（电力电子与电力传动专业论文）射频功率放大器及其线性化方法研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 ! 苎! ! 苎苎! 鼍鼍! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ii 苎i i ! ! ! ! ! ! 鼍曼! ! ! ! ! 竺詈! 苎! ! ! ! ! ! ! 苎曼 a b s t r a c t r fp o w e ra m p l i f i e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t si nt h em o d e mw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ；i t sp e r f o r m a n c eh a sag r e a ti n f l u e n c eo nt h ew h o l es y s t e m i ti s t h ek e yp o i n tt h a th o wt oi n s u r et h eg o o dp e r f o r m a n c eo ft h el i n e a r i t ya n de f f i c i e n c y b o t hd u r i n gt h ed e s i g np r o c e s so fr fp o w e ra m p l i f i e r t h i si st h eh o tr e s e a r c hd i r e c t i o n o ft h er fp o w e ra m p l i f i e rd e s i g n a st h et a i l e n do ft r a n s m i t t e r , r fa m p l i f i e rh a v et op r o v i d ed e s i r e dp o w e rt o a n t e n n a ，s or fp o w e ra m p l i f i e ra l w a y sr u n si nt h ec o n d i t i o no fl a r g es i g n a l t h u s ，t h e d e s i g nm e t h o da n dc o m p o n e n t sn e e d e da r ed i f f e r e n tf r o ms m a l ls i g n a la m p l i f i e r a l s o ， t h eg o o dp e r f o r m a n c eo ft h el i n e a r i t ya n de f f i c i e n c yb o t hi si m p o r t a n t ，s ot h ed e s i g no f r fp o w e ra m p l i f i e ri sd i f f i c u l t i nt h i st h e s i s ，ar fp o w e ra m p l i f i e rw h i c hb a n d w i d t hi s3 0 1 0 8 m h za n dp o w e r g a i ni s2 5 d bi sd e s i g n e d d u et ot h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n to fb r o a db a n d w i d t h ，h i g h l i n e a r i t ya n dh i g hp o w e rg a i n ，t h eb a n d w i d t hi m p e n d e n c em a t c hm e t h o da n dp o w e r b a c k o f fm e t h o da r ea p p l i e di nt h i sd e s i g n t h er fm o d e lo ft h ec o m p o n e n t s ，t h eb r o a db a n d w i d t hi m p e n d e n c em e t h o d a p p l i e dt r a n s m i s s i o n l i n ea n dt h esp a r a m e t e r sa r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h e s ea r e f u n d a m e n t a lt h e o r i e so ft h er fd e s i g n t h e nw ef o c u so nt h en o n l i n e a r i t yp r o p e r t i e so f r fp o w e ra m p l i f i e ra n di n t r o d u c e ds o m el i n e a r i z a t i o nm e t h o da n dm a k ec o m p a r i s o n a tl a s t ，b a s e do nt h ep r a c t i c a lp e r f o r m a n c ed e m a n d ，ad e s i g ns o l u t i o ni sg i v e ni nt h i s p a p e ra n dr e s u l to fs i m u l a t i o np r o c e s sb ya d s a c h i e v e sd e s i g ng o a l t h ed cs i m u l a t i o n s h o w sb i a sp o i n ta n ds 2 ts i m u l a t i o ns h o w sg a i no ft h ec i r c u i ta r eg i v e ni nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：r fp o w e ra m p l i f i e r , l i n e a r i z a t i o nm e t h o d ，p o w e rb a c k o f f , a d ss i m u l a t i o n i i 潮彬二案大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 日期：叫年岁月沪日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名： 日期：卅年箩月沙日 臌：堕锌七林 日期：，口o 侔厂月7 口日 湖北5 - 业大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 本课题的目的和意义 从日常的移动通信，短距离自动识别系统到军事上广泛应用的卫星通信，无 线通信技术的快速发展正在改变了我们的日常沟通方式，从某种程度上说它也改 变了我们的生活方式。无线通信技术的快速成为信息产业中发展中的亮点，并成 了推动当今社会经济发展的强劲动力之一。具体来说，在通信系统中发射机是必 须的，而发射机必须将一定强度的信号辐射出去才能完成通信过程，所以在发射 机的架构中，射频功率放大器也是不可缺少的。包括诸如移动电话，基站和广播 电视台这样的无线通信系统，作为发射机末端的重要模块，射频功率放大器都扮 演着非常重要的角色。 本文所讨论的射频功率放大器是发射机系统中非线性最强的器件，通常情形 下，为了提高整个系统的效率，射频功放会工作在非线性区附近，这使得系统的 整体性能下降。功率和线性度在射频功率放大器的设计中是一个矛盾点，如何做 到兼顾这两个问题以提高射频功放的整体性能是非常值得研究的方向，高效率高 线性度的射频功率放大器的研制也成为从根本上提高移动通讯硬件系统性能的关 键。 1 2 。国内外研究现状 国内外对射频放大器的设计和线性化方法都进行了广泛的研究，使宽带功率 放大器的研究成为当今的一个热点，并且国内外已有大量的宽带功放产品问世 2 1 。 在卫星通信，导航定位，微波通信等领域，这些理论的研究都得到了广泛的应用。 如何在需要的较宽工作频带内得到良好的线性度和提高效率，是射频功率放 大器设计的难点所在。效率和线性度在射频功率放大器的设计过程中是一对相互 矛盾的问题，往往很难兼顾。对于这个重要的矛盾点国内外的企业和高校都进行 了深入的研究和探索。 国外关于射频功率放大器的线性化技术方面的研究开始的很早。但那时射频 功率放大器的输出功率和带宽都还达不到现在这样的水平，所以非线性程度也较 低，相应的研究进展相对比较缓慢。1 9 2 8 年美国贝尔实验室的h a r o l d s b l a c k 发 湖北工业大学硕士学位论文 明了前馈和负反馈技术并应用到放大器设计中，有效地减少了放大器失真，这被 认为是功放线性化技术研究的开端。但那时主要是从器件本身性能的角度来提高 功率放大器的线性度，所研究的功率放大器频率也较低。到上个世纪七八十年代， 随着无线通信技术的兴起和飞速发展，射频功率放大器的线性化技术也随之迅速 发展。一些新兴的功放线性化技术，如笛卡尔环路反馈技术，自适应前馈线性化 技术，基于查找表的数字预示真技术等得到广泛的重视和发展，在这样的情况下 出现了一系列的实用专利。 国内对功率放大器线性化技术研究也越来越得到重视，东南大学，西安电子 科技大学，电子科技大学，浙江大学和华中科技大学等院校都进行了这方面的研 究。在企业界，中兴和华为等通信领域的知名公司也进行了线性功放的研制并取 得了一定的成果1 2 5 】；而且出现了一系列相应的辅助技术和使用器件，如功率合成 和分配技术，宽带匹配技术。 关于射频功率放大器的实际模块的发展，在成都，西安等地区出现了很多专 门研发和制造功率放大器的厂商，其主流产品的带宽和输出功率还有线性度等技 术指标日益提升，现在出现了带宽为3 0 5 1 2 m h z 的宽带放大器，其输出功率可以 达到1 0 0 w ，既5 0 d b m ，且三阶互调指标达到3 0 d b c 左右。国外的专业厂商公司推 出了l 波段倍频程宽带功放模块能提供1 5 w 的功率，这种功放模块有两种工作状 态，状态一为线性放大器，输出功率为1 0 w ，状态二的典型效率为5 5 ，输出功 率为1 5 w 且提供1 2 d b 的小信号增益和较宽的瞬时带科5 1 。 1 3 内容安排 全文首先分析了元器件的高频特性，并介绍了关于射频功率放大器的一些基 本理论。然后分析了射频功率放大器中非线性失真产生的原因并介绍了各种线性 化的方法。接着介绍了射频功率放大器的技术指标，分析功射频放大器的设计方 法，最后提出了一种设计方并使用a d s 软件仿真。具体内容安排如下： 第一章为引言部分 阐述研究意义和目前的研究现状 第二章为射频放大器的理论基础 首先分析无源器件的高频特性，然后分析有源器件也就是功放管的等效模型。 介绍射频2 端口网络的s 参数。最后分析阻抗匹配的基本原理，分析传输线变压 器原理以及如何利用传输线变压器实现宽带匹配。 第三章为功放非线性分析 2 湖北工业大学硕士学位论文 首先介绍功放非线形产生的原因和数学模型，然后分析非显形引起的失真和 对功放性能指标的影响 第四章介绍主要的线性化技术，共分为四种：功率回退技术，负反馈技术， 预失真技术，前馈线性化技术，并做出比较。 第五章为射频功率放大器的主要技术指标和类型 介绍射频功率放大器的主要技术指标和类型。 第六章为功率放大器的设计和仿真 分析技术指标，设计阻抗匹配和偏置电路，提出设计方案并进行仿真。 湖北工业大学硕士学位论文 _ i l _ l 曼蔓苎鼻! 鼍! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! i i 二i 二i i i i ! 苎! 苎! ! ! 苎 第2 章射频放大器的理论基础 2 1 射频无源器件的分析 射频放大器中的无源器件主要是电阻，电容和电感。在射频放大器的重要组 成部分如偏置电路，反馈电路和一些匹配电路中，这些无源器件是必不可少的。 虽然这些无源器件在低频信号下工作的特性非常简单，但是在射频段，随着信号 频率的升高，这些器件的特性发生了较大的变化。所以我们在设计射频线路时必 须考虑这些器件的高频特性，下面分别分析电阻，电容和电感的高频特性n 1 。 ( 1 ) 电阻的高频模型 如图2 1 所示，在高频信号下工作的电阻，会呈现分布电容和引线电感的效 应。其中分布电容并联在电阻的两端，而引线电感串联在电阻同一支路中。 l 图2 1 电阻的高频等效电路 随着信号频率的上升，分布电容对高频信号旁路，使电阻的标示值下降。而随 着频率的升高，当频率达到f ： 1 时，电阻呈感。所以在电路设计中，应该 h 0 l c 根据工作频率合理的选择电阻。 ( 2 ) 电容的高频模型 射频电路中，电容一般用在滤波，匹配和晶体管的偏置等电路中。 苒 点h 一卜。w 卜一l 一 图2 2 电容的高频等效电路 如图2 2 所示，在频率增加时，电容器上的引线电感，将会改变电容的特性， 尤其是当电容和引线电感形成串联谐振时，电容总电抗为零。另外频率高于串联 谐振频率时，电容器的特性呈感性。所以在设计电路时，信号频率应低于其串联 谐振频率；电容值越大，串联谐振频率越低，电容越容易趋于感性，这是需要特 别值得注意的地方。 4 湖北工业大学硕士学位论文 ! i ii i i ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = = = = = = = = = = = = ! 暑詈! ! ! ! ! = ! ( 3 ) 电感的高频模型 电感在射频线路中的应用没有电容那样广泛，一般被用在晶体管的偏置和一 部分匹配电路中。电感的高频模型如图2 3 所示，其中c 为寄生电容，r 为线圈电 阳。 图2 3 电感的高频等效电路 当通过电感的信号频率接近谐振频率时，等效电路的阻抗迅速上升，在谐振 时的阻抗无穷大，但由于实际上串联电阻的影响，阻抗的最大值存在上限。通常 d ，墨 我们用品质因数衡量电阻的影响： r 其中x 表示电抗，r 表示线圈串联电阻。 当频率继续升高的时候，寄生电容c 成为主要影响电感特性的因素，使等效电路 的阻抗减小。 2 2 有源器件的等效模型 功放管是射频放大器的核心部件，放大器的功能就是将较小的输入电压，电 流或者功率信号转化为较大的输出信号。功放管通过偏置电路提供直流电源，将 直流能量转化为交流能量来实现这一功能。为了描述这一过程中晶体管的信号电 压电流成分之间的关系，我们希望用一个由基本理想元件组成的电路来等效表示 晶体管，这样的等效电路就是晶体管的等效模型。 我们最熟悉的模型，就是采用共射h 参数的b j t 低频小信号模型，这一模型 在低频小信号分析中得到广泛应用。如图2 4 所示，在这一模型中，晶体管被等 效为一受控电流源，集电极电流i o = pi 。，这一等式反映了晶体管的放大作用，合理 的描述了在低频小信号情况下的晶体管的输出特性。 5 湖北工业大学硕士学位论文 口 图2 4b i t 低频小信号模型 此模型没有考虑反偏集电结电压的变化对i 。和i 。的影响，这一模型只明确的 表示了v h 对集电极电流的控制作用，但是无法表示更加复杂的情况。所以，此模 型只适合在低频小信号的情况下计算放大器的增益等指标。上述的小信号模型在 在实际的工程实践中就显得过于简易了。通常我们设计实用的功能电路时，都会 进行相应的仿真。在很多电路仿真软件中，采用的是能反映晶体管的总电流电压 关系的e b e r s - m o ll 模型，和基于e b e r s - m o ll 改进后的g u m m e l - p o o n 模型。 ( 1 ) e b e r s m o l l 模型 这种模型是常用的进行大信号分析的模型，虽然此模型很早就被引入，但是 对于理解基本的模型要求和把它扩展成更复杂的大信号模型，它依然具有重要作 用。图2 5 为e b e r s - m o l l 模型电路。 d 一 a 竹f ee 图2 5e b e r s - m o l l 模型电路 在此模型中存在正向和反向极性下连接的两个二极管，图中的两个受控源是 由电流控制的，这两个二极管在基极接触那一部分会互相耦合。其中电流增益的 正向和反向典型值分别为口f ：0 9 5 0 9 9 口f o 0 2 - 0 0 5 。且由图中我们可以看到： i e - - ar r i i f ，i c = af i f i r 。 根据正向和反向激活模式的区别，这种模型有两种不同的化简形似： 如图2 6 所示在正向激活模式下， 0 i v ，v 呱= 0 7 v 。此时基极集电极二极 管反向截止，基极一发射极二极管导电。此时有i 产o ，o t 。i r = 0 。因此可以忽略基极一 6 湖北工业大学硕士学位论文 ! ! ! ! 。；i ；i i 。二二in 二i 一一一 一一曼m ! ! ! ! ! ! 曼 集电极二极管和基极一发射极电流源。 图2 6 正向激活模式 如图2 7 所示在反向激活模式下，v 晓 0 i v ，v 萨0 7 v 。此时基极一发射极二极 管截止，基极一集电极二极管导电。则i f - 0 ，口f i f o 。基极一发射极二极管和基极一 集电极电流源忽略不计。 图2 7 反向激活模式 ( 2 ) g u m m e l - p o o n 模型 因为具有特殊的结构和不同的工作原理，m e s f e t 功放管的等效模型一般结构 如图2 8 所示h 3 。和e b e r s - m o l l 模型类似的是该模型的关键部分也是两个二极管 和与漏源栅极相连的电流源，其中输入电压在漏极一源极电容产生压降，控制漏极 电流。c o ，r 。表示晶体管的等效输出阻抗。 n r 图2 8m e s f e t 管的有源等效模型 如果晶体管工作在小信号状态，模型中的两个二极管处于反向偏置状态，可 7 湖北工业大学硕士学位论文 以用高值电阻等效，但一般直接删去不予考虑。 此等效模型合理的描述了晶体管工作时的电压电流关系，在设计功率放大电 路时，我们通常首先会进行电路仿真。电路仿真的第一步，就是要根据器件的数 据手册所给的参数建立器件的模型，进而进行直流仿真和交流仿真。所以合理的 有源器件模型是非常重要的。 2 3 双端口网络的s 参数 分析低频电路网络时，我们通常使用的网络参量是z 参数和y 参数。这些参 数用来描述在低频段时的电压电流的输入输出关系是非常方便的。我们知道在测 量这些参数的过程中通常需要短路或开路输入输出端，但是工作在在射频段的电 路中，如果我们将输出端口短路，由于高频寄生参量的产生和器件间的偶合，电 路很容易产生寄生振荡损坏器件。另外，我们也很难找到恒定的射频电压源和电 流源。在这样的情况下，引入s 参数来分析高频电路网络就非常必要了。 s 参数以入射和反射的概念来表示，它被成为散射参数。它利用入射电压波和 反射电压波的关系来定义电路网络的输入输出特性。定义归一化入射波( a ，a 。) 和 归一化反射波( b 。，b ：) 如图2 9 所示： - - - - - _ 一 双端口网络 + _： 图2 9s 参数入射波和反射波示意图 此时描述二端口网络的方程如式2 1 所示： 刖霎瑚翻 ( 2 1 ) 其中s l l ，s 1 2 ，$ 2 1 ，$ 2 2 ，称为网络的s 参量，他们组成的矩阵称为s 矩阵 或者散射矩阵 各s 参数的含义由式2 2 ，式2 3 ，式2 4 ，式2 5 式可知： 乳z 1 。= 器器 口。l 塥l j 八鄹溅 s z - 4 a l a l 一器 1 塥u 八期溅 8 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 湖北工业大学硕士学位论文 。 b 2l 2 端口反射波 姚。寸“2 蕊谳 ( 2 4 ) 。 b ll 1 端传输射波 跚22 磊l 口i - 户磊瓦l - i 两蔽 f9e 、 口2 。z 骊八另j 饭，) e 、 具体到射频放大器中，s 。为顺向传输增益；表示输出对输入的增益。s 为输 入反射系数表示输入端的反馈损耗。这是两个比较重要的参数，可以表征放大器 的增益和损耗这两个重要指标。另外，s ，：为逆向传输系数，代表输出端和输入端 的隔离；s 毖为反射系数，代表输出端的反射系数。s 参数的具体计算上，通常以 d b 值表示，如is 。i = 2 0 1 9 fs 。i 。 在实际设计射频功率放大器时，根据s 参数我们可以判断系统是否稳定。而 且我们可以根据s 参数的值优化放大器的增益和输入匹配电路瞳1 。在工程实际中， 许多器件厂商并不提供大信号器件模型，通常只提供器件的小信号s 参数和静态 i v 曲线。功率放大器本质上是大信号器件，因为它们工作在功率饱和点附近，处 于非线性区。在大多数情况下，我们进行有源器件仿真时，只有厂商测量的小信 号s 参数。从器件的静态i v 曲线决定大信号的负载阻抗，然后根据仿真结果优化 输出电路，获得最大的射频功率输出。 2 4 宽带匹配问题和传输线变压器 2 4 1 匹配电路的作用 射频功率放大器中，我们关心的首要问题是如何在输出端得到尽可能大的功 率。为了达到这一目的，我们首先来回顾由电阻，电感和电容组成的串联电路。 如图2 1 0 所示： 图2 1 0 串联谐振电路 我们知道，此电路在串联谐振时，对信号源而言电路的阻抗为一纯电阻，此 时有z = j6 0 l = i j ( i ) c ，并且此时电路两端的阻抗最低，等于串联电阻的值，所以电 路的电流i 取值很大。甚至在极端情况下，去掉电路中的串联电阻时，理论上电 9 湖北工业大学硕士学位论文 路的等效阻抗趋近为零，且电流趋近于无穷大。那么相应的，此时电路的功率也 能取到一个较大值。 回到刚才的问题上来，我们如何在射频放大器的输出端得到尽可能大的输出 功率昵? 根据刚才对基本串联r l c 回路的分析，我们可以定性的理解，当我们在 放大器的输出端加上一个由电容和电感元件组成的电路网络，使输出端和负载在 某一特定频率点上谐振时，我们能够得到最大的功率传输，显然此时信号源阻抗 和负载阻抗是共轭相等的。我们称所加的这一电路网路为匹配电路，这样的匹配 称为共轭匹配。在此我们看到，匹配电路的作用就是实现了阻抗变换。 一般来说，晶体管的输入输出阻抗都比较低，匹配网络还应该具有阻抗变换 的作用，将标准的5 0q 阻抗变换到所需的阻抗值。具体到实际中，匹配电路的作 用不仅仅是实现最大功率的传输，还应该具备如减小噪声干扰，提高频率响应的 线性度等问题。而且，频率对匹配网络的设计具有很大的影响，如何设计匹配网 络使在较宽的频带内，放大器的增益变化满足实际需求，实现宽带匹配，这些都 是我们需要考虑的问题。在射频功率放大器中，输入输出和级间匹配电路应该基 于特定的匹配功能而遵循不同的设计原则口1 。 2 4 2l c 网络匹配 l c 阻抗匹配网络又称为集总元件网络匹配，利用分立的电阻，电容和电感实 现阻抗匹配。这样的阻抗匹配网络适用于g h z 频段的低端和更低的频段啼1 。 此种匹配网络通常具有三种形式，分别是l 形双元件匹配网络，t 形匹配网络 和万形匹配网络。其中双元件l 形匹配网络具有恒定的q 值，如果选用双元件l 形网络进行阻抗变换，就应该考虑恒定q 值对电路的影响，而使用三元件匹配的t 形和石形网络，则是增加一个元件对匹配后阻抗的电抗起补偿作用，因而q 值可以 根据需要调整。而且三元件匹配网络的带宽较宽，但会以降低电路的q 值为代价。 下面首先分析双元件l 形匹配网络。 双元件l 形匹配网络： 如图2 1 l 所示，在特定频率点f o 上，利用双元件l 形网络实现p , o nr 。的阻抗 变换，r i n = r 。| lx 。+ x ：则有： 石。风l 。兽 v 尺1 一尺2 ，l 一1 ( 2 6 ) x 2 2 尺- ( r l r 2 ) 尺2 ，z 一1 ( 2 7 ) 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 电路在f o 处的q 值为：0 0 = 历 r 1 = r 1 i n 图2 1 1 双元件l 型匹配网络 其中n 为传输比，x 。x ：= r ：r 2 ，此处x 。和x ：反号，若x 。为电容元件，则x 。为电 感元件。可以看到，电感或电容元件位于x ，和x ：不同位置时，l 形网络具有高通 和低通两种特性，在设计电路时，这一点要考虑到。 2 4 3 三元件匹配网络 万型和t 型网络是在双元件网络中增加一个节点，即增加一个无源元件，通过 降低匹配电路的品质因素来获得较宽的带宽。类似于双元件l 形匹配网络的匹配 原理，本质上讲从z l 到z s 的阻抗变换过程还是求解二次方程。石型和t 型网络可 以与任何输入输出阻抗实现匹配，带宽可以较宽。石型和t 型网络的具体形式如图 2 1 2 所示，其中的元件可以是电容也可以是电感。需要注意的是：采用降低节点 的品质因数的措施并不能无限制的增加带宽。 c lc lc z l z s 图2 1 2 三元件匹配网络 2 4 4 传输线变压器宽带匹配 我们知道l c 回路都具有选频特性，当l c 谐振回路作为负载时，电路的频带 宽度相对工作频带频带宽只有百分之几甚至千分之几，而射频功率放大器往往需 要工作在很宽的频率范围内。因此很难利用l c 网络进行宽频带的阻抗匹配。 具有选频能力的谐振回路不适合作为宽带功率放大器的负载，因为此类负载 的工作频带一般很窄。因为工作频带的原因，宽带网络或阻性负载作为宽带放大 器的负载是比较合适的，问题是这可能导致输出信号产生的谐波抑制达不到技术 指标。出于效率方面的考虑，一般宽带放大器适合工作在的甲类或甲乙类，而且 射频功率放大器的输入阻抗及输出阻抗随频率变化很大，于是如何进行宽带阻抗 湖北工业大学硕士学位论文 匹配就成为设计宽带射频功率放大器的关键点。传输线变压器能实现宽频带内的 阻抗变换，下面将详细分析传输线变压器的原理和在阻抗变换方面的应用。 2 4 5 传输线变压器的结构和原理 传输线变压器是由同轴电缆，双绞线或带状线缠绕在导磁率较高的磁环上构 成的，它是两根等长的相距很近的平行线1 。 1 广 厂2 u 1u 2 3 r 1 4：x 二 图2 1 3 传输线变压器等效示意图 如图2 1 3 所示为传输线结构的示意图，当两根等长的导线紧靠在一起时，由 于高频信号的作用会形成较大的线问电容c ；这两根导线同时又是缠绕在一根高导 磁率的磁芯上，所以导线间还存在相应的分布电感l 。因此传输线变压器可以看作 是电容和电感组成的耦合链。传输线变压器在高频工作时，线圈的分布电感和分 布电容被作为储能元件使用，能量的传输是以电磁波在传输线上传播这一方式实 现。如果将传输线理想化的认为是无损的且匹配程度良好，则任何频率的功率信 号，除去热损耗都能传输到负载上。理想的无损传输线具有很高的上限频率，而 在低频段，传输线上的分布电感和分布电容的储厶匕v - , 厶匕b e 力下降，此时它相当于一个 变压器。 传输线变压器在高频段工作时，其两端的电流电压关系如式2 8 和2 9 所示n 3 ： 11 u 2 。三l + ，盔k 一胆+ 三( u 1 一h z 。) e j a l 2 2 ( 2 8 ) ，z 一去妙+ ，么k 一胆一去妙，一，么k 脾 ( 2 9 ) 其中，z c 为传输线特性阻抗，b 为相移常数，l 为传输线长度。在高频段， pl 很小，所以近似有：u i _ u ：，i l - i 。 2 4 6 传输线变压器实现的阻抗匹配 换。 利用刚才的结论，下面来分析如何利用传输线变压器实现一个l ：4 的阻抗变 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 冲 2 i 呻1 2i 图2 1 4l ：4 阻抗变换原理图 如图2 1 4 所示，将传输线变压器的1 端和4 端短接，信号从l 端输入，在2 端输出。显然在传输线变压器上，1 3 两端和2 4 两端的电压相等，且传输线上的电 流相等。既i 。= i 伽因为1 4 端短接，所以u 。3 = u 。= u ，而输出端的电压u l - u ：。+ u 。= 2 u ， 电流i 。= i 。在输入端，电压u 。= u 。，流经1 端的总电流为i 。= 2 i 。所以阻抗变换比 如式2 1 0 所示： n 。一u , r , 。l 。1 ：4n 一l 1 1 ： u , z 工2 1 2 u ( 2 1 0 ) 如果将上面的电路稍微变化，将2 3 端短接，1 4 端断开，则上述电路变成4 ： 1 的阻抗变换器。利用不同的接法，用传输线变压器能方便的实现l ：n 2 的阻抗变 换。特别值得注意的是，分析此类电路的原则，就是在高频段传输线变压器两端 的电压近似相等，流经传输线上的电流也近似相等，只是两根传输线上的电流方 向相反。 除了进行阻抗变换，传输线变压器还有一个重要应用就是宽带单端一平衡变换 器。平衡变换器的作用是将单端信号源的输出功率分为相等而反相的两部分，送 至平衡负载；或反过来，将平衡输出变为单端输出。在推挽式放大器中，经常要 配合单端一平衡变换器来进行功率的分配和合成。应用传输线变压器实现的单端一 平衡变换器的分析方法上，本质还是在高频段传输线变压器两端的电压近似相等， 流经传输线上的电流也近似相等。只要抓住这一原则，类似的电路都不难分析和 设计。 2 5 本章小结 本章主要介绍射频放大器相关的基本理论。首先分析了无源器件在射频段工 作时受到的影响和需要注意的问题，然后介绍了有源器件也就是晶体管的等效模 型。s 参数是一组和功率相关的参数，在射频电路的分析和设计中得到广泛应用， 湖北工业大学硕士学位论文 本章也做出相应介绍。最后，本章分析了阻抗匹配问题，分析了双元件三元件匹 配和使用传输线变压器实现阻抗变化的原理。 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章射频功率放大器的非线性分析 理论上理想的射频功率放大器，在工作频带内应该具有固定不变的线性增益 和固定相移。但是在实际应用中，完全线性的增益是不可能的，这是因为为了追 求高效率，功率放大器中的晶体管通常工作在饱和区附近的非线性区域。这时功 率放大器是一个非线性系统，会产生各种非线性失真。在射频放大器功率放大器 的设计中，效率和线性度是很难兼顾的矛盾点。 射频放大器在理论上时被期望是具有无记忆效应特性的。输出响应只由当前 时刻的输入信号决定，而与前时刻的输入信号无关，具有这样输入输出特性的系 统被称为具有无记忆效应。但是功率放大器都具有或多或少的记忆效应，也就是 说其输出信号不仅与当时在输入端的信号相关，也同过去某个时段的输入信号有 关。本文只讨论无记忆的放大器。 实质上来讲射频功率放大器都是非线性的，也就是说输出信号中包含非线性 引起的失真分量。本章分析各种射频功率放大器的非线性模型，并基于这样的模 型分析射频功率放大器的各种重要的非线性指标。 3 1 多项式非线性模型与非线性幅度失真 3 1 1 多项式非线性模型 在实际的射频功率放大器中使用的器件，比如晶体管，都具有非线性。这样 的非线性会使输出端产生比输入端更高阶的输出信号。具体来说，射频放大器的 输出信号中会存在基波的各次谐波：在无记忆系统中，非线性的输入输出关系可 以利用泰勒级数来描述。利用泰勒级数可以将输出信号用输入信号的功率序列表 示，这就是多项式非线性模型。此节中，我们主要分析幅度的非线性失真问题， 故忽略相位的影响。相位的非线性失真将在第二节讨论。 设输入信号为m a c o s o j t ，输出信号为v o 则： v otc l + c 2 k 2 + c y , 3 + c 4 k 4 + c 5 k 5 + f31 、 式中v t 为输入基波，v ，。为输入信号的高次谐波，输入信号各次谐波的系数用 c t 表示。可以看到，当信号通过非线性系统时，会产生频率为基波倍数的高次谐波。 显然这些高次谐波会带来新的频率成分，对我们需要得到信号的幅度造成影响。 1 5 湖北工业大学硕士学位论文 以下将详细分析这一问题。 3 1 2 非线性幅度失真 3 1 2 。11d b 压编点 根据式3 一l ，将输入信号k ；a c o s 耐代入，进一步展开，z 。，1 0 式3 2 v o c l k + c 2 k 2 + c 3 k 3 + c 4 k 4 + c 5 k 5 + 。! c 2 a 2 + ( c 1 a + 3 c 3 a 3 1 c o s o ) t + ! c 4 2 c o s 2 耐+ ! c 3 a 3 c o s 3 耐+ 2 q 24 ( 3 2 ) 从式3 2 可以看出，输出信号中除了。以外，还增加了直流，26 0 。，36 0 。等新 的频率成分。我们在此首先分析。的非线性效应。可以看到基波c o s 。的振幅不 为期望中的c , a ，而是c 谢+ j c 谢3 ，如果c o ，则被称为增益扩张现象。射频功率放大器是增益压 缩的，增益扩张现象在实际电路中很少出现，所以在此我们不做详细分析。嘲 p o 图3 1 射频功率放大器的输入输出功率关系图 图3 1 为射频功率放大器的输入输出功率关系图，可以看到随着输入功率的 不断增大，晶体管的工作区域逐渐接近非线性区，当晶体管输出功率不再具有线 度而压缩l d b 时，此时输出信号的功率为放大器的l d b 压缩点，记为p 。 1 6 湖北工业大学硕士学位论文 3 1 2 2 谐波失真 根据多项式非线性模型，功率放大器因工作在非线性区会产生一系列谐波。 和l d b 压缩点一样，谐波失真也是射频功率放大器的一个重要指标，它用来衡量 落在射频放大器工作频带内的高次谐波对放大器性能的影响。 设输入信号为：m c o s t o t ，根据式3 1 ，则有： v o c l c o s a , t + c 2 c o s 2t o t + c 3 c o s 3 t o t + c 4 c o s 4 r o t + c s c o s 5t o t + ( 3 3 ) 将式3 - 1 进行傅立叶变换，则在频域中可以直观的看到，输出信号除了我们 需要的基波成分外，还产生了高次谐波成分。如图3 2 所示。 p o u t t 图3 2 非线性高次谐波频域输出 工作频带很窄的射频功率放大器，高次谐波成分都不存在与工作频带内，我 们还可以用滤波器处理这些谐波成分。相对于基波信号，滤波器通常可以使谐波 降到6 0 d b c 以下n 1 ，因此这些谐波不会使系统性能变坏。但是工作频段很宽的功率 放大器，这些谐波成分必然会落在工作频带里，而且这些谐波无法用滤波器处理。 直流工作点和电路结构的合理设计可以适当抑制高次谐波的产生，但是仅使用这 样的方法的谐波抑制的效果是很有限的。 谐波失真大小由式3 4 计算： p h d 一1 0 1 9 詈 ( ( d b c ) ( 3 4 ) 式中h d 。为n 次谐波失真，单位为d b c ，p 。为基波信号输出功率，p 。为n 次谐 波输出功率。 谐波失真和放大器的工作频带有密切关系，窄带射频功率放大器的谐波失真 指标可以降到很低，可以不考虑；而宽带射频功率放大器的谐波失真指标大约在 一2 0 d b c 左右，有的可能还要差n6 1 。谐波失真还和放大器的功率有关，在设计小功 率放大器时由于输出功率较小，晶体管的非线性也较小，可以不考虑谐波失真这 湖北工业大学硕士学位论文 项技术指标，但是在大功率放大器中必须考虑。 3 1 2 3 互调失真 单一特定频率信号通过射频功率放大器产生的非线性失真可以用谐波失真描 述，但是实际应用中输入信号可能是两个不同频率的信号，此时会产生什么样的 失真现象呢? 互调失真描述了这一过程的非线性失真。具有不同频率的的输入信 号经过功率放大器而产生的混合分量引起的非线性失真，称为谐波失真。 如式3 5 ，设输入射频功率放大器的信号为不同频率的双音等幅信号： m a c o s w f f + a c o s e a 2 t ( 3 5 ) 根据多项式非线性模型展开，则： 忆一c 1a c o s t 0 1 t + 彳c o s 西) + c 2 c o s 口+ a c o se a 2 t ) 2 + c 3 ( a c o s 0 7 口+ a c o s c 0 2 t ) 3 + c 4ac o s o ) f f + a c o s 0 7 2 ) 4 + c 5a c o s o j 缸+ a c o s t o z t ) s + ( 3 6 ) 若忽略幅度较小的5 次以上谐波，将式3 4 展开后进一步化简则可以得到各 次互调谐波的系数如表3 1 所示。 表3 1 各次互调谐波系数表 c 2c 3c 4 1 1 2 1 2 l 9 4 9 4 3 4 3 4 1 4 1 4 9 4 2 2 3 3 4 1 2 1 2 1 8 2 5 4 2 5 4 2 5 8 2 5 8 2 5 1 6 2 5 1 6 1 8 ： 圪 屹 屹 屹 北 叭 呲撕撕一一一撕撕一一一 d “ ， n “ ， 肌 撕 扎 。 湖北工业大学硕士学位论文 由表3 1 可以看出，当输入信号为双音等幅信号时输出信号包含了直流，c o 。， c o ：，。，2 。( - ) 。等一系列的丰富频率信号。我们称这样的信号为互调分量， 其中3 阶互调分量2 m 。一( 1 ) 2 和c o 一2 ( i ) 2 和与基波信号角频率0 ) 1 和( 1 ) 2 非常接近，因此 3 阶互调分量在设计射频放大器时必须充分考虑。虽然5 阶互调分量也是值得考虑 的干扰信号，但它的幅度比3 阶互调分量要小得多，对系统造成的影响不大。 如式3 7 ，在此3 阶互调系数的定义为： 3 阶互调系数 m 3 - 1 0 l g - 鲁l ( 3 7 ) 式中3 阶互调系数的单位为d b c ，p 。是角频率t 1 ) 。和( 1 ) 2 的基波信号输出功率；p 3 是3 阶互调频率2 0 ) 。一( 0 2 和2 ( 1 ) 2 一t 1 ) 的3 阶互调功率；3 阶互调系数是衡量射频功 率放大器非线性的一项重要指标，不同的系统对它的要求是不一样的。双音输入 已经可以表征射频功率放大器的非线性特征，更加复杂的多音信号输入的情况一 般不应用在通常的测试中，所以不做讨论。 p 图3 3 三阶互调失真频谱示意图 1 9 湖北工业大学硕士学位论文 3 2 极坐标模型和非线性相位失真 本章的第一节讨论了非线性幅度失真的问题，这一节主要讨论非线性相位失 真的问题。多项式非线性模型描述了非线性幅度失真，利用极坐标模型可以描述 非线性相位失真。 3 2 1 极坐标非线性模型 考虑输入信号的相位，设输入信号为：ml a c o s ( 甜+ 刚 当输入信号通过射频功放后，输出信号为：v o l f ( a ) c o s ( o 西+ 口+ g ) ) ( 3 8 ) 如果输入信号是调幅信号，既m ，0 ) c o s ( 研+ 口( f ) ) 则上述模型依然适用羽。此时输出为：k _ f a q ) l c o s c a + o q ) + g a ( t ) )( 3 9 ) 式3 8 中，f ( a ) 和g ( a ) 分别描述了信号通过功放这一非线性系统后的幅度失 真和相位失真。幅度失真这一问题利用多项式非线性模型在前面已经讨论，此处 我们将重点讨论非线性相位失真问题。 3 2 2 非线性相位失真 从图3 4 可以看出，当信号通过射频功放时，信号的相位产生了不恒定的相 移，且相移大小随功率的大小变化。相移失真是增益压缩的表现结果，随着输入 功率的增加，当晶体管工作于接近饱和区的时候，相位失真将非常严重。在通信 系统中，相位失真将导致系统的交调失真等性能恶化，同时相位失真还会在输出 信号中带来调相分量并产生杂波干扰。从图3 4 还可以看出输出信号的相位随输 入信号增加的变化趋势。 2 0 湖北工业大学硕士学位论文 i _ mi ii i i i ii_in1 1 3 3 本章小结 图3 4 相位失真示意图 本章介绍了描述射频功率放大器非线性失真的多项式非线性模型，并利用这 样的模型分析了非线性失真对射频功放技术指标造成的影响。其中，多项式非线 性模型描述了射频功率放大器l d b 压缩点和谐波分量还有互调分量产生的原因和 对射频功放性能造成的影响。极坐标模型描述了射频功率放大器中存在的调幅一调 相效应和非线性相位失真对射频功放的性能影响。 2 1 湖北工业大学硕士学位论文 第4 章射频功率放大器的线性化技术 前一章的内容，我们对射频功率放大器的非线性特点和产生的原因进行了分 析。可以看到对于高功率的射频放大器来说，设计的核心问题就是在输出端得到 尽可能大的功率的前提下，尽量满足系统要求的线性度。实用的射频放大器中， 为了追求较高的工作效率，晶体管往往工作在靠近饱和区的非线形区，在前一章 的分析中我们可以看到，这种非线性特性就会引入谐波成份，这些谐波成份不但 降低了信噪比，而且也常常会引起信道间的串扰，非线性失真产生的带内和带外 干扰会使信号的幅度和相位发生偏移，导致频谱扩展并恶化误码率。非线性失真 还使系统的数据率下降而降低了系统的容量，或使系统信道频率间距变大而使系 统的频谱利用率下降嘲。 输出功率线性度和效率是设计射频功放的主要矛盾，在射频功率放大器设计 中的关键性问题的解决，也都是围绕着输出信号的线性度指标来展开的。针对这 一问题，各种各样的线性化技术己经越来越受到国内外无线通信系统设计者们的 关注，无