（电路与系统专业论文）数字集群系统中的线性功放研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 无线通信是当今热门的重点科技领域，无论在个人手机或基站通信系统等民 用通信系统还是政府机关用指挥调度系统方面，功率放大器作为射频模块中的关 键组件，其线性度、输出功率以及效率很大程度上影响着无线系统中的信号品质 及通信距离。 高功率放大器的线性度与效率向来是一对矛盾的指标，本设计采用自适应前 馈线性化系统来改善高功率放大器的线性度，在效率上也略有提高。由于加入自 适应控制模块，射频电路外界因素的影响相对减小，能够提供稳定而高效率的射 频功率输出。 本系统将自适应控制与射频线性化系统有机地结合，同时加入了同轴腔线性 相位滤波器来代替传统的延时线，并分析了谐波阻抗匹配对木级功放的输出功率、 效率以及三阶交调等功放的性能的影响，结果表明功放输出功率不变的情况下， 效率略有0 5 的提升，三阶性能改善约l d b 。 经双音测试证明，本系统在输出总功率为4 3 d b m 时，三阶交调约为5 4 d b c ， 较未加入线性化系统前改善了2 2 d b ，系统总效率约为1 8 。 关键词：功放，线性化，前馈，谐波阻抗匹配，同轴腔线性相位滤波器 a b s t r a c t a b s t r a c t h i g l lp o w e rl i n e a ra m p l i f i e r sa let h ek e yc o m p o n e n t so fs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s ， w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s , h i s hc a p a c i t yn u m e r a lm i c r o w a v ec o m m u n i c a t i o n s ，c a t v , w l a na n do t h e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e r n s a n dm 曲e f f i c i e n c ya n dl i n e a r i z a t i o na l et h e m a i nr e q u i r e so ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m st ot h ep o w e ra m p l i f i e r s m o s to ft h ep o w e r a m p l i f i e r su s i n gi nt h em i l i t a r ys y s t e m st o d a ya r ei m p o r t a t i o n sa n dt h ea r m yn e e d st h e h o m e m a d el i n e a rp o w e ra m p l i f i e r su r g e n t l y i nt h i sp a p e r , w ec o n s i d e r e db o t he f f i c i e n c ya n dl i n e a r i z a t i o n ，a n dt a k et h es c h e m e o fs e l f - r e a c t i o nc o n t r o lm o d u l ea n df e e d - f o r w a r dt e c h n o l o g i e st oi m p r o v et h eh i g l l p o w e ra m p l i f i e r sl i n e a r i t y b e c a u s eo ft h es e l f - c o n t r o ls y s t e m ，t h el i n e a r i z a t i o np o w e r a m p l i f i e rs y s t e mc a l lw o r ks t e a d i l yi nd e f i a n c eo ft h ec h a n g i n go ft e m p e r a t u r ea n dt i m e i tm a k e st h es y s t e mm o r ep r a c t i c a b l ya n de x p e n d st h eu s eo ft h el i n e a r i z a t i o n s y s t e m t h ee f f e c to fh a r m o n i o u si m p e d a n c em a t c h i n go fp o w e ra m p l i f i e rh a sb e e n r e s e a r c h e d ，t h ee f f i c i e n c ya n di m d 3h a v eao 5 a n dld bi m p r o v e m e n tr e s p e c t i v e l y r e s u l t sa r e g i v e n f o ras e r i e so ft w o - t o n e si n t e r - m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n m e a s u r e m e n t sa n dt h ei m d 3i s 5 4 d b c i ti ss h o w nt h a ta2 2 d bi m p r o v e m e n ti nt h e i n t e r - m o d u l a t i o nm a r g i nc a nb ea c h i e v e dw h e nt h ea m p l i f i e r so u t p u ti s4 3 d b m a n d t h ee f f i c i e n c yo ft h ew h o l es y s t e mi s18 k e yw o r d s ：p o w e ra m p l i f i e r , l i n e a r i z a t i o nt e c h n o l o g i e s ，f e e d f o r w a r d ，h a r m o n i o u s i m p e d a n c em a t c h i n g ，c o a x i a lc a v i t yl i n e a rp h a s ef i l t e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 关于论文使用授权的说明 箩月日 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期：砷年j 月6 e l 第一章引言 第一章引言 集群【l 】是从英文t r u n k i n g 或t r u n k e d 意译过来的，t r u n k 本意为中继或干线， 从t r u n k e d 的含义来说，应该是“系统所具有的全部可用信道都可为系统的全体用 户共用，即系统内的任一用户想要和系统内另一用户通话，只要有空闲信道，他 就可以在中心控制台的控制下，利用空闲信道沟通联络，进行通话。移动通信网 分公众移动通信网与专业移动通信网两大领域，专业移动通信系统是在给定业务 范围，为部门、集团服务的专用移动通信系统。 数字集群通信网是二十世纪末兴起的新型移动通信系统，它除了具备公众移 动通信网( g s m 、c d m a ) 所能提供的个人移动通信服务外，还能实现个人与群 体间的任意通信，并可进行自主编控，是集对讲机、g s m 、c d m a 和图像传输于 一体的智能化通信网。 数字集群通信在技术上的特点和优势决定了它不仅具备个人通信的全部功 能，而且它能控制与实现个人与群体间任意通讯，保密性高，功能丰富，真正全 面实现了通讯的智能化。 另外，经调研8 0 通话来自于团队内部的工作联络，数字集群由于其内部通 话成本极低，从而大大降低了团队的通信开支，在强调社会管理成本控制和企业 成本核算的今天，数字集群通信网特别适合中国国情，能为使用者带来明显的经 济效益。 数字集群通信网主要应用于政府管理部门、工商企业、公安、铁路、交通、 水利、能源、工商、税务、证券等企业内部联络和指挥控制。同时，某些专业人 士对它也有极大的需求。无论大型演习或是防讯抗洪斗争还是大型自然灾害比如 0 8 年的汶川大地震时的抗震救灾，有了全通网，调动千军万马从此无需千呼万唤； 警察执勤巡逻，可以利用手机即时与其专用数据中心查证，伪造证照立马现形， 或在地震时不再由于通信障碍而很多老百姓失去生命。 由于公众移动网技术原理和硬件原因，第二代公众移动网( g s m ) 无法具备 群体调度功能，在第三代公众网( c d m a ) 和第四代公众网的标准中也无法包括 组呼、群呼等等集群通讯特有的功能，所以在可预见的若干年内公众移动通讯不 可能替代数字集群网，两者互为补充。 集群通信系统的特点如下： 电子科技大学硕士学位论文 1 集群通信主要是以单工或半双工方式来工作，故两用户通话只占一对频率 ( 一个信道) ；蜂窝通信是无线电话，是有线电话的延伸补充和发挥，它采用全双工 工作方式，故两用户通话要占两对频率( 两个信道) ，所以从频率利用率讲集群通信 要高9 就而从通话来讲则蜂窝通信要方便一些。 2 集群通信系统主要采用信道动态分配方式( 单工或半双工) ，蜂窝通信系统 采用信道固定分配方式，即把信道分配给两用户固定使用( 全双工) ，故当两者具有 同样的信道数时，在一个区域内集群通信系统可容纳更多的用户。 3 集群通信系统的用户具有不同的优先等级和特殊功能；而蜂窝通信系统内 的用户是同级的，也不具有特殊功能。所以有人称集群通信是一呼百应，蜂窝通 信是一呼一应。 e r l 卜。嘲 7 i 7 医习 y r fp a e r 2 卜网 a n t e 7 k 队 7 匕到 1 埝 p 韧 l 一、一1 - - 一 匕型 e r n 。卜网 7 l 7 【翻 - ，d c 口矗 图1 一l 单载波线性功放发射机 4 集群通信系统是为集团用户服务的；蜂窝通信系统是为个人服务的。 为了充分利用频谱资源，增加用户容量，最有效的方法就是采用多载频技术。 在多载频的基站里，使用单载波线性功率放大器时需要在输出端进行大功率合成 【2 1 ，如图1 1 所示。 传统的多载频基站的架构是每一个频率都使用单独的发射机，所以在每两个 功率合成之前必须经过一个腔体滤波器，其体积庞大、价格昂贵，而且很难调节 到使用于不同的载波频率。一种更佳的做法是在低功率的时候便合成信号，最后 用一个功率放大器来放大。这便是多载波功率放大器( m c p a ) ，其线性度必须极 高。和传统方法相比，拥有m c p a 的基站不再需要大功率合成1 2 1 。采用多载波线 性功率放大器的发射系统如图1 2 所示。 2 第一章引言 n - w a y , n o nf r e q u e n c y - s e l e c t i v ep o w e rc o m b i n e r 图1 - 2 多载波线性功放发射机 获得线性放大器的传统方法是使用低失真的宽带a 类功率放大器，并使之输 出功率远低于饱和功率点。这种方法的缺点是功放的效率极低。获得高效率的方 法是使功率放大器工作在饱和点附近，再使用线性化技术来减小临信道泄漏。功 率放大器线性化的技术受到广泛关注有以下几种原因【3 】： 1 出于对通信系统功率效率的要求，不能采用功率回退法来提高功率放大器 的线性度。所谓功率回退法是指采用大功率管子，然后通过功率回退使之工作在 线性放大区的方法。如果采用此方法，一方面降低了电源的利用率，增加了供电 系统的能量消耗，给基站热管理带来了困难；另一方面不能充分发挥出功率管的 潜能，增加了制造成本。 2 基带信号频谱有较大的动态范围。例如，在第三代g s m 系统中，同时进 入系统不同载波的电平之间可能有高达1 0 0 d b 的差别。 目前，功率放大器的线性化技术主要有三种，即前馈技术、负反馈技术和预 失真技术。其中，前馈技术能够很好地消除二阶和三阶非线性，稳定性最好，但 技术要求高，制造成本也最高。预失真技术电路相对简单，但因控制精度不高， 失真抑制度很难提高。负反馈技术实现起来最简单，一般都是在低频段使，在高 频移动通信和微波段，反馈环路的相移很难控制。实践表明，真正能够满足多载 波线性功率放大器技术要求的线性化技术目前只有前馈技术。 本毕业设计主要采用前馈技术与自适应相结合的方案，在前界师兄的基础上 进行了一定的改进和创新f 2 1 】f 2 4 1 ，使得整个系统效率有一定的提高，而且线性度亦 可以达到较高要求。本文主要特点是采用了线性相位滤波器来实现群延时的匹配 以及效率的提高，并对谐波负载阻抗对功放输出性能的影响进行了一定的研究。 3 电子科技大学硕士学位论文 2 1 功放主要指标 2 1 1 工作频带 第二章功率放大器概述 工作频带通常指放大器满足其全部性能指标的连续频率范围。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 1 2 输出功率 1 饱和输出功率 当放大器的输入功率加大到一定值之后，再加大输入功率并不会改变输出功 率的大小，该输出功率称为功率放大器的饱和输出功率，用p s a t 表示【4 】。 2 1 d b 压缩点输出功率 当功率增益下降1 分贝时所对应的输出功率称为1 分贝压缩点输出功率曰。r ， 当输出功率超过该点后放大器将迅速进入饱和工作区，如图2 1 所示。 3 三阶交调截断点职 三阶互调失真产物的输出功率随着的输入功率的变化表示为如图2 1 的结果。 可以定义三阶交调截断点职( t h i r do r d e r i n t e r c e p t ) 为：假设二端口为线性时，一 阶线性输出功率和3 阶交调产物的交点，如图2 1 所示。显然，一阶线性输出的斜 率为l ，而三阶交调产物为3 。 皿与输入功率无关，完全是放大器非线性造成的，因此是放大器非线性的度 量。由产品的手册上可以查出放大器的l d b 压缩点异拈，然后可以估计出皿： 皿= 鼻拈+ 1 0 6 3 ( d b m ) ( 2 - 1 ) 4 第二章功率放大器概述 图2 ll d b 压缩点与饱和输出功翠之间的关系 4 功率效率7 7 。及功率附加效率7 确 功率放大器的功率效率是指功率放大器的射频输出功率与供给晶体管的直流 功率之比。即： r 。= ( 射频输出功率) ( 直流输入功率) ( 2 2 ) 它表示功率放大器把直流功率转换成射频功率的能力。但这种定义没有考虑 晶体管的放大能力，两个功率效率相同的晶体管也有可能其功率增益相差很大， 所以通常都用功率附加效率来表征一个晶体管的放大射频的能力。即： = ( 射频输出功率- 射频输入功率) ( 直流输入功率) ( 2 3 ) 它表征了一个晶体管把直流功率转换成射频功率的能力。 2 1 3 交调失真 交调失真5 】是具有不同频率的两个或多个输入信号通过功率放大器而产生的 混合分量，它是由于功率放大器的非线性而引起的。设有足路输入信号，其频率 分别为五、五、五、五。通过功率放大器后由于功放的非线性，输出分量中将包 含许多混合分量： m r , 暖磁用，l ，p = o ，1 ，2 ( 2 - 4 ) 各分量分别称为( 所+ 玎+ 印) 阶交调分量。并且功率放大器的非线性越强，交 调分量越大，交调分量的大小可以用交调系数表示：例如假设有足路等幅的信号， ( m 切) 阶交调系数可以表示为： 5 电子科技大学硕士学位论文 蛆+ ，：1 0 l o g 堕：l o l o g 堕 ( 2 5 ) p l p k 式中，竹、b 、r 分别对应着基波功率，厶为( 研印) 阶交调功率，n 毛+ p 的单位为d b c 。若输入放大器的是等幅信号，在上面的各阶分量中，频率为颈新+ ， 或新+ ，诉的分量与基波石或办，分量之比称三阶交调系数i m 3 。 功率放大器一般由多级放大组成，在设计时需要计算级联后的i m 3 。以下公 式是一经验公式。时间证明其准确性是很高的。 设功放由两级组成，第一级i m 3 表示为i m 3 d ，第二级i m 3 表示为i m 3 f ，则 级联后的i m 3 表示为： i m 3 = i m 3 f + 2 0 1 0 9 1 + 10 ( m 3 阻m 3 f 胆0 】 ( 2 6 ) 多级放大器以次类推。根据该公式绘制的i m 3 恶化曲线如下图。 i m 3 恶化量 ( d b ) 3 6 91 21 51 82 l2 42 73 0 i m 3 f - i m 3 d ( d 1 3 ) 图2 - 2 蹦3 恶化曲线 2 1 4a m - p m 失真和a m - a m 失真 对单载波而言，由于传输信道的非线性，使信道增益压缩，产生谐波，谐波 的幅度和相位与输入信号的幅度有关，使放大器增益与输入信号幅度有关，从而 使输出信号的相位和幅度随输入信号的幅度变化，a m p m 定义为输出信号的相位 变化与输入信号的幅度变化之比【6 1 。a m a m 定义为输出信号的幅度变化与输入信 号的幅度变化之比。为了衡量相位失真的大小，引入调幅一调相转换系数( 岛) ： k = 一1 8 0 旦( 2 - 7 ) ，= i d ( 1 0 1 g p ，, ) a m p m 是增益压缩的直接表现，增益压缩越厉害，a m p m 效应就越强，电 路进入饱和区后，a m - p m 效应将非常严重。理想的线性功放的曲线如图2 3 所示。 6 第二章功率放大器概述 脚a m o f 岫p l e d 缸佃n 皇d 衄啦i f j e r删c t t t 忙p 刚曲州触咄m r 图2 3 理想的线性功放的a m 舢v i 和a m t p m 曲线 而实际的放大器失真曲线如图2 4 所示。 i； 茹蠢： 舢唑 磊| | 。 一 l； 2 1 5 谐波失真 图2 4 实测的放大器失真曲线 当信号的幅度超过一定程度，功放因工作在非线性区而产生一系列谐波。对 于窄带功放，这些谐波都不在通带内，用滤波器很容易滤除，但对于宽带功放来 说这些谐波就会落到信号的通带内，用滤波器就不容易滤除。谐波失真的大小由 下式表示： p 媳= 1 0 1 0 9 詈d b c ( 2 8 ) 1 j 式中只表示基波信号输出功率，r 表示珂次谐波输出功率。 2 1 6 稳定系数 微波功率放大器由于存在内部反馈， 起自激振荡。为了衡量放大器的稳定性， 7 将会引起放大器稳定性的变坏，甚至引 就引入稳定系数k 的概念： 电子科技大学硕士学位论文 k ：! 二刚：二哟噬 2 i s , 2 最i i 式中d = 墨，是：墨：是。 并且得到了微波管绝对稳定的条件公式： 墨。1 2 三口，此时上式可近似为： 伽= 笙 ( 3 3 ) a l 用分贝数可以表示为： c m ( d b ) 2 0 1 。甙三丝) ：2 0 1 。g ( 堕) + 4 0 1 。g 彳( 3 4 ) 口la i 由式3 - 4 可以看出，功率放大器的输入功率减小l d b ，交叉调制系数c m 可以 改善2 d b 。这种用减小输入功率的代价来改善放大器线性度的方法称之为功率回退 法，如图3 - 1 所示。功率回退法原理简单、电路易实现。缺点是功率效率很低，且 受功率放大器异拈的限制。 功率回i 匠法是早期功率放大器线性化常用的方法。一般的数字通信系统功率 1 3 电子科技大学硕+ 学位论文 会有6 - - - 8 d b 的回退量。如日本n t t 公司的4 5 6 l d 1 系统采用1 6 q a m 调制方式， 其发射机功率回退为8 d b ：美国h a r r i s 公司的2 g h z 的1 6 q a m 系统功率回退 1 0 d b 。 吕 勺 、- 丑 簿 糌 唇 3 2 负反馈 功率输入( d b m ) 图3 i 功率同退法示意图 负反馈是一种应用比较多，研究得较早的方法，在许多教材都有叙述【8 1 1 9 1 。其 基本原理如图3 2 所示。 - r f i k t 反馈网络f 一一 一 一， 图3 2 负反馈放人电路原理图 1 4 r f 0 u t 一 一 一 队一 第三章功放的线性化技术 将放大器的输出信号通过负反馈网络后在放大器的输入端产生反馈信号，该 反馈信号与源信号共同控制放大器的输入，构成负反馈放大器。负反馈放大器利 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，因此负反馈对 放大器输出信号的稳定性、增益的稳定性、非线性失真等指标都有改善作用。放 大器失真减小的量等于反馈系统的反馈量，即f = 1 + b a ( 其中，p 为反馈系数) ，同 时整个系统的增益也减小了相同的数量。如果环路增益值d a 较大，那么增益接近 于l b 。换言之，放大器提供的增益必须足够大，允许有较大增益和较高的失真抑 制。 但是，负反馈电路以降低放大器的增益为代价，并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要与输入信号反相，相移控制很困难，因此 负反馈一般只用在低频场合。 3 3 预失真 预失真法【l i 】由于比较简单和可以作为独立单元附加在现有放大器中而得到广 泛应用。但它很难应用于线性度要求非常高( 5 0 d b c ) 的系统中【1 0 】。 所谓预失真法，一般是已知信道的非线性失真特性，然后模拟一个失真特性 与信道的非线性失真特性恰好相反的网络，插入信道中，使它们的特性互相补偿， 得到线性较好的信道特性。预失真技术是开环线性化技术中最常用的一种方法， 虽然开环系统的校准精度不如闭环系统，但开环系统的优势是不存在稳定性问题， 且有更宽的频带。预失真技术成本低，由几个仔细优化的元件封装成单一模块， 连接在信号源和功放输入之间。其基本原理框图与其实现机理如图3 3 所示。 在上述的系统中预失真级产生一个非线性失真信号，并输入功率放大器，以 抵消功率放大器所产生的非线性失真。 预失真可以在微波波段和中频频段实现，也可以在基带实现。根据预失真对 象信号的不同可以把预失真法分为基带预失真、中频预失真和射频预失真。 基带预失真的调整是在基带上实现的，它是利用复数增益调整器来调整输入 信号的幅度和相位，其调整量由工作函数表中功放的a m a m 和a m p m 非线性 控制。这个工作函数表的输入量是经过时延的输入信号，输出量是输出信号减去 输入信号( 即失真量) 不断调整工作函数表中的值使失真量最小。 1 5 电子科技大学硕士学位论文 ig i i g l o 么g o h i g i h 、广矿 图3 - 3 典型预失真系统 中频预失真的调整是在中频上实现的，基带信号在中频上完成调制，经上变 频输出己调射频信号，将已调中频信号的包络作为工作函数表的输入量和功放输 出信号的参考标准。耦合器对功放输出取样，经带通滤波器得到需要抑制的边带 信号( 邻频道干扰) ，检波输出与未失真的参考标准比较得到失真量。这种方法可以 同时补偿上变频器引入的非线性。 射频预失真的调整相应的在射频上完成，其两个复数增益调整器分别按工作 函数的输出调整幅度和相位。输入信号的包络作为工作函数的输入量，反馈通路 用边带带通滤波器对需要抑制的频谱( 邻道频率) 取样，并借助d s p 调整工作函数 的输出参数使不需要的信号最小。 射频预失真器原理如图3 - 4 ，输入的射频信号经过一个定向耦合器，直通端口 即为主通道，主通道由一个延迟器组成，此延迟器主要是保证主通道输出信号与 次通道的信号保持同步。同时信号经过耦合器的耦合端口进入辅助通道，信号首 先经过一个射频放大器，然后又经过可变移相器和可变衰减器对信号的幅度和相 位进行调整，之后经过一立方发生器产生所需要的三阶信号，最后三阶信号经过 另一个射频放大器放大之后与主通道的主信号相加得到所需要的失真信号，最后 此信号输入到所需的功放进行对消原功放中的失真分量，使其线性化。预失真主 要是对系统的三阶互调产物进行对消，通过预失真网络产生与需纠正的功率放大 器相位相反，幅度相同的三阶产物。此时产生的三阶产物正好与功率放大器的非 1 6 第三章功放的线性化技术 线性产物互补，在理想情况下可得到没有三阶分量的输出信号。 可调移相器 预失真发生器 图3 4 预失真框架图 射频和中频预失真电路则存在调整比较方便，并且可以把上变频器和功率放 大器的非线性失真信号一同抵消掉，因此应用比较广泛，但它很难应用于线性度 要求非常高( 5 0 d b e ) 的系统中。 3 4 前馈 前馈法【l3 】是目前放大器线性化技术中最先进、发展最为迅速的方法。前馈法 在国外已经得到了广泛的应用，国内近几年也在广泛的研究，已经取得了一定的 成效。新一代通讯体制及h d t v 的发展对功率放大器的线性度的要求越来越高， 积极深入地研究线性技术势在必行。前馈法比预失真法更为先进的是其稳定性和 通用性l 。 前馈法的工作原理如图3 6 所示，它由环1 和环2 两个环路组成，环1 是误差 提取环路，环2 是误差消除环路。将主放大器的输出经过耦合器1 耦合出部分信 号能量与延时后的输入信号相减，若通过调节使两通路时延及增益相同，输出信 号为两路信号相减所得，即为放大器失真值大小。然后将此失真值经误差放大器 放大，再与经过同误差放大器同样时延后的原输出信号相减，即可大大抵消输出 信号中的失真成分。此方法要求的技术高，控制系统复杂。但由于其稳定的高线 性，前馈技术是目前发展最快的线性化技术，也是最有前途的线性化技术。 假设输入信号为圪( f ) ，经过主放大器后的输出信号为( f ) 。则匕( f ) 可以表 示为 1 7 电子科技大学硕士学位论文 = 争哪) e - j n r r h + 哪) 其中为主放大器的群延时，厶为主放大器的增益， 真信号。主放大器输出信号经过耦合系数为l c , 的耦合器， 其传输信号圪棚( f ) 可定义为： u 沪缶憾巾半 ( 3 5 ) 巧( f ) 为主放大器的失 耦合到功率合成器， ( 3 6 ) t i m e s u b t r a c t e r d e l a y 图3 6 前馈线性化基本腺理框图 主路信号经过延时器送到功率合成器的另一端，其信号v s u b ：( f ) 可定义为： u 归华e 巾k 老驰矿撕+ 警一竿p 巾铆 ( 3 - 7 ) r r 。为误差提取环路下支路的延时，则功率合成器的输出信号可定义为： = l 一： ( 3 - 8 ) 由上式可以看出要提取出理想的误差信号，必须满足： r r i = 和c l = a u( 3 - 9 ) 由此可得到提取的误差信号。为： _ ：华( 3 - 1 0 ) 在误差消除环路之中，主放大器的输出信号经过延时为乃：的延时器，输出信 号( t ) n - i 定义为： 1 8 第三章功放的线性化技术 圪( f ) = 笔 圪( f ) e - o ( + z + 圪o ) p 一归印： ( 3 - 11 ) 而由第一环路提取出来的误差信号经过误差放大器放大之后的输出信号 ( f ) 定义为： v e ( t ) = 鲁巧( f ) p 巾印 ( 3 1 2 ) 乙l 其中为误差放大器的群延时，误差放大器的输出信号经过耦合系数为c 2 的 耦合器与主放大器的输出信号合成，可以得到最后的输出信号吃，定义为： ( f ) ：( f ) 一_ v e _ ( t ) l 2 f 3 13 、 = 争哪矿川”训+ 哪矿胁一矗酏矿觚 。7 要完全对消失真信号就必须满足： 勺：= 和a e = c i c 2 ( 3 - 1 4 ) 此时整个前馈系统最终的输出信号y o i i t ( f ) 可表示为 ( f ) = 粤v i ( t ) e - + f r 2 ( 3 1 5 ) 事实上，由于误差放大器的输出功率远小于主功放的输出功率，因此它引入 的失真分量可以忽略不计，所以上述的式子也是忽略了误差放大器引进的失真分 量推导而得到的。由以上推导可以看出前馈技术能够更好的实现系统的线性化， 它不仅仅对放大器的三阶分量进行了抑制，还能够对五阶等高阶分量有所抑制【8 l 。 所以前馈技术是目前最有前途的一种线性化技术。 在前馈放大器中最关键的环节就是对消环路，这关系到整个放大器最终的线 性性能。当主放大器三阶已经达到一个比较高的水准时，如果主信号对消得不够， 让足够大的主信号进入辅助放大器，进而产生新的三阶产物，就会影响误差信号 本身，对最终的对消效果起到影响。而同理可知，辅助放大器的增益平坦度对最 终对消的影响也是相当大的。 而导致对消不好的基本因素，就是第一环路两边对消信号的幅度与相位的不 平衡。根据理论分析，由于幅度与相位误差而对信号对消的影响公式如下： c a n c = l o l o g ( 1 + 口2 - 2 a c o s a ) d b( 3 - 1 6 ) 1 9 电子科技大学硕士学位论文 其中口为对消环路两边的幅度差，而o n 为两边信号的相位之差。下图3 7 直 观地列出了在不同相差与幅差的条件下对消的情况【2 1 。 百 葺 。一 口 o = 一 = o u 口 一 c ) p h a s ei m b a l a n c ei nd e g r e e s 图3 7 相差与幅差对对消的影响 根据分析，要达到理想的对消情况，相位差应控制在一度以内。这对群延时 的控制提出了很高的要求，而且经过放大器后的信号相位会在一定程度上偏离线 性，还带有轻微抖动，即带内群延时非恒定，这对延迟线的控制提出了更高的要 求。根据放大器的幅度特性在输入之前加上了幅度均衡网络，来对放大器的带内 增益进行平衡，这样可以有效地提高对消的效果。事实上，根据实际测量的结果， 在相差一度以内，幅度差0 2 d b 以内的情况下，相隔i m 的双音信号对消能达到 3 3 d b ，最好情况下能达到4 0 d b 。但是当对消过多时，对消信号会随时间而抖动， 波动幅度在5 d b 之间，这也与放大器的特性随温度改变有关，也与放大器的短期 相位不平稳度有关。加上自适应系统以后，可以有效地将对消后的信号波动稳定 在l d b 以内。 第四章同轴腔线性相位滤波器概述 第四章同轴腔线性相位滤波器概述 微波带通滤波器是现代微波通信技术中一个极其重要的部分，是微波系统中 不可缺少的器件，其性能的优劣往往会直接影响整个通信系统的质量。近年来随 着微波技术的迅速发展，无线电通信频率资源日益紧张，这对滤波器的性能指标 提出了更高的要求，故研究新的、高性能的微波带通滤波器有十分重要的实际意 义。而同轴腔滤波器具有功率容量大、体积小、q 值高、易于实现的特点，特别 适用于带内插损小、带外抑制高的设计要求。 在第三章所述的前馈线性功放系统中，需要一个延时器来使误差对消环路中 上下链路的群延时匹配，此器件主要是作为延时器件使用，一般系统中多采用较 长同轴传输线缆作为延时器件。由于功放的非线性，在末级功放输出端会产生较 多的谐波，故需要一个滤波器来滤除它，此滤波器的插损应该是越小越好，因为 在主功放后边的器件，即使很小的插损也是会造成很大的能量损失，例如此功放 输出5 0 w ，若插损l d b ，则输出功率将损耗掉1 0 w ，如此可见一斑。如果采用传 输线作为时延匹配器件，如此系统所要求的延时大概有3 0 n s ，此时的传输线，即 使使用低插损的同轴线缆其插损也是很大的，由实验数据测得大概有1 5 d b 3 0 n s 以上的插损，况且体积也是很大的，所以必须加以改进，本文尝试采用的就是线 性相位腔体滤波器。 4 1 滤波器基本原理 4 1 1 滤波器分类 滤波器【1 4 1 特性可用其频率响应来描述，按其选频特性的不同，可分为低通滤 波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。如图4 1 所示。 2 l 电子科技大学硕十学位论文 0 脚； 脚0 ( c ) 低通 o i 脚oo ： ( b ) 带通 缈 缈 。 ( c ) 高通 0 ) i 缈0 缈2 ( d ；带阻 图4 - 1 滤波器各种频率响应( a ) 低通( b ) 带通( c ) 高通( d ) 带阻 根据逼近理想曲线时所选择逼近函数的不同，低通原型滤波器可以分为许多 不同的响应类型，主要的三种滤波器响应有：o b u t t e r w o r t h 响应( 最平坦型) ： c h e b y s h e v 响应( 契比雪夫型) ；c a u e r 响应( 椭圆函数型) ，如图4 _ 2 所示： 二 叫 ：b ) 警_ 匆一 ( c ： 图4 2 三种低通原型滤波器响应( a ) 最平坦型( b ) 契比雪大型( c ) 椭圆函数型 4 1 2 滤波器原型 低通原型滤波器是现代网络综合法设计微波滤波器的基础，各种低通、高通、 带通和带阻滤波器，其传输特性大都是根据此原型特性推倒出来的。 举厂 第四章同轴腔线性相位滤波器概述 乱最平坦响应滤波器：特点是具有一个靠近零频率( 直流) 处的最平通带， 趋向阻带时，衰减单调增大，在0 3 = 上出现无限大值。其响应的数学表达式为： 删圳z h 训 件) 式中 占= 1 0 l 1 0j 一1 由于式( 4 5 ) 中括号内的量，在功= 0 时，具有最大可能数目的零导数，故 有“最平坦 之称。该式中的n 为等效电路中电抗元件的数目。 b 契比雪夫滤波器：特点是在通带内，衰减在零值和所规定的上限值之间作 等起伏变化，在阻带内，衰减单调增大，在力= 0 0 上出现无限大值，其衰减特性的 数学表达式为： l 。，= 。g + 占c 0 s 2 刀c o s 叫( 等) 讲，鲥； 洲圳g l + c c o s h 2 卜倒l ( 4 2 ) 式中 f 丘1 s = 1 0 l 1 0j 一1 若n 为偶数，则响应内l a = 0 的频率有n 2 个；若n 为奇数，则l a = 0 的频 率有( n 十1 ) 2 个。通带内的波纹起伏越多，阻带衰减曲线越陡，即选择性越好。对 于给定的通带衰减l a r 和电抗元件数目n ，契比雪夫滤波器的阻带衰减斜率比最平 坦滤波器陡得多。 c 椭圆函数滤波器：特点是衰减在通带和阻带内都呈现等起伏变化，在通带 中不超过规定的上限值，在阻带中不低于规定的下限值。该滤波器的阻带衰减极 点不全在无限大频率处，因而用这种滤波器可以得到很陡的截止率。其阻带最小 衰减可近似表示为： l 血= 1 0 【l g ( 1 0 v l o 一1 ) - n l g q ( k ) _ 1 2 j ( 4 - 3 ) 电子科技大学硕+ 学位论文 g c 七，= ； ，+ 2 ( 等) 2 + 等) 4 + ，5 0 ( 专) 6 + 4 c 4 4 ， 式中n 是滤波器网络的支路数目，七= 击= 等是计算这种滤波器参数的椭圆 函数的模数。 4 1 3 频率变换 前面已经讨论了几个低通原型以及它们的衰减特征。如果将这些衰减特征的 频率变量缈经过适当的变换，就可以得到新的频率国为变量的衰减特性，用它们 来表示高通、带通、带阻等类型滤波器。这种方法叫做频率变换，( - 0 与国的关系 式叫做变换式。 由于仅对横坐标的自变量缈进行变换，故对纵坐标的衰减值并无影响，因此， 当低通原型滤波器变换为其他类型滤波器时，幅度纹波特性仍保持不变。选取其 中一种变换，必须使其对衰减特性的影响直接表示为实现这种特性的低通原型滤 波器元件数值的变化，这样可以避免再去求其他类型滤波器的衰减函数，以实现 这种函数的一系列的复杂计算，具体换算如表4 1 所示。 表4 - l 频率变换表 滤波器类型变换变换式 。一 q q 国= 一u 低通到高通 q = 低通带边频率：劬= 高通带边频率 缈，：w 缈t ；f 缈一一堕1 形：竺2 二竺i 低通到带通 缈_ - - _ o 国j o = 上带边频率：q = 下带边频率 低通到带阻 ：= 一l i 国7 黝八彩 4 2 同轴腔线性相位滤波器 第四章同轴腔线性相位滤波器概述 在本系统中采用了同轴腔体【1 5 1 线性相位滤波器来替代延时线和滤波器来达到 需要两个器件才能得到的性能，既满足了频率选择特性，而且还满足群延时平坦 的要求。以铜作为同轴腔体的构成，同时内表面镀银用以减小损耗，因为可以得 到更高的q 值，由软件仿真一般可知q 值可以到几千到上万，而一般的微带谐振 器可能只有几十到几百。 4 2 1 线性相位与群延时 线性相位1 6 1 与平坦群延时是描述的同一个事物，只是出发的角度不同。所谓 时延是指信号通过传输通道所需要的传输时间。网络的相位频率特性总是非线性 的，如图4 3 所示。这时只能在很窄的频率范围内近似地把相位特性曲线的一小段 看作是线性的，该小段直线的斜率就等于这- d , 段频率范围内信号的传播时间， 数学表达为： r = y ( 国) 国 ( 彩专o ) f = j i m 【缈( 缈) 缈】= d y ( 缈) i d ：o t a - - - o ( 4 5 ) ( 4 - 6 ) 这时百表示以为中心无限窄的频带内，信号包络通过网络的传输时间。 v v 图4 3 相位频翠特性示恿图 显然，由d 、i ，( ) d 确定的群延时t ，是图夺3 所示的相位频率特性曲线各点的 斜率，且是频率的函数。不同频率处对应的相位频率特性曲线的斜率不同，即群 延时值不相等。正是由于这种原因，就造成了所占频带内各个频率的群延时数值 之间的偏差。偏差越大，群延时就越不平坦，抖动就越大。而所要完成的就是要 在5 0 的带内实现平坦的群延时。 4 2 2v 4 型s lr 谐振器 如果工作频率比较低，而系统所要求的集成度比较高，即器件尺寸要求较小 时，必须对器件进行小型化处理，阶跃阻抗谐振器( s i r - s t e p p e di m p e d a n c e 电子科技大学硕士学位论文 r e s o n a t o r ) i s 】就是一种选择。 由于尺寸要求，故选用m 型s i r ，它是由两个以上具有不同特性阻抗的传输 线组合而成的横向电磁场或准横向电磁场模式的谐振器。它是由开路端、短路端 和它们之间的阶跃结合面所构成的基本单元。如图4 - 4 所示，特性阻抗以及电长度 分别为z 1 ，z 2 ，p l ，0 2 ；物理尺寸：细柱的半径与高度分别为r l ，h i ，粗柱为1 2 ， h 2 。若忽略阶跃非连续性和开路端的边缘电容，输入阻抗z i 的表达式如下： z ，喝筹器 ( 4 - 7 ) 短路面 咖 开路面 + z i 1 作为并联谐振单元的条件是式( 4 7 ) 的z i 分母为零，即： t a n 0 i 切n 幺= z 2 z l = r ：( 4 - 8 ) 设总电长度为以。= b + 0 2 ，归一化长度厶。= 2 包- 么，则可由式( 4 8 ) 得出 锄氏。= 去( 啬+ 洫q ) 件9 ， 为实现体积小型化，应使吃。 、舄喾a e i c o r e r 吧e s d p o p o n d 眦i n g u 一 o 一- o p u v w 乒 ， 、 3 r d - a n d5 t h - o r d e r = 、 7 ji m d v a a l l u i u e a s l l a n d 凶e 詈， ，3s p e c t r u m w i i b e ；譬7 j 蜘1u p d a t e d i 、 。，。j j - 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