极管模拟预失真器、基于包 络检测的模拟预失真器等，本文接下来要介绍的是一种基于三阶交调分量对消的模拟预 失真器。 1 3 霉一叠v。岔；奄善u 东南大学倾- 上学何论义 3 4 1 基于三阶交调分量对消的预失真器原理 模拟预失真器日前应用比较广泛的是基于交调分量产生器的技术，本节介绍了基于 三阶交调分量产生器的模拟预失真器的原理，另外对t o s h i b a 公i ：| 的型号为s 8 8 3 7 a 的功率放大器管在2 5 g h z 处的非线性特性在a d s 环境中进行了仿真，并针对它的非线 性特性进行预失真处理，给出了电路原理图和仿真结果。 基于三阶交调分量产生器的模拟预失真器其原理框图如图3 6 所示，输入信号被分 为两路，一路直接通过延时电路进入输出端；一路通过三阶交调分量信号产生器将主频 信号削弱只留下三阶及更高阶的交调分量，然后再通过控制信号控制可控的衰减器和移 相器来调节三阶分量的幅度和相位，使其三阶交调分量和上支路的三阶交调分量幅度相 等，相位相反后进入输出端，最终两路信号合成后就得到预失真后的信号 2 4 - 2 5 】。 图3 6 基于三阶谐波产生器的模拟预失真器框图 其中三阶交调分量信号产生器的原理图如图3 7 所示，由2 个具有相同特性的肖特 基二极管，耦合器、微带线和电容电阻构成，肖特基二极管本文采用a g i l e n t 公司的 h s m s 2 8 5 2 型号二极管。通过改变电容电阻的值，使二极管工作在不同的非线性区，以 产生失真信号，获得所需要的三阶交调信号。另外，电路中的微带线其作用为给电路提 供相位变化，以削弱主频信号的幅度，电阻电容则主要吸收一定带内信号的作用【2 6 1 。 弋 a t 图3 7 三阶交调分量产生器原理图 其原理简述如下，假设三阶交调分量发生器的输入端加有等副的双音信号形： 形= ac o s ( c o j ) + ac o s ( t 0 2 t ) 1 4 ( 3 4 1 ) 第3 章功率放大器的线性化技术研究 其中，a 是双音信号的幅值，由第二：章中功率放大器非线性幂级数模型可知， v o = 毛巧+ 乞咋+ 包+ = k l a ( c o s w l t + c o s w 2 t ) + k 2 a 2 ( c o s w l t + c o s w ：t ) 2 + l q , ( c o s w l t + c o s w 2 t ) 3 ：岛o o s 叫f + 包o o s 也f + 岛c o s ( 2 1 嵋一心弦+ ( 3 4 2 ) 么c o s ( e w 2 一w y + 魄c o s ( 3 也一2 嵋) t + b c o s ( 3 w , 一2 心y + 通过调节二极管的偏置电压，可改变式( 3 1 2 ) 中的系数匆，即调节二极管的偏置 电压，增大式中i m 3 的系数，减小基频信号的系数。 3 4 2 三阶交调分量产生器电路仿真 基于三阶交调分量信号产生器的电路原理图如图3 8 所示，其中耦合器采用a d s 中自带的模块，二极管为a g i l e n t 公司的h s m s 2 8 5 2 型号肖特基二极管，a d s 器件库中 有此二极管对的模型，直接调用即可。调节电容、电阻值和微带线的长度，采用h a r m o n i c b a l a n c e 仿真器对电路进行仿真，仿真结果如图3 9 所示。 图3 8 三阶谐波产生器电路图 m 1i r a 2 脚e q ：24 4 0 g h z| f r e q = 24 8 0 g h z j d b m ( o u t ) = 一2 6 5 1 引b b m f o u t l = - 4 77 8 1 m | 亨i 。卜：fl m 参 忻 2 o2 12 2 2 32 42 52 鼻2 7 2 1 12 j3 0 慨g h z 图3 9 三阶谐波产生器仿真结果图 从仿真结果来看，通过调节电容、电阻值和微带线的长度，输出信号的基频信号大 幅减弱，接近5 0 d b m ，从而使得三阶和五阶交调信号与基频信号的功率比较大，其比值 大于2 0 d b 。可见，此电路可产生很明显的三阶交调分量信号。 东南大学顾上学位论文 ， 3 4 3 功率放大器的非线性特性仿真 奉节中的模拟预失真器是针对t o s h i b a 公司的型号为$ 8 8 3 7 a 的功率放大器管的 非线性而设计，冈此需要首先了解此功率放大器管的非线性特性，故先对功率放大器管 的非线性特性进行仿真。参照$ 8 8 3 7 a 的d a t a s h e e t ，其工作电压吆。= 1 0 v ，珊= 0 j 4 5 a ， 正电源选用1 5 v 的电源，则偏置电阻选约为1 1q ，取1 0 q 。再辅之以负电源、扼流圈、 隔直电容和旁路电容，构成如图3 1 0 所示的电路图。仿真时输入频率设为2 5 g h z ，其 仿真结果如图3 1 2 ( a ) 、3 1 3 ( a ) 和图3 1 4 ( a ) 所示。另外，经仿真验证，$ 8 8 3 7 a 功率放大 器在2 5 g h z 处的双音饱和输出功率为2 4 6 d b m 左右。 u 巾吖l z l 5 0 图3 1 0s $ 8 3 7 a 功率放大器电路原理图 3 4 4 基于三阶交调分量对消的预失真器电路仿真 清楚了$ 8 8 3 7 a 功率放大器的非线