（电磁场与微波技术专业论文）射频功率放大器的线性化技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着第三代移动通信系统的快速发展和线性调制技术的广泛应用，发射 机对射频功率放大器的线性度提出了更高的要求。由于这些线性调制技术具 有非恒定包络的特点，当调制信号通过射频功率放大器后将产生互调信号失 真，而这种互调产物无法用滤波去除。另外，射频功率放大器是发射机中耗 电最大的器件，因此。应尽可能让射频功率放大器工作在电源效率相对较高 的区域，即接近射频功率放大器的饱和区域。然而，这一区域正是虽易于产 生非线性失真的区域。因此，为了满足发射线性度和电源效率，发展了许多 线性化技术。 本论文在概述了功率放大器的特点和分类以及对非线性失真的描述后。 对各种线性化技术进行了总结和比较。其中，由于预失真法结构简单、成本 低和线性化好，本论文根据预失真法的基本原理，设计了一个基于低频偶次 项互调产物的射频预失真器。该预失真器利用二阶互调分量分别产生三阶和 五阶互调失真，以双平衡二极管混频器作为互调失真发生器，并通过分别独 立控制三阶和五阶互调分量的幅度和相位，可得到更准确的线性补偿。在预 失真器的仿真电路中，输入1 9 5 g h z ，带宽8 m h z 的双音信号，从仿真结果 中可看到，三阶互调和五阶互调分别改善了2 0 d b 和l8 d b 。 关键词：射频功率放大器：线性化；预失真：互调失真 西南交通大学硕士研究生学位论文 第| | 页 a b s t r a c t t h ei m p o n a n c eo fr fa m p l i f i e r sl i n e a r i z a t i o nh a sb e e ne m p h 觞i z e dw i t l lt i l e r a p i dd e v e l o p m e n to ft l l et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dt h e w i d eu s e n e s so fl i n e a rm o d u l a t i o nt e c h n i q u e s m o d u i a t e ds i g n a l sw i t hv a r y i n g e n v e l o pw i ng e n e r a t ei n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o nw h i c hc a nn o tb ee l i m i n a t e db y 觚e rw h e nt h o s es i g n a lp a s st h er fp o w e ra m p l i f i e r s n i ep o w c r 锄p l i f i e ri s k n o w nt ob et h em o s tp o w e rc o n s u i n gc o m p o n e n ti nat 舢s m i t t e r ，h e n c ei ti s d e s i r a b l et o o p e “l t e t h ep o w e ra m p l i f i e ra se m c i e n ta sp o s s i b l e ，i e ，n e a rt h e s a t l l r a t i o nr c g i o n 、他i c hi sa tt h eo p e r a t i n g r e g i o nt h a t t h es i g n a l sa r em o s t s u s c e p t i b l et on o n l i n e a rd i s t o r t i o n m a n yi i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u e sh a v ed e v e l o p e d t om e e tt r a n s m i t t e rl i 9 e a r i t yr e q u i r e m e n ta l l dp o w e re m c i e n c y s e v e r a ll i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u e sa r es u m m a r i z e da l l dc o m p a r e da f t e rt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dc l a s s e so fp o w e r 锄p l i f i e r sa n dd e s c r i p t i o no fn o n l i n e a r d i s t o r t i o na r e p r e s e n t e d t h i s p a p e rp r o p o s e sar fp r e d i s t o r t e r b a s e do n l o w - 矗e q u e n c ye v e n 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 sd u e t ot h es i m p l i c i t y ，1 0 w c o s ta n dm o d e r a t ed i s t o r t i o ni m p r o v e m e n to fp r e d i s t o n i o nl i n e a r i z a t i o n t h e t h i r d o r d e r ( i m 3 ) a n df i n h o r d e r ( i m 5 ) i n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t e dp r o d u c t sc a nb e g e n e r a t e db yu s i n g s e c o n d - o r d e r i n t e r m o d u l a t i o n c d m p o n e n t s t 、v 0 d o u b l e - b a i a n o e dd i o d em i x e r sa r ei m p l e m e n t e da si n t e r m o d u l a t i o np r o d u c t s g e n e r a t o r s p o w e r锄p l i f i e rl i n e a r i t yh a sb e e ni m p r o v e db yi n d e p e n d e n t l y c o n t r o l l i n gt h ea m p l i t u d e sa n dp h a s e so fi m 3a n di m 5 s i m u l a t i o nr e s u i t ss h o w ( h a ti m 3r e d u c t i o no f2 0 d ba i l di m 5r e d u c t i o no f18 d ba r ca c h i e v e dr e s p e c t i v e l y a t1 9 5 g h z k e yw o r d s ：r a d i o f r e q u e n c yp o w e ra m p l i f c r ；p r e d i s t o r t i o n ；l i n e a r i z t i o n ； i n t e r m o d u l a t i o nd i s t o n i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文研究的目的和意义 移动通信系统在经历了第一代的模拟蜂窝系统、第二代的基于t d m a 和 窄带c d m a 基础的数字蜂窝系统，目前已发展到第三代移动通信系统。例如： c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 和t d s c d m a 。这些通信系统旨在为用户提供高速、 大容量和多种服务。随着无线用户的飞速发展和宽带通信业务的开展，通信 频段变得越来越拥挤，为了在有限的频谱范围内容纳更多的通信信道，要求 采用频谱利用率更高的传输技术，因此线性调制技术如q a m( q u a d r a t u r e a m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 、q p s k ( q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ) 等在现 代无线通信系统中被广泛采用。 由于这些线性调制技术具有非恒定包络、宽频带和较高的峰平比等诸多 特点，当调制信号通过功率放大器后将产生互调信号失真。互调失真对邻接 信道产生不同程度的干扰，而这种互调产物无法用滤波去除，因此第三代移 动通信系统对射频功率放大器的线性度提出了更高的要求，射频功率放大器 的线性校正成为整个系统工作性能的关键技术之一。 传统的减小射频功率放大器的非线性的方法是功率回退法，然而，工作 点的回退降低了放大器的电源效率并导致很高的热耗散。在移动通信系统中， 移动站的电源是有限的，所以发射机的工作效率是保证移动站有最大工作时 间的关键。众所周知，功率放大器是发射机中耗电最大的器件，因此，应尽 可能的让功率放大器工作在电源效率相对较高的区域，即接近功率放大器的 饱和区域。然而，这区域正是最易于产生非线性失真的区域，因此，为了 同时满足发射线性度和电源效率，发展了许多补偿射频功率放大器非线性失 真的线性化技术。目前，射频功率放大器的线性化技术已成为一个广泛而活 跃的研究领域。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 为了满足这种对射频功率放大器线性化的高度要求，线性化技术在国内 外得到广泛的关注并在手机、基站和卫星通信等应用领域进行了深入的研究， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 发展出了几种主要的线性化技术，包括：前馈法、反馈法和预失真法。 前馈法的基本原理是用两个环路分别对消掉载波信号和失真信号来实现 线性化。由于在第一个环路中提取出来的失真部分都是需要线性化的放大器 自身的产物，所以用这些产物来和放大器的输出端的失真成分对消，效果非 常好。前馈法具有超线性化、频带宽的特点，但它的设备价格昂贵，需要辅 助的误差放大器和复杂的控制电路，并且体积庞大。前馈系统不仅要求幅度 匹配，而且还需要两条平行通路上的相位和延迟匹配。 在上个世纪二十年代，在贝尔实验室工作的美国人h a r 0 1 d s b l a c k 发明 了反馈的电路形式，并且应用于放大器，这种反馈的电路形式在后来的电路 设计中成为了一种非常基础的实用电路。反馈型功放的线性是以牺牲其增益 得到的，且存在不稳定和频带窄的缺点。 预失真线性化法就是在功放前加入预失真器使输入功放的非线性特性与 功放的非线性特性正好相反，抵消放大器的非线性，使放大器呈线性特性。 预失真法由于结构简单、成本底、线性化好、对输出功率影响小而被广泛采 用。根据预失真器在发射机中的位置，可以分为射频预失真技术、中频预失 真技术和基带预失真技术。根据预失真器处理信号的形式。可以分为模拟预 失真技术和数字预失真技术。 线性化技术发展到现在，逐渐出现了各种线性化技术逐步融合的趋势。 例如前馈技术的载波消除环中就经常用到预失真技术，而预失真技术中也加 入了反馈的思想。除了各种线性化技术之间相互融合借鉴，线性化技术和数 字信号处理技术的结合也越来越紧密，特别是随着高速度d s p 技术的发展， 自适应的思想逐渐被引入到线性化技术中，相应的出现了自适应前馈技术、 自适应预失真技术等等这些技术的融入，使得线性功放的线性度得到了极 大的提升。 1 3 本文内容安排 第一章简述了本论文研究的目的和意义，概述了国内外研究现状和发展 趋势说明了发展射频功率放大器线性化技术的重要性。 第二章介绍了发射机的工作原理和射频功率放大器的特点以及主要的工 作性能指标，并概述了功率放大器的几种工作状态。 第三章给出了非线性失真的描述，介绍了几种描述非线性失真的指标以 及射频功率放大器的非线性失真模型。最后总结比较了目前常见的几种线性 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 化技术。 第四章根据预失真法的基本原理，设计了一个基于低频偶次项产物的射 频预失真器。该预失真器利用二阶互调分量分别产生三阶和五阶互调失真， 并通过分别独立控制三阶和五阶互调分量的幅度和相位，得到更准确的线性 补偿。论文详细分析了各部分电路的设计原理和过程。从仿真结果中可看到， 三阶互调和五阶互调得到了明显的改善，较好的实现了预期设计目标。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章射频功率放大器和发射机 2 1无线通信发射机概述 在无线通信系统中，发射机是重要的子系统。无论是话音、图像还是数 据信号，要利用电磁波传送到远端，都必须使用发射机。发射机完成的主要 功能是调制、上变频、功率放大和滤波。发射机射频部分的任务是完成基带 信号对载波的调制，将其变为通带信号并搬移到所需的频段上且有足够的功 率发射。发射机发射的信号是处于某一信道内的高频大功率信号，应尽量减 少它对其他相邻信道的干扰。 发射机的组成方案大致可以分成两种：一是将调制和上变频合二为一， 在一个电路里完成，这称为直接变换法，如图2 1 所示。二是将调制和上变 频分开，先在较低的中频上进行调制，然后将已调信号上变频搬移到发射的 载频上，这称为两步法。如图2 2 所示。直接变换法虽然简单，但它有明显 的缺点，由于发射信号是以本振频率为中心的通带信号，经功率放大和发射 后的强信号会泄漏或反射回来影响本振，牵引本振频率。特别是在为了节省 能源，需要频繁的接通断开功率放大器时，产生的干扰更大，本振频率不稳， 则直接影响发射机的各项性能指标。两步法发射机的构成方案与一般调频的 模拟微波机相似，只要更换调制、解调单元，就可吼利用现有的模拟微波信 道传输数字信息。因此，在多信道传输时，这种方案容易实现数字模拟系统 的兼容，具有较好的通用性。 图2 一l 直接变换发射机 图2 2 两步变换发射机 发射机的特性与使用场合有关。远距离系统中，大功率低噪声是首要指 发射机的特性与使用场合有关。远距离系统中，大功率低噪声是首要指 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 标。空间和电池供电系统中，效率必须要高。通信系统中，要求低噪声和高 稳定性。发射机的主要性能指标包括：工作频段、输出功率、频率稳定度、 交调失真、电源频率、谐波抑制度和通频带宽带等【3 1 。 2 2 射频功率放大器 2 2 1功率放大器的特点 射频功率放大器用于发射机的末机，它将已调制的频带信号放大到所需 要的功率值，送到天线中发射，保证在一定区域中的接受机可以收到满意的 信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。功率放大器总是在大信号状态下工 作，因此，不论是器件结构和电路设计都与小信号放大器不同。为了能承受 大信号激励和输出一定的微波功率，微波晶体管交指型结构的指条数目从低 噪声管的3 5 条增加到1 0 2 0 条。为了承受大功率，要求有良好的散热效 果，双极型微波功率晶体管总是用硅材料制造( 其导热率比锗高许多倍) ，而 场效应微波功率晶体管趋向于用金属一半导体场效应晶体管( m e sf e t ) ， 并且管壳都采用大面积接地板结构。功率放大器为了减少大电流引入的损耗， 常用单管放大，而且功率放大器常用共射( 共源) 组态，因为它有较高的增 益。共基组态由于它的输入电流与输出电流大小相同，引入了较大的损耗。 2 2 2 功率放大器的主要性能指标 1 工作频带 工作频带指放大器的输出功率的波动或增益不平坦度在一定范围内时， 放大器所对应的工作频率宽度。 2 增益 增益是标称输出功率和输入功率之比。 3 输出功率 如图2 - 3 所示的是功率放大器输出功率与输入功率的关系。由图可见， 在小信号区，功率增益基本不变，这时功率增益与输入功率大小无关。但随 着信号加大，功率增益便下降。通常把增益下降l d b 的点称为l d b 增益压缩 点，把该点对应的输出功率称为1 d b 增益压缩点输出功率。当输入功率超过 1 d b 点以后，放大器很快进入饱和区工作，此时所对应的输出功率便是饱和 输出功率。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 p p i n 图2 3 功率放大器输入输出功率的关系 4 效率 功率放大器的效率有两种定义方法。一种称为集电极效率仇，它是输出 功率与电源供给功率圪之比，即 仇= 二署 ( 2 - 1 ) r 出 这种定义没有考虑放大器的功率增益。另一种称为功率增加效率p a e ( p o w e r a d d e de f ! f i c i e n c y ) ，它是输出功率只。与输入功率己的差与电源供给 匕之比 脚= 警- ( 1 一拉 ( 2 - z ) 匕、g ， 、 功率增加效率p a e 的定义中包含了功率增益的因素，当有比较大的功率增益 时，只。圪，此时有仉“削e 。 5 三阶互调系数 三阶互调系数反映功率放大器的非线性。在两个正弦信号与正激励 下，由于非线性，功率放大器将产生一些新的频率分量。三阶互调系数就是 m 一五或2 五一z 频率信号的幅度与基波z 或五的信号幅度之比值。 6 杂散输出与噪音 收发信机的接收和发射设备一般都是通过天线双工器共用一付天线的。 如果收和发采用不同频带的工作方式，那么发射机功率放大器频带外的杂散 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 典型的a类功率放大器输入输出波形如图24所示。需要设置合适的静 态工作点a 为了最大限度地利用晶体管，输出最大功率，一般选择 =去。，k=音。，。和l。是管子所能承受的最大漏源极电压 二二 和漏极电流。在a 类功率放大器中，晶体管等效为受控的电流源。a 类功率t 放大器最大输出信号电流幅度为妄如。，最大输出电压幅度为，最大集 二 电极效率为仉一：；一_ _ _ i i i 至至至| 三| 三；| | | | 至i | | 亭享j 彳| | 璺零0 主鬟掌0 j = = = 一茎亍i ；j 薯jj 至三蒌萋薹零 i ；i ；i ；ji 耋 o o o _ _ _ _ 一_ _ _ 0 0 0 一j j ： 主i 彳? i f 量薹曩j 别凌 蠼派与噬崩哺世垅，噬嶙葛离攘鬣嚣呸拳鱼莹黔藓暨鸯卦酾二卵嘣够节 董盟磊侧彀j 灌鬻心沥强喜髭吲；龟唧一霪# 矿i信号的幅度4 较 小时，4 ”也小，所以输出的高次谐波一般可以忽略。射频放大器一般都是 频带放大器，这些谐波由于离基波较远，一 般都可以滤除，因此谐波对放大 器的影响不是太大。3 1 3互调失真如果加在非 线性器件输入端除有用信号外还同时伴有一个或多个干扰信 两个信号x= 4 c o s 州+ 4 c o s 吐f ，代入式( 3 一1 ) 可知，除了谐波p q 和g q ( p和g 为包含 零的正整数)的分量外，还会产生很多组合频率的分量【3l【16】。如，由一次 方项和三次方项产生的q 和屿的基波分量为 ( q 4 + q 4 3 + 詈口3 4 4 2 ) c o s q h “4 + q 4 3 + 詈q 4 4 2 ) c o s q f( 3 3 ) | 西南交通大学硕士研究生学；l 骗 羹羹薹霎震鬻萋蕈囊蒌鬻夔冀羹囊鎏羹鬟篓蓁薹 囊，；蠡l 萋| 攀錾耋萋蠢 簦捅凰鼎匍制荔飘钯j 衙觚釉磁鞭泊荆 i 靛一i 卜i 蠢蠢l 霞刚! 薹i 矗i ； 掣心；封；羹淑i 射瓤断；蹇9 灌溆是强磊；墨罨鋈聒篙结攫浠磕缮熙登薰丰矗叠 希张，簧释对梧翟和斩黪，响i 耋；i 。妻l 喜i l i l ：牌竖i 萋娄二萋i l 鎏蓁羹 荔矍霎。3 功率放大器的分类 功率放大器的最重要的指标时输出功率和效率。由此出发，可将功率放 大器分成a 、b 、c 、d 、e 、f 类。归纳这些分类原则，大致可以分为两种： 一种是按照晶体管的导通情况分，另一种是按晶体管的等效电路分f 1 3 】。 按照信号一周期内晶体管的导通情况，即按导通角大小，功率放大器可 分为a 、b 、c 三类。在信号的一周期内管子均导通，导通角臼= 1 8 0 。( 在信 号周期一周内，导通角度的一半定义为导通角口) ，称为a 类。一周期内只 有一半导通的称为b 类，即日= 9 0 。导通时间小于一半周期的称为c 类，此 时口 9 0 。 如果按照晶体管的等效电路分，则a 、b 、c 属于一大类，它们的特点 是：输入均为正弦波，晶体管都等效为一个受控电流源。而d 、e 、f 属于另 一类功放，它们的特点是，输入是矩形波，晶体管被等效为受输入信号控制 的开关，它们的导通角都近似为9 0 。，都是属于高效率的非线性功率放大器。 下面对移动通信中常用的几 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 和 翌学c o s ( 2 q 刮r + 兰学c o s ( 2 q 嘲r 翌竽c o s ( 2 哆刮r + 半c o s ( 2 吐r ( 3 _ 5 ) 遥亳乓 f扩 百歹富 f 图3 3 双音信号的输出频谱 真 裹要悯 具壹 当两个频率十分接近的信号输入放大器时，由器件非线性产生的如式 ( 3 _ 3 ) 、( 3 4 ) 和( 3 5 ) 所示的许多组合频率分量中，有可能在放大器频带内的频 率分量除了基波外，还可能有组合频率2 峨一q 和2 一鹞，因为它们比较靠 近基波分量，如图3 3 所示。这些组合频率是由非线性器件的三次方项产生 的，并且对有用信号形成干扰。这种干扰并不是由两输入信号的谐波产生的， 而是由这两个输入信号的相互调制( 相乘) 引起的，所以称为互调失真。由 非线性器件的三次方项引起的互调称为三阶互调( 2 鹞一q 和2 一鹞) ，由五 次方项引起的称为五阶互调( 3 毡2 q 和3 q 一2 q ) 。可以在下面两个指标中 选一个来衡量放大器的互调失真程度。 一是互调系数，三阶互调系数删3 的定义为 s 划b g 瓣招 删3 一般为负值，其绝对值越大，说明放大器的线性度越好。 二是三阶互调截点上p 3 ，定义为三阶互调功率达到和基波功率相等的点， 此点所对应的输入功率表示为z 驴3 。 3 2 非线性失真模型 功率放大器总是应用在大信号状态，此时非线性非常严重。在放大器模 型的基础上，对放大器非线性的分析在工程设计中非常重要。基于器件的物 窘童a暑 一8爿8 o 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 理特性建立功率晶体管的非线性模型已成为这一领域的前沿课题。 根据器件的特性，可分为无记忆器件和有记忆器件。若射频功率放大器 是无记忆器件，其非线性失真主要考虑振幅振幅( a m a m ) 变换失真和振幅 相位( a m p m ) 变换失真。弱非线性可用泰勒级数模型来描述和分析。无记忆 器件假设无法描述系统的频率相关特性。当工作带宽远小于器件的带宽时， 频率相关特性往往可以忽略，则无记忆假设是可行的。 宽带放大器设计必须考虑器件的记忆特性，此时就不能用泰勒级数模型 来分析，而要用谐波平衡法、v o l t e r r a 级数来描述和分析。其中谐波平衡法主 要用于大信号激励的强非线性电路，v j l t e r r a 级数适用于小信号激励的弱非线 性电路。在本文中都假设所研究的射频功率放大器是没有记忆效应的。 3 2 1 极坐标非线性模型 假设不考虑记忆效应，射频功率放大器的两个非线性特性a m a m 和a m 一蹦 特性可以通过矢量网络分析仪测量得到，因此用a m a m 和a m p m 特性来描述 非线性功放是实际中经常采用的方法。 如果把射频功放的a m a m 和a m p m 特性用串联方式来表示则可以得 到极坐标形式的非线性模型，考虑如下形式的单频输入信号： z = 爿c o s ( 2 石正f + 力( 3 6 ) 当信号通过非线性射频功放后，输出信号变为 y = 厂( 4 ) c o s ( 2 丌正f + + g ( 4 ) )( 3 7 ) 上式中的厂( 爿) 和g ( 一) 分别代表功放的a m a m 和a m p m 的非线性转换特 性。 根据文献 1 7 】 1 8 】研究表明，对于调制输入信号式( 3 6 ) 和( 3 7 ) 所描述的关 系也同样满足，即对于如下的调制输入信号： 输出信号可表示为 x ( f ) = 爿( | ) c o s ( 2 石z f + 妒( f ) ) y ( o = ，( 爿( f ) ) c o s ( 2 石正f + 声( f ) + g ( 一0 ) ) ) ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) 式中，( 一( ，) ) 是输出信号幅度，声( f ) + g ( ，) ) 是输出信号的相位，它们是输入 信号幅度爿( f ) 的函数，式( 3 9 ) 被称为是a m a m 和a m p m 模型的极坐标形 式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 3 2 2 泰勒级数模型 如果放大器输出信号是其输入信号的瞬时函数( 即无记忆) ，且非线性很 弱时，输出信号y ( r ) 可用输入信号x 0 ) 的泰勒级数表示为 ) ，o ) = ，( x ( f ) ) = 吒r o ) = c 。x o ) + c 2 x 2 ( f ) + 巳x 3 0 ) + ( 3 1 0 ) n - l 若同时存在a m p m 失真，则可用复数泰勒级数表示为 生 j ，( f ) = ( + 儿净“( r ) ( 3 1 1 ) n i 】 一般级数在处截断。，( z ( f ) ) 为单值、弱非线性，通过恰当的取级数的 若干阶代替非线性( 常取到五项) 。泰勒级数分析简单、直观明了，在定量分 析放大器的谐波、三阶互调截点、1 d b 压缩点等指标时非常方便【1 0 】。 3 2 3 v o i t e r r a 级数模型 对于有记忆效应的模型，通常采用v o l t e r r a 级数来表示。v 0 1 t e r r a 级数模 型可以准确的描述任何一种非线性系统，是分析实际可实现非线性系统或电 路的通用方法，在计算小信号、无记忆非线性电路时同泰勒级数无任何区别。 v o l t e a 级数方法采用显式表示激励和响应关系的电路传递函数，考虑输入 各频率之间的互相影响，把系统划分为无穷个v o l t e r r a 级数相加形式( 实际 取多少阶根据具体的电路情况定。一般3 5 阶) ，如图3 4 所示【9 l 。 图3 4v b l t e r r a 级数系统模型 根据模型非线性系统的微分方程可写成 譬：三f ：啊( f 1 ) x p 一1 ) d + e 红( ，f 2 ) x o f 1 ) x o t ) d q + ( 3 1 2 ) j e 玛( 吒，2 ，码h o f 1 ) x ( f f 2 ) x ( f 一乃) d l f 2 毛+ 、。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 上式中，( f i ，r 2 ，毛，_ ，l ) 称为第n 阶核或称力阶非线性冲击响应，用傅氏 变换将式( 3 1 2 ) 变换成 y ( ，) = q ( 确) x ( ，q ) + 马( ，q ，q ) x ( - q ) x ( _ ，q ) + ( 3 1 3 1 马( ，q ，_ ，q ，q ) x ( ，q ) x ( - ，鲍) x ( 豇b ) + 。 其中， 以( q ，n t ，j 皑，j q ) = 吃( f l ，f 2 ，b ，靠) e 叫9 1 + 4 “+ ”“d d r 2 d f 3 d 。 式( 3 一1 3 ) 为一线性代数方程，其中凰( _ ，q ) 、( ，q ，吐) 、马( ，q ，_ ，哆，鸭) 分 别为一阶、二阶和三阶v 0 h e n a 传递函数，知道了各阶传递函数，只需用线 性电路的分析方法便可进行求解各种非线性指标，简化了非线性失真的研究 工作。 3 3 非线性射频功率放大器的影响 射频功率放大器按工作状态分为线性放大与非线性放大两种，非线性射 频放大器有较高的效率，而线性射频放大器的最高效率也只有5 0 。因此从 高效率的角度来看应采用非线性射频功率放大器。但是非线性放大器在放大 输入信号的同时会产生一系列有害影响。从频谱的角度看，由于非线性的作 用，输出会产生新的频率分量，如三阶互调、五阶互调分量等，它干扰了有 用信号并使放大的信号频谱发生变化，频带展宽。从时域的角度看，对于波 形为非恒定包络的已调信号，由于非线性放大器的增益与信号幅度有关，则 使输出信号的包络发生了变化，引起波形失真。对于包含非线性电抗元件( 如 晶体管的极间电容) 的非线性放大器，还存在使幅度变化转变为相位变化的 影响，干扰己调波的相位。 在现代通信系统中，射频功率放大器的a m a m 和a m p m 变换失真对 数字信号的影响非常大，这可从数字调制信号星座图中反映出来。假设输入 信号为艄d q p s k 信号，放大器的非线性失真使输出信号星座图的实部和虚 部发生偏移，降低误差加性噪声的容限，导致频谱再生而干扰邻道信号并恶 化误码率。因此，在设计通信系统功率放大器时，首先要定量分析非线性的影 响，必要时应采取相应的线性化技术来改善其线性度。 3 4 射频功率放大器的线性化技术 射频功率放大器的线性化技术从原理上分主要有两大类：一类是通过获 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 得射频功率放大器非线性特性来消除功率放大器输出信号中的互调干扰分 量，这类线性化技术主要包括前馈技术、负反馈技术和预失真技术等；另一 类是通过输入幅度恒定的信号给功率放大器来避免非线性失真，如e e r 等技 术就属于这类线性化技术。下面将简单介绍一下这些线性化技术的基本工作 原理与各自特点。 3 4 1 反馈法 反馈技术是减小放大器失真的最简单一种的线性化技术，它最早是由美 国的h s b l a c k 在提出前馈技术九年之后的1 9 3 7 年提出的，但是反馈技术 得到了广泛的应用，因为这种技术在低频电子技术领域中对失真抵消具有明 显的效果，电路结构也比较简单，只是工作频带窄，如图3 5 所示。 反馈法利用放大器输出的非线性失真信号抵消放大器自身的一部分非线 性，因此对放大器输出信号的稳定性、增益的稳定性、非线性失真以及通频 带等指标都有改善作用。但是，反馈方法降低了放大器的增益，且实际电路 很难保证反馈网络在高频段的很宽频带内反馈信号与输入信号反相，相移控 制困难，因此这种方法一般只用在低频场合【1 5 】。 3 。4 2 前馈法 吖= 庸1 + a l 图3 - 5 反馈法基本框图 前馈的概念早在1 9 2 9 年1 0 月就有人提出，但直到1 9 6 0 年才受到电路工 作者的重视，其主要原因有：一是前馈是一种开环电路，所有器件特性随时 间的变化不能被补偿；二是在整个频带内，电路元件的转移特性必须限定为 几分之一分贝：三是要采用第二个辅助放大器，增加了复杂度和技术难度。 但是它也有许多潜在的优点，如：可以大大改善功放的线性；它不损失器件 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 的增益和增益带宽；第二个辅助放大器仅处理误差信号，噪声低、功率低， 系统总的噪声性能没有因为多了一个功放而恶化；它是无条件稳定的电路， 带宽较宽，因此前馈法广泛应用于超线性功率放大器中【l l j 【”j 。 一般的前馈功率放大器由主功率放大器、误差放大器、耦合器、减法器 和延时单元组成，如图3 6 所示。图中上面一路为主放大支路，下面一路为 抵消支路。输入信号进入后分成两路，一路进入主放大支路，一路进入抵消 支路。进入主放大支路的信号由高功率放大器进行放大，由于主放大器的非 线性，在信号中产生了互调分量；进入抵消支路的信号经延时单元延时一定 时间后输送到减法器，延时时间与信号经主放大器处理的时间相同。直接耦 合器对主功率放大器的输出信号进行采样，并把取样信号馈送到减法器，与 抵消支路的信号相减。适当控制取样信号的幅度和相位，使其和延时信号等 幅反相。输出结果称为误差信号，它不包含原始信号，基本上由主放大器产 生的互调干扰信号组成误差信号经误差放大器放大后，与主放大支路信号经 延时单元延时后的信号相减，通过调整误差信号，使两者等幅反相，以抵消 主放大支路的误差信号。最后输出的结果只有经放大的原始信号。 m 永n - m d 冒 图3 6 前馈法基本框图 由上面的分析可见，影响前馈放大器抵消性能的主要因素是线性环中参 与抵消的相位失衡和幅度失衡，所以提高其性能的关键是能否对支路中的信 号幅度和相位进行精确控制，以实现理想的抵消。近年来提出了一种改进的 前馈放大器，它在抵消支路中加入衰减器和相移器，同时加入抽样、控制电 路以便实时监控系统环路，实现对信号幅度和相位的精确控制同时保证系统 的高线性性能不随时间、温度的变化而变化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 3 4 2 预失真法 性( a m a m 和a m p m ) 与射频功放的非线性特性正好相反，抵消放大器的非线 性，使放大器呈线性特性，如图3 7 所示i l l 】【15 1 。 孑屯产 e d i s t o r t e r 。“ 预失真法具有电路形式简单、调整方便、效率高、造价低等优点。目前， 预失真线性化技术大体可分为数字预失真和射频模拟预失真两种方法。数字 预失真技术广泛采用了数字信号处理的硬件和软件来实现，大多数是在基带 信号频谱内进行的预失真处理f 4 7 j 。【5 4 】。设计者需对信号发射和接收传输系统 结构非常了解。 数字预失真非常适合于基站和手机等功放设计。数字预失真器由一个矢 量增益调节器组成，根据查找表( l u t ) 的内容来控制输入信号的幅度和相 位，预失真的大小由查找表( l u t ) 的输入来控制。矢量增益调节器一旦被 优化，将提供一个与功放相反的非线性特性，理想情况下，这时输出的互调 产物应该与双音信号通过功放的输出幅度相等而相位相反，即自适应调节模 块就是要调节查找表的输入，从而使输入信号与功放输出信号的差别最小。 注意到，输入信号的包络也是查找表( l u t ) 的一个输入，反馈路径来取样 功放的失真输出，然后经过a ，d 变换送入自适应调节d s p 中，进而来更新 查找表( l u t ) 】。【4 4 i 。 模拟信号预失真通常是在输入射频信号和功放之间插入一个非线性发生 器，通过控制其相位和幅值，可以有效删除射频功放的互调失真。但是，随 着工作条件和工作环境的变化信号预失真的幅度和相位会发生变化，线性 效果将会下降。为了保持好的线性效果，就需对预失真信号发生器的幅度和 相位进行自适应控制【4 5 】【4 6 】【5 5 1 。 3 4 2e e r 法 e e r 法最先由k a l l n 提出，如图3 8 所示。中频输入信号通过包络检测 器和限幅器，得到幅度和相位形式的输入信号。恒包络的输入信号经混频器 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 第4 章预失真器的设计与仿真 不同的功率放大器线性化技术具有各自的特点，一个对现有线性化技术 的比较如表4 1 所示。 表4 1 射频功率放大器线性化技术的比较 复杂性效率带宽消除失真 反馈法中高低高 前馈法高中高高 e e r 法 由 高中低 预失真法 由 高高中 由表4 一l 可知，在各种功率放大器线性化方法中，预失真法是一种低成 本，同时又能达到中等程度要求的线性化方法。与前馈法相比，它具有低功 耗、电路简单的特点。由于它本身就是开环结构，所以能提供比反馈法更宽 的带宽，具有很好的实用价值。因而预失真法在第三代无线通信系统中得到 了广泛的应用。 预失真器的基本功能就是产生与功率放大器相 ;x 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 1 页 本章基于对射频功率放大器非线性特性和预失真法的分析，拟采用射频 预失真法设计一个预失真器对一个1 9 5 g h z 的射频功率放大器进行线性化。 该射频功率放大器的主要工作指标有： 功率放大器中心频率：1 9 5 0 m h z 带宽：8 m h z 增益：3 3 d b 互调失真：优于2 0 d b 4 1 预失真器的工作原理 目前许多模拟预失真器都着重于减少三阶互调产物( i m 3 ) ，然而，随着 第三代无线通信系统的发展，功率放大器通常都工作在高非线性区，因此， 高阶互调产物的消除显得越来越重要。本章基于这一点，设计了一个利用低 频偶次项产物分别独立产生和控制三阶互调和五阶互调( i m 5 ) 的预失真器 如图4 1 所示1 2 7 1 。 图4 1 预失真器原理图 总的电路分为三个部分：检波电路、控制电路和互调发生电路。检波电 路由一个非线性功率放大器组成，该非线性功率放大器可以产生二阶分量 ( q q ) ，由一个低通滤波器将二阶产物从放大器的输出中滤出。控制电路 由一个乘法器组成，它将二阶分量变为四阶分量( 2 毡一2 q ) 。这两路信号都 送到可变增益放大器，通过控制该可变增益放大器可调整三阶互调和五阶互 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 调的幅度变化，三阶互调和五阶互调的相位变化由互调发生电路的移相器控 制。 输入信号被分为两路，分别进入三阶互调和五阶互调发生电路。在三阶 互调发生电路中，输入信号被送入双平衡二极管混频器的l o 端，与i f 端的 信号即二阶分量( q q ) 进行混频，在r f 端产生三阶交调信号( i m 3 ) 。 同样的道理，五阶互调信号( i m 5 ) 可以从四阶分量( 2 呜一2 q ) 中得到。 这两路互调分量分别经过相位调整后与输入信号合成在一起，形成预失真信 号。 图4 2 预失真器框图 预失真器的框图如图4 2 所示。对于一个双频信号 蜥婷4c o s ( q f ) + 4c o s ( 屿f )( 4 - 1 ) 混频器i f 端的二阶分量e 和四阶分量分别为 q = 4 4 嘭g ic o s 【( 毡一q ) f 】 4 ：三4 ：4 ：g 2 g 2 c 。s 【( 2 q 一2 q ) f 】 4 - 2 其中g 是检测器的传输系数，g l 和g 2 分别是二阶分量和四阶分量可变增益 放大器的增益。经过混频器和移相器后，三阶互调分量i m 3 和五阶互调分量 i m 5 分别为 z w 3 = 妄 4 2 q g i g j c o s 【( 2 q q ) f + p i 】 。 。 ( 4 3 ) + 亡4 2 4 qg l g ：c o s 【( 2 q 一吐) f + 伊1 】 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 5 页 在等功率分配的情况下，即e = b ，女= l ，于是 z 2 = 乙= z o z 0 ：= z 0 3 = 压z 0 ( 4 1 3 ) 胄= 2 2 0 微带线功率分配器的实际结构可以是圆环形，便于加工和隔离电阻的安 装。 在本设计中，功率比例为七= 1 ，功分器的中心频率是1 9 5 0 m h z ，通带为 1 9 g h z 2 g h z ，带内各端口反射系数小于2 0 d b ，两输出端隔离度小于- 2 5 d b ， 传输损耗小于3 d b 。 利用a d s 2 0 0 4 设计了3 d b 功率分配器。仿真电路图如图4 4 所示，仿真 结果如图4 5 所示。从仿真结果来看，该功分器达到了设计要求。 獭。鍪。蒸。瀚篙“”渊篇”溜篇。 ：= = = ， “” 2 ：= 。 图4 4 功率分配器仿真电路图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 8 页 多项式来逼近滤波器的特性。最平坦型用巴特沃斯( b u t t c r w o n h ) ，等纹波型 用切比雪夫( t c h e b e s h e v ) ，陡峭型用椭圆函数型( e l l i p t i c ) ，等延时用高斯 型( g 肌s s i a l l ) 。 由于巴特沃斯滤波器具有最大平坦度的特点，本设计拟采用巴特沃斯低 通滤波器。设置其通带为1 0 m h z ，阻带为1 3 m h z ，纹波为o 1 d b ，频率大于 1 3 m h z 时，衰减大于2 0 d b 。其仿真电路和仿真结果分别如图4 6 和图4 7 所 示。 2 l 岜 图4 6 低通滤波器仿真电路图 妒 0 5 1 0 1 5 2 02 53 0 f n b q ，m h z 图4 7 低通滤波器仿真结果 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 4 2 3 定向耦合器 定向耦合器又称为方向耦合器，因为这种器件的输入和输出信号间除了 幅度关系外，还有一定的方向性关系。它类似于高频电路中的变压器网络， 功率按比例和相位进行分配和混合。 定向耦合器是个四端口网络结构，如图4 8 所示。 定向耦合器 图4 8 定向耦合器框图 2 _ 一 3 信号输入端l 的功率为丑，信号传输端2 的功率为最，信号耦合端3 的 功率为b ，信号隔离端4 的功率为只。若墨、只、b 、只皆用毫瓦( m w ) 来表示，定向耦合器的四大参数则可定义为： ! 插入损耗 2 耦合度 3 隔离度 4 方向性 嗍叫o t s 肾。k 击 c c 毋删g 即呲击 件 邶卜1 0 l g i 鲁i = l 魄赤 忉 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 。c 拈，= 一。- s 陲| - 。t s 击一。s 击= ，c 如，一c c 拈， c 4 一t s ， 定向耦合器有多种形式，其中分支线型耦合器在微波电路中有广泛的用 途。尤其是功率等分的3 d b 耦合器，不仅因为结构简单，容易制造，而且输 出端口位于同一侧，方便与半导体器件结合，构成平衡混频器、倍频器、移 相器、衰减器等微波电子线路。不论分支线两个输出端口功率是否相等，在