（电磁场与微波技术专业论文）基于功率回退法的线性射频功率放大器的研究.pdf

基于功率回退法的线性射频功率放大器的研究 摘要 在现代无线通信系统中，射频终端的功率放大器的性能指标影响 着整个通信系统的好坏，它的线性特性和功率转换效率等的研究正成 为研究热点。在此背景下，研究设计出了一个工作在8 0 0 m h z ，用于 移动设备终端的功率放大器。研究中，我们采用a d s 进行了性能仿 真，得到了该放大器的性能指标。针对制板时的电路原理图和布线， 分析了板图布局的电磁兼容特性，并给出了仿真结果。最后采用p r o t e l 根据电路原理图设计了板图。本文的主要贡献如下： l 、介绍了射频功率放大器的基本技术，包括分类、性能指标、 演进和设计要求等。研究了当前如何改进放大器的线性性能的主要技 术，如功率回退法、前馈技术、反馈技术及预失真技术等。同时研究 了功率放大器的功率转换效率特性和提高效率的一些措施。 2 、研究设计了一个工作在8 0 0 m h z 用于移动终端的功率放火器。 完成了从系统到电路的匹配和优化的全过程，并进行了性能仿真。 3 、采用功率回退线性化技术，进一步优化该放大器的性能指标， 包括输出功率、增益、三阶交调、l d b 增益压缩点、效率、频谱特性 等性能参数。仿真结果表明，放大器的性能得到了进一步的提升。 4 、在实现中，对p c b 板图布局的电磁兼容特性进行了仿真研究， 使系统得到更加深入的优化，从而保证了系统性能的实现。 i i 关键词：功率放大器、线性、效率、功率回退、a d s 、p r o t e l t h er e s e a r c ho n l i n e a r i t yr i d i o f r e q u e n c y p o w e ra m p l i f i e rb a s e d o np o w e rb a c k o f ft e c h n o l o g y a b s t r a c t i nm o d e mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，r fp o w e ra m p l i f i e r so n t h ef r o n t - e n d c r i t i c a l l y i n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m l i n e a r i t y a n d e f f i c i e n c y a r e b e c o m i n g t h ef o c u so f r e s e a r c hw o r k i nt h e b a c k g r o u n d ，w eh a v ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e dap o w e ra m p l i f i e r ( p a ) i n8 0 0 m h zu s e di nm o b i l et e r m i n a l t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep ai s s i m u l a t e dw i t ha d s e m cc h a r a c t e r i s t i c sa r ec o n s i d e r e dw h e nt h el a y o u t i sd e s i g n e dw i t hp r o t e l t h ew o r k si n c l u d e di nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s 1 r f p ai si n t r o d u c e d i n c l u d i n gc l a s s i f i c a t i o n ，p e r f o r m a n c e s ， e v o l u t i o na n dd e s i g nr e q u e s t s t h el i n e a r i t ya n de f f i c i e n c yt e c h n o l o g i e s ， s u c ha s b a c k - o f f , f e e d f o r w a r d ，f e e d b a c k ，p r e d i s t o r t i o n e t c ，w h i c h s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e t h ep a p e r f o r m a n c e a r e i n v e s t i g a t e d 2 ap ai n8 0 0 m h zu s e di nm o b i l et e r m i n a li sd e s i g n e da n ds i m u l a t e d t h em a t c ha n do p t i m i z a t i o no ft h ec i r c u i t so ft h ep aa r ea c h i e v e d 3 t h ep o w e rb a c k - o f f t e c h n o l o g y i su s e dt o o p t i m i z e t h e c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r ss u c ha so u t p u t p o w e r , g a i n ，3 一i n t e r - m o d u l a t i o n ld b c o m p r e s s i o np o i n t a n d f r e q u e n c ys p e c t r u m c o m p a r e dw i t ht h e p e r f o r m a n c e so f t h eo r i g i n a lp a ，t h eo b t a i n e ds i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e t h a tt h ep e r f o r m a n c e sa r e g r e a t l yi m p r o v e d 4 a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho ne m c c h a r a c t e r i s t i c so fp c b l a y o u t ， t h e p e r f o r m a n c e s o ft h es y s t e ma r eo p t i m i z e d g r a d u a l l y k e y w o r d s ：p o w e ra m p l i f i e r ，l i n e a r i t y , e f f i c i e n c y , b a c k - o f f , a d s ， p r o t e l v 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所争交的论文是本人在导师指导 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容v j ， - ，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证社而使州过的材 料。与我一同1 ：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力：表示了酣 意。 申请学位论文与资料若有不实之处 本人签名： 望l 痒 本人承担切相关责任。 日期： 独至名 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位沦文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 第一章引言 1 1 射频功率放大器的研究背景 射频功率放大器是通信系统发射机的最后级，它的作用是把信号放大并通 过天线传播出去l i j 。功率放大器的性能指标，包括输出功率、效率、线性、三阶 交调等，很大程度上决定着通信系统的性能。 近年来，无线通信事业在全球范围内蓬勃发展，随着市场的变大，通信系统 容量越来越大，频道越来越捐j 挤。目前大多数陆地无线通信系统都是基于恒包络 调制的，我国应用最广泛的g s m 数字移动蜂窝技术采用g m s k 调制方式。这种 技术的优点是发信通道中的非线性对信号失真的影晌小，可以使用电源利用率高 但是线性不好的放大器。 为了满足人们对无线通信的要求，一方面不断地开拓更高的频段，另一方面 采用了频谱利用率高的多种数字信号技术，线性放大信号包括幅度和相位，例如 线性调制技术6 4 q a m 和q p s k 还有多载波系统m c - c d m a 和o f d m 。近年来， 以码分多址( c d m a ) 技本为基础的2 5 g 和3 g 通信技术迅速进入了应用领域， 对发信通道也提出了新的线性化要求，而射频功率放大器对发信通道的性能起主 要作用。现在在c d m a 或w - c d m a 基站中，即使是单载频，也需要使用线性 功率放大器。这是因为c d m a 技术是随包络的宽带信道，若为了提高功率效率， 而使得放大器工作在非线性区，必将由于交调失真的影响产生频谱再生效应，而 频谱再生效应会产生邻道干扰。因此，必须使高功率放大器尽量工作在线性区。 随着移动通信的高速发展，便携式移动终端设备有了发展。要求移动终端体 积小，耗电少，效率高，所以功率放大器的效率增强技术也被广泛的研究。 1 2 射频功率放大器的研究方法 目前，对射频功率放大器的研究主要集中在提高放大器的线性和效率上。使 功率放大器工作在线性区主要有两个方向，一个方向是从信号的角度出发，对信 号进行削波处理，降低输入信号的峰值，减小信号的动态范围。主要采用直接限 幅法、加带外信号法、窗函数法。选择合适的码字等。但是这样会使信号失真， 不能从根本上解决非线性失真的问题。另一个方向是提高功率放大器的线性度。 提高放火器的线性度有三种方法： 1 选用满足系统要求的超线性的器件，这需要选择合适的半导体材料并改 善放大器的制造工艺。这种方法花费大，技术难道高。 2 使放大器工作在线性区，即功率回退法。降低工作电平，把输入功率从 l d b 增益压缩点回退几个d b ，工作在远小于1 d b 增益压缩点的电平上，使放大 器脱离饱和区，工作在线性区上，直到满足线性度要求。但是采用这种方法时电 源的利用率低，而且功率热散耗大。 3 采用线性化技术，即采用适当的电路或算法，对放大器的线性特性进行 校正，从而使发信通道对信号总体上呈现线性放大的效果，这种方法避免的复杂 的工艺和昂贵的成本，设计起来比较灵活，而且可以根据需要同时考虑提高功率 放大器的效率特性。 线性化技术又包括前馈技术( f e e d f o r w a r d ) 、反馈技术( f e e d b a c k ) 、预失真技 术( p r e d i s t o r t i o n ) 、l i n c 及c a l l u m 等。其中，前馈技术的基本原理是通过将 主功率放大器产生的失真信号样本前馈到放大器输出端，来大量抵消放大器输出 端的失真信号；反馈技术是牺牲了功率放大器的增益来达到压缩失真信号的目的 的，通过反馈来抑制交调分量，也就是说，放大器必须提供足够高的增益，才能 获得较好的增益和线性度；预失真技术的基本思想是对放大器的失真进行实时的 补偿，即输入信号通过一个非线性器件一预失真器，然后再送入非线性功放进行 放大输出，通过两者的级联就能保证得到较好的输出线性度，对放大器的非线性 输入输出特性进行校正。 提高放大器的效率也有很多种方法，如d o h e r t y 技术和o u t p h a s i n g 技术等， 有些同时也是提高线性的方法，而且很多方法都是耍同时使用才能取得较好的效 果。 1 3 射频功率放大器仿真设计软件的介绍 31a d s 的简介 先进设计系统( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ，a d s ) 是公司推出的一套专门针 对微波射频系统的电子设计自动化软件，安捷伦公司在吸收了已有产品h p m d s ( m i c r o w a v ed e s i g ns y s t e m ) 和h pe e s o fi v ( e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n gs o f t w a r e ) 精华的基础上，增加许多新功能，并把两者有枫地结合起来构成了功能强大的 a d s 软件。 a d s 可以应用在以下几个方面：射频和微波电路的设计( 包括r f l c 、r f b o a r d ) 、d s p 设计、通信系统的设计及向量仿真。每个设计本身又包括以下几个 内容：绘制原理图、系统仿真、p r o t e l 制板及p s p i c e 原理图。 a d s 功能非常强大，对整个现代通信系统及其子系统的设计和仿真提供支 持，其仿真结果具有很高的可信度。 1 3 , 2a d s 仿真需要注意的问题 为了顺利完成放大器的设计，需要遵守一些规则，这样可以使设计工作事半 功倍。 l 、要有好的软件设计习惯，比如文件的命名要规范，有系统，可以很清楚 的知道是哪一部分；电路布局要台理，参数的选择要规范：要有合理的设计顺序， 使得设计后来电路的时候尽量减少原来的布局。 2 、要按顺序规划仿真，才能尽快地得到需要的电路。要按照先局部后艇体 的优化，切记宜接全局优化，最好能够预先计算设置优化元件的初值：要注意仿 真的数值稳定性。 3 、对于仿真时模型的选择要注意 ( 1 ) s p 模型：属于小信号线性模型，模型中已经带有了确定的直流j i ：作点， 和在一定范围内的s 参数，仿真时要注意适用范围。s p 模型只能得到初步的结 果，对于某些应用来说已经足够，不能用来做大信号的仿真，或者直流馈电电路 的设计，不能直接生成板图。 ( 2 ) 大信号模型：可以用来仿真大、小信号，需要自行选择直流工作点，仿 真时要加入馈电电路和电源。带有l a y o u t 的大信号模型可以用来生成板图。 ( 3 ) 集总参数元件：电容、电感、电阻在进行电路优化时，可以直接选用参 数连续变化的模型，在系统设计最后，需要吧这些优化过的元件替换为器件库系 列中的元件才是可以制作电路原理图，生成板图的。替换时选择与优化结果相近 的数值，替换后要重新仿真一次，检验电路性能是否因此出现恶化。 l3 3 p r o t e l 软件简介 p r o t e l 9 9 s e 是p r o t e l 公司近1 0 年来致力予w i n d o w s 平台开发的最新产品， 能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设 计数据管理。因而今天的p r o t e l 最新产品已不是单纯的p c b ( 印制电路板) 设训 工具，而是一个系统工具，覆盖了以p c b 为核心的整个物理设计。最新板本的 p r o t e l 软件可以毫无障碍地读o r c a d 、p a d s 、a c c e i ( p c a d ) 等知名e d a 公司设计 文件，以便用户顺利过渡到新的e d a 平台。 p r o t e l 9 9s e 共分5 个模块，分别是原理图设计、p c b 设计( 包含信号完整 性分析) 、自动布线器、原理图混合信号仿真和p l d 设计。 1 4 本文的主要结构 1 、介绍了射频功率放大器的基本情况，如基本分类、性能指标、演进情况 和设计要求等。研究了当前的射频功率放大器研究领域的热点问题，它的非线性 特性及现有的线性化的技术，如功率回退法、前馈技术、反馈技术及预失真技术 等。同时研究了功率放大器的功率转换效率和提高效率的一些措施。 2 、作者选取了m o t o r o l a 的功放器件m r f 9 7 4 2 研究设计了一个1 ：作在 8 0 0 m h z 用于移动设备终端的功率放大器。先采用集总元件设计l c 偏置、匹配 电路并优化。然后考虑到放大器工作在射频频段，要考虑元件的高频特性，采用 微带结构对电路进行匹配和优化，并进行了性能的仿真。 3 、采用功率回退法，进一步优化该放大器的性能，给出输出功率、增蓣、 三阶交调、1 d b 增益压缩点、效率、频谱特性等参数性能的仿真结果，和功率没 有网退之前相比线性度得到了较大的提高，但效率有所降低。 4 、考虑到寄生参数的影响，把功放的电路图设计成制板时所需的电路原理 罔。对电路原理图采用了a d s 仿真性能，并分析了制板时不同布局和方法对p c b 板图的电磁兼容特性的影响，使功放的性能得到较大的改善。 4 第二章功率放大器技术概要 2 1 功率放大器的演进 在无线通信的早期( 1 9 8 5 - - 二十世纪二十年代中期) ，射频功率是通过电火 花、电弧和交流电技术产生的。随着1 9 0 7 年d e f o r e s ta u d i o n 发明了三极管，热 离子真空管提供了一种产生和控制射频信号的方法。二十世纪六十年代术，由于 硅双极晶体管的引入而出现了分布固态射频功率设备。在八十年代，它们带来了 低电压、高电流和低负载阻抗。九十年代，发明了一系列很有前途的器件包括 h e m t 、p h e m t 、h f e t 和h b t 来制作放大器，并且采用了如i n p ，、s i c 和g a n 等新材料。这些器件能放大工作在1 0 0 g h z 或更高频的信号【2 1 。m m i c 、d s p 和 微处理控制技术相结合，并采用多种灵活的设计方法，可以很大程度提高功率放 大器的线性和效率等性能。 2 2 放大器工作方式分类 功率放大器按工作状态可以分成a 、a b 、b 、c 、d 、e 、f 类。 1 、a 类晶体管在全部时间内都工作在放大区，器件等效一个电流源。它通 过加到栅极的激励信号和偏置来控制，输出的效率为5 0 。它提供了高线性高 增益的放大，可以接近晶体管的最大工作频率。a 类功放是小信号的放大，当输 入信号变大时，就要工作在截止区p l 。 2 、b 类b 类功率放大器的门偏置设置使得晶体管在一半的时间内导通，漏 极电流是半个正弦波。它的瞬时效率随着射频输出电压线性变化，最大输出功率 7 8 5 。对于低电平信号，b 类比a 类提高了效率，广泛应用于高频和甚高频的 宽带变压器中，微波波段也有很多应用【”。 3 、a b 类a b 类功放的结构和a 类b 类是一样的，区别只是在于工作点的 不同。它的偏置设置在a 类和b 类之间。效率在大约7 0 左右是功放中最常 使用的类型1 5 。 4 、c 类c 类的结构也和a 类、b 类和a b 类相同，区别也在偏置点的不同， 它的门偏置使得晶体管的导通时间小于射频周期的一半。c 类是非线性的，并能 在导通角接近零时达到效率1 0 0 ，但这导致了输出功率趋于零。当输入饱和时， 输出稳定在电源电压，允许线性高电平幅度调制叩1 。 5 、d 类d 类功放用两个或更多的晶体管作为产生漏极电压或电流波形的j f ： 关，属于丌关型放大器。级联调谐的输出滤波器只让基频通过负载，理想情况下 是1 0 0 的效率。归一化功率输出容量是所有功放中摄高的。实际的d 类功放由 于饱和、开关速度和漏极电容而有损耗，随着频率的提高，开关转换瞬时损耗增 大，集电极效率下降，高效功放的特性就不明显了，所以很少用于高于甚高频的 频段。还由于它是开关放大器，所以不适用于放大振幅的场合 l 。 6 、e 类e 类应用单只晶体管作为开关工作。漏极电压波形是直流与漏极分 路电容充电电流之和的结果。在最佳e 类功放，漏极电压在晶体管丌时降到零， 为零斜率，效率为理想1 0 0 。漏极电容起重要作用使e 类功放有广泛的应用， 已经用在k ，波段的高效率放大f s 】。 7 、f 类f 类通过使用输出网络谐振形成漏极波形来提高效率和输出。电压 波形包括一个或多个奇次波，近似方波，而电流包含偶次波，近似半正弦波。效 率比较高9 0 左右【9 】。 2 3 功率放大器的主要性能指标 f 面对功率放大器的主要常用性能指标参数予以简要介绍。 1 、工作频率范围( f ) 指放大器满足各级指标的工作频率范围。放大器 的实际工作频率可能会大于定义的工作频率范围。 2 、功率增益( g ) 指输入输出端口良好匹配的情况下，输出功率与输入功 率的比值。单位常用d b 。功率增益的定义为： 功率增益= 蒙糕( d b ) ( 2 - 1 )藕八佰号切举 3 、增益平坦度( a g ) 指在定温度下、整个工作频率范围内放火器增益 的变化范围。增益平坦度由下式表示： a o = 鱼 ( d b ) ( 2 2 ) 其中，g 。和g m 。分别为增益频率扫频曲线的幅度最大和最小值。 4 、噪声系数某一特定点上的信号功率与噪声功率之比，称之为信噪比 6 ( s n ) 。噪声因子( f ) 定义为输入端信噪比与输出端信噪比的比值，噪声系数f n f 、 是噪声因子的d b 表示。噪声系数常用下式表示： n f - l o l g 鬻( d b ) ( 2 _ 3 ) 当放大器为多级放大时，第i 级放大倍数为g ( i = 1 ，2 ) 噪声系数为f ( 1 ， 2 ) ，总的噪声系数表示为： 小e + 等+ 嚣+ 赢去 陋。， 在放大器的噪声系数比较低( 例如n f 1 d b ) 的情况下，通常放大器的噪声系数 用噪声温度( t ) 来表示。噪声系数与噪声温度之间的关系为： f = 上t + 1 ( 2 5 ) 其中的r o 为绝对温度。 5 、工作效率工作效率是描述功率放大器功率转换的性能的指标。它与功 率放大器的工作状态有密切关系。有两种表示方式： 效率： 叩2 只e o x 1 。 ( 2 - 6 ) 功率附加效率： p a e ：掣1 0 0 ( 2 - 7 ) 易 其中，只为直流供电功率，只为输入功率，p o 为输出功率。 6 、三阶交调( i m 3 ) 指的是三阶交调分量与基频的差值，一般用来表征功放 的非线性的程度。 电平罾 4 l t z c t 图2 - 1 非理想线性系统失真 谰 将相邻的信号z ， 输入到放大器中，输出不仅有z ， ，还包括m 一+ n ，的 j 工调分量。 i m 3 = 2 0 k 慧( d b c ) ( 2 - 8 ) 1 k 翕蒜 7 、l d b 增益压缩点输出功率 放大器都有一个线性的动态范围，输出功率随着输入功率线性的变化。此时 的输出输入功率比为放大器的增益g ，当输入功率继续变大，放大器进入非线性 区，输出功率不再随输入功率线性的增加，当增益g 比原来的下降l d b 时，定 义此时的输出功率为墨。 l + 、 一一0r n 尸m ( d b m ) 图2 - 21 d b 增益压缩点 射频功率放大器的非线性分析是非常重要的，它是设计射频功率放大器的 基础，通常用三阶截断点i p l 和l d b 增益压缩点描述。 8 、输入输出驻波比( v s w r ) 放大器通常设计或用于5 0 n 负载阻抗的系统 中，输入输出驻波比表示放大器输入端阻抗和输出端阻抗与系统要求阻抗( 5 0 f 2 ) 的匹配程度。常用下式表示： v s w r = 蠲舯r 一麓 陪。， v s w r 称为输入输出电压驻波比；z 为放大器输入或输出端的实际阻抗：磊为 系统特性阻抗阻抗。 9 、稳定性系数 稳定性是放大器设计中重点考虑的参数，它是由有源设备的散射参数，匹配 电路和负载终端共间决定的。稳定性分为条件稳定和无条件稳定。 无条件稳定是指不管端1 2 1 加了任何无源负载都保持稳定，在一个频率j 二， 无条件稳定条件是： k - 必烈埘且i 州1 2 i s ( 2 - ，。) s l l 其中n = s i 是：一s ：- ， k 就是稳定性系数，常用稳定性系数圆来表示。 1 0 、 邻道功率比( a c p r ) 射频信号非线性的程度由带外辐射电平决定，各种协议都对频谱再生做了严 格规定，通常用a c p r ( a d j a c e n t c h a n n e lp o w e rr a t i o ) 来表示。它的含义是：通道 发射功率与邻道功率比值的分贝表示，它也是衡量放大器线性的指标。 1 1 、工作电压电流指放大器工作时需要供给的电源电压和电流值。 2 4 功率放大器的设计要求 功率放大器的一个主要特点是工作在大信号的非线性状态。射频功率放大 器与小信号放大器不同，作为功率放大器应该有较大的输出功率和效率，同时满 足带宽、线性度、增益和稳定性要求。如果是功率放大器组件，其增益由多级放 大器实现，通过合理的增益分配，将多级级联起来，则放大器的级间匹配，总体 增益，频率响应特性和稳定性都需要统筹考虑，因此功率放大器的设计要复杂得 多。下面几个个方面应当重点注意 1 0 】： l 、合理选择功放管这是设计中的首要环节。管子的使用频率、功率、放 大效率、频带、稳定性和i p 3 等性能都要考虑。 s i b j t f 晶体管用在最早期的放大电路中，因为它可以通过大的电流，所以 很适用于高功率，大电流密度的电路中。m o s f e t 场效应管工作在饱和区放大， 它的优点是易于设计偏置电路，一般用于有源负载的情况，从v h f 至i j u h f 波段。 c o m s 是近年来研究的热点，因其低功耗，低成本，易于集成等的特性，所以很 多研究人员在致力于研发纯c m o s 电路，但是由于速度比较慢，很难用于比较高 的频段。b i c m o s 是目前比较常用的电路设计形式，因为它是由b j t 和c m o s 共 同搭建的电路，所以它的性能在它们之间，有它们共同的优点，速度比纯的c m o s 快，可以工作在比较高的频段，耗电又比纯b j t 的少。l d m o s ( l a t e r a l l yd i f f u s e d m o s ) 是源极接地，消除了会产生负反馈的源极电感，在高频时增益不会因为负 9 反馈而减小。 2 、选择合适的工作状态射频功率放大器的工作状态主要由功率、效率、 失真度等性能来决定。即要提高线性度又要兼顾效率，一般多采用a b 类放大。 选择合适电路电路设计时尽可能简化。可采用典型可靠的电路、合理分配 增益、减少放大器的级数，甚至慎用线性化技术，以便降低故障率。 3 、精心设计匹配网络如前面所讨论的那样，由于功率放大器处j 二非线性 状态，因此谐波和交调分量严重，因此匹配网络除了具有阻抗变换的作用外，还 有滤波器的作用，所以必须仔细设计。合适的匹配网络可以大大提高放大器的各 项性能。 4 、了解功放在大信号工作下，一些独有的特征，设计线性功放时多加注意。 要考虑到放大器的稳定性特性，过激效应，寄生参数和温度特性等。安全性一定 要考虑到，特别是功放是工作在高电压或者离电流的时候。 1 0 第三章功率放大器的非线性失真及线性化技术 3 1 功率放大器的非线性失真 31 1 失真的产生 在实际应用中，为了提高效率，功率放火器经常工作在饱和区附近的高电平 条件下，由于饱和区的非线性特性，所以信号就产生了失真。输出信弓中就会掺 杂因失真而形成的额外的干扰信号，它们中的大多数可以方便地用滤波电路消 除，但是三阶交调信号，由于与载波频率距离太接近，很难用滤波电路消除，就 会引起频谱扩展，对相邻信道产生很强干扰，引起数字通信系统码间干扰。幅度 的非线性产生互调，相位的非线性会引起相位噪声，在q a m 通信系统中，非线 性会引起星座图移位，使可用判决的问距受到损失。因此研究放大器的非线性特 性对现代通信系统的影响是很重要的。 3 1 2 功率放大器的非线性分析 设有一功率放大器，其输出电压是输入电压的函数 v o o ) = f 【v ( t ) 】( 3 一1 ) 展丌成幂级数形式 v o ( t ) = k i v t ( t ) + k 2 ( ，) + 屯f ( f ) + ( 3 - 2 ) 假定输入信号为单一频率的信号， k ( f ) = c o s c o , t ，则 ( ，) = 毛kc o s c o ，t + 屯h 2 ( c o s c o , t ) 2 + 南3 ( c o s 啦，) 3 + ：丢 ：一2 + ( & + 3 4 z ；3 ) c o s ( o , t + l k 2 y i 2c 。s 2 q f + 丢也巧3 c 。s 3 q ，+ 3 3 由( 3 ) 式可知，由于放大器的非线性，输出信号中除输入信号频率外，还出现 了新的直流分量，2 以，3 哦等谐波分量。 如果输入信号为双频信号， 矿( f ) = v ( c o s c o d + c o s 6 0 2 t ) ，则 v o ( t ) = 毛( c o s 吖+ c 0 5 q f ) + 如2 ( c o s o a t + c o s 0 4 t ) 2 + 岛盱( c o s 唧十c o s 吐f ) 3 + = 岛2 一( 岛+ ；乜哼) c o s q f + ( 气k + ；屯3 ) c o s 0 4 t + 赶2 c o s ( q 一鸭v + 也p ：2c o s ( + q ) f + ；赶哆s 2 q r + l q v , 2 c o s 2 ( o z l + ；心咿c o s ( 2 4 - 0 4 ) t + ；岛口c 。s ( 2 q q ) ， 十；b 昨c o s ( 2 0 4 + 0 4 ) r + ；屯哼c o s ( 2 屿+ q v + ；屯3 c o s 3 q r + ；也f c o s 3 吗，+ ( 3 4 ) 由( 4 ) 式可以看出，双音输入时输出端口的成分由直流 成分，基频甜和吐，二次和三次谐波2 q ，2 c 0 2 ，3 1 及3 哆，二次互调分量士 2 ，i 次互调分量2 出l 士鸭，2 c 0 2 土q ，等分量组成。一般情况下， x 2 r 0 1 一国2 ，2 0 2 o a i 落在通带内，是主要考虑的非线性产物。 3 2 功率放大器线性化技术 为了消除射频功率放大器的非线性失真，必须采用些可靠的线性化技术。 功率放大器的线性化技术起源于上世纪六十年代，当时主要用于中频、高频和超 高频通信系统中；到了七十年代开始应用于微波射频通信领域。需要多大的线性 取决于邻近信号功率比a c p r 可以接受的数值。常用到的功率放大器的线性化技 术主要有四种：功率回退法( b a c k o f f ) 、前馈技术( f e e d f o r w a r d ) 、反馈技术 ( f e e d b a c k ) 及预失真技术( p r e d i s t o r t i o n ) 。下面就介绍一下这些技术的基本原 理和发展情况。 3 21 功率刚退法( b a c k o f f ) 功率回退法是传统的改进功率放大器线性的方法。降低工作电平，把输入功 率从l d b 增益压缩点回退几个d b ，工作在远小于l d b 增益压缩点的电平上，使 放大器脱离饱和区，工作在线性区上，直到满足线性度要求。功率回退法常用于 低功率电路中。这项技术简单易行，但电源的利用率非常低，散热也高。大功率 器件也只能输出很小的有效功率，其本身的潜力不能得到充分地发挥，造成整机 成本的提高。对线性要求较高的系统，功率回退法难以满足要求，需要采用更复 杂的线性化技术。一般的数字通信系统功率回退6 8 d b l l 2 1 。 3 2 2 前馈技术( f e e d * f o r w a r d ) 前馈技术是一种宽带线性化技术，是蜂窝通信p c s 基站、a m p s 、t d m a 、 g s m 以及多载波放大系统常用的线性化技术。前馈技术基本原理足通过将丰功 率放大器产生的失真信号样本前馈到放大器的输出端，来大量抵消放大器输出端 的失真信号。 早在二十世纪二十年代，贝尔实验室的h s b l a c k 就提出了减小放大器失真 的两种方法：前馈和负反馈14 1 。前馈提出的时间比反馈早几年，前馈技术的 好处是 ”1 ： l 、它可以大大改善功放的线性度，通常一次前馈抵消，可以得到2 0 3 0 d b 的线性改善。 2 、在工作频带的带宽内，它不损失器件的增益带宽。 3 、噪声系数主要由辅助放大器决定，通常辅助放大器放大的信号电平不是 很高，其产生的噪声要小的多，因此，在没有改善主放大器噪声特性的情况下， 前馈系统仍然具有良好的噪声性能。 4 、它是无条件稳定的电路并且动态范围很大。 前馈技术的不足是： l 、前馈是用开环电路实现的，所有器件的特性随时间的变化不能被补偿。 2 、在整个频带内，电路元件的转移特性要求比较严格。 3 、电路中需要使用第二个辅助放大器来抵消失真分量，增加了结构的复杂 度和技术难度。 信号抵消环路 失真抵消环路 图3 - l 前馈线性化系统的原理图 图3 一l 表示一个前馈线性化系统的原理图，一般有两个环路。信源信号商接 输入到主放大器( 非线性功率放大器) ，放大器产生的失真在信号抵消环路中被 隔离，在放大器的输出端与信源信号相减，失真信最后从放大器的输出中减掉。 为了得到所需的放大信号，抵消失真信号，在信号失真抵消环路中需要个衰减 器和一个辅助放大器。 与反馈法比较，前馈法需要两套完全相同的放大器和延时线，其误差信号不 是在同一个环路中抵消掉，而是在一个辅助环路中将失真信号抵消掉。因此，整 个系统结构复杂，增益、相位调整困难，硬件实现成本高。对于线性度要求较高 的系统，必须加自适应电路才能满足要求。前馈法在温度、电源电压、工作频率 等周围环境变化时，电路的参数变化不可能完全一致，从而使放大器的线性度变 坏，影响放大器的性能。而且前馈法要求两路的幅度和相位完全匹配，这个很难 实现，所以最简单的前馈也比反馈的技术要复杂。 3 23 反馈技术( f e e d b a c k ) 反馈技术是采用的较早的放大器线性化技术。它的原理在很多书中有讲，如 1 6 ，从功放的角度看，它是牺牲了功放的增益来达到压缩失真信号的目的的， 也就是说，放大器必须提供足够高的增益，才能获得较好的增益和线性度。 图3 2 反馈系统原理图 反馈又分为直接反馈和间接反馈。将r f 输出信号直接反馈到输入端，通过 反馈来达到对交调产物的抑制，即r f 直接反馈法，常用于低功率放大器，其应 用受到工作频率和输出功率的很大限制，反馈环上的时延限制了系统的带宽i ”】， 而且这种方法难以实现多级反馈。 调制反馈技术是利用检波或解调来恢复基带调制信号和功放输出信号，然后 利用基带信号与输出信号之间的误差来校正放大器的控制信号。简单的调制反馈 系统一般仅仅是幅度反馈，较高级的系统则幅度和相位都需要校正。跟直接反馈 相比，由于调制反馈系统反馈到输入端的信号是用于调制的，所以，在反馈程度 比较深的情况卜，仍然可以得到稳定的工作点。调制反馈技术具体的实现方法有 很多，如包络反馈技术、包络抵消与恢复技术、极化环技术、篇卡儿坏技术等等。 1 、包络反馈技术 包络反馈技术是校正a m a m 失真的一项比较简单的技术，用在t d m a 发射机的a g c 环中，有时使用这种技术来补偿功率放大器的增益变化和摔制脉 冲整形。 图3 - 3 包络反馈系统原理躅 图3 - 3 给出了包络反馈系统的一般结构。可以看到。功率放大器输出的a m 分量通过检波器被解调出来，并反馈到差分放大器中，与被检波后的输入信号样 本作比较。误差信号( 即放大器的a m 失真) 被放大、滤波后，再对功率放大器 的控制级进行调制，从而对功率放大器输出的幅度分量进行了校正。 对于包络反馈系统，检波器必须有较宽的动态范围和准确的跟踪，否则，环 路增益和误差信号的准确度将受到信号的影响，致使校币程度降低，甚至增大了 高阶失真产物。包络反馈技术没有补偿相位失真，如果在信号处理过程中时延较 大的话，信号的a m 和p m 分量间可能会产生相位差，使校f 处理被削弱或变得 不对称。通常，校正电路的带宽必须是调制信号包络带宽的1 0 倍以卜。 2 、包络消去与恢复技术( t h ee 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 ) 包络抵消与恢复技术( e e & r ) 也叫做k a h n 技术( 发明人) 【l 。如图3 - 4 所示，利用检波器和限幅器，r f 输入信号被分成幅度和相位分量，幅度分量通 过包络检波器，相位分量控制放大器供电功率，原来的幅度分量被储存为相位分 量。 e 哪创o p e 图3 - 4 包络抵消与恢复技术原理图 优点是很容易实现并且很好的提高了放大器的效率。缺点是只能用于单载波 系统，不能用于多载波系统，限幅器的非理想性和调制器的a m p m 转换等因素 将影响放大器输出的失真产物，有时会产生附加的高阶产物2 们。 3 、极化环( p o l a rl o o p ) 极化环与e e & r 有某种程度上的类似，r f 信号也被分解成幅度和相位分 量。不过，极化环要更复杂些，它要用到幅度和相位调制反馈。 功率放大器耦合器 r f 输出 限幅器鉴相器限幅器混频器振荡器 图3 5 极化环系统原理图 如图3 5 所示，极化环系统实际上也是包络反馈系统的一种扩展形式，它不 仅通过一个a g c 环对功率放大器的幅度失真进行校正，还通过鉴相器( p d ) 利 压控振荡器( v c o ) 构成的锁相环( p l l ) 来保持放大器稳定的相位转移特性。 极化环系统的平均效率大于4 0 ，i m 3 约5 0 d b e 左右，若使用性能非常好的晶 体管，效率还可达到5 0 以上。它通常应用在单载波系统巾瞄。 一 一 一 爹* 等轰 大一 一 竺 一万冉 4 、笛卡儿环( c a r t e s i a n 环) 笛仁儿环b 3 在上世纪九十年代逐渐流行起来，已经有大量相关产品。与p o l a r 环一样，c a r t e s i a n 环分别对幅度和相位进行控制，其与极化环的差异在于其输入 的是基带信号，而非r f 信号，因而它可视为线性化发射机而不仅仅是放大器。 如果所要调制的信号处于基带，那么根据数字通信的有关原理我们可以把输入信 号分为两个正交信号1 ，q ，即i 与q 相互正交，相位相差9 0 度。c a r t e s i a n 环的 基本原理就是对i 、q 两路信号分别加以控制，以获得更为精确的线性，其结构 如图3 - 6 所示。 卜q 调制器 输出 i q 解调器 圈3 - 6 笛卡j b g , 原理图 基带i q 输入信号通过差分放大器加在了j 下交的v q 调制器上，再通过功率 放大级输出。然后，一部分r f 输出信号经过衰减和正交的i q 解调器解调后又 反馈到输入端，与基带输入信号比较两生成功0 调制器的驱动信号。本振频率 源产生的本振信号分成了两路，分别加到主路和反馈支路上，并工作在信道的中 一t l , 频率上。与极化环相比，这种系统的好处在于i ，q 两个正交信道有良好的匹配， 并且增益和带宽对称b 4 1 。 笛卡儿环的优点是易于实现，并且可以采用数字信号处理技术。在最初的设 计中，基带i q 信号通过相移网络来得到，随着廉价d s p 芯片的发展，利用d s p 芯片，可以更容易地生成幅度和相位准确匹配的i ，q 信号。甚至，利用d s p 芯 片，可以对i q 信号进行预失真，从而弥补了r f 电路中的不足。它的缺点是对 相位的错误很敏感，并且射频器件很难实现。 3 2 4 预失真技术( p r e d i s t o r t i o n ) 预失真技术是一种常用的线性化技术，也是目前较有发展前途的一利，技术。 它的基本思想是对放大器的失真进行实时的补偿，即是输入信号通过一个1 f 线性 器件一预失真器，然后再送入非线性功放进行放大输出，通过两者的级联就得到 较好的输入输出线性，对放大器的非线性输入输出特性进行校萨。原理如图3 7 。 预失真器r f 放大器 f ( v ) ) 一a 明匕；j 匕兰坦 图3 7 预失真系统原理圈 射频预失真方法是采用模拟信号处理方式进行预失真，它不能做到自适应； 山于高频电路的温度漂移、电路实现复杂且制造成本高等因素，因此，预失真一 般放在基带或中频电路中进行。目前，基带预失真是一个发展方向，其优点是可 以利用数字信号处理器( d s p ) 技术对放大器输出反馈的信号数据进行计算、处 理，用软件来实现非线性补偿。 l 、r f 预失真技术 射频预失真一般采用模拟器件，电路位于非线性功放之前，处理的是小信号， 对器件电路的要求不高，容易实现。但使用射频非线性有源器件，控制调整比较 难，所以线性指标不高，单独使用无法达到很好的效果。一种r f 预失真技术是 增益和相位补偿方法，将压控衰减器( 或放大器) 和移相器放在信号输入通路上， 然后利用r f 信号包络进行动态调节，来消除与输入信号电平相关的功率放大器 幅度( a m a m ) 和相位( a m p m ) 转换失真。增益和相位补偿的抑制性能还要 受到检波跟踪和控制特性的影响| 2 ”。 另一个r f 预失真方法是使用非线性放大器( n l g ) 产生交调失真互补信号， 来抵消功率放大器失真。这种技术有几种实现途径：最简单的一种是在信号主通 l b 路上放置二极管或晶体管( 常为g a a s ) 网络来校正三阶失真。较复杂的一种是 利用具有相同失真特性的低功率晶体管做成非线性发生器，运用此非线性发乍器 对主放大器进行前馈预失真。同样，此系统也要受到温度和增益变化的影响，也 需要一定的调节控制电路。 2 、基带预失真 【2 6 是利用d