（无线电物理专业论文）微波线性功率放大器的研究.pdf

摘要 随着无线通信的迅猛发展，通信频率资源交得越来越紧张，功率放大器是 射频系统的关键部件，也是产生非线性的主要部件，因此对功率放大器的线性 化是一项即具有重要实际意义又具有挑战性的课题。 本文详细分析了微波功率放大器的非线性特性，介绍了反馈、前馈、预失 真等各种线性化技术的基本原理。根据拟采用方案对前馈功率放大系统的时域 和频域进行了详细分析，从系统的角度得出了交调和无用失真完全抵消时各部 分的关系，为设计前馈放大器提供了实用、有效的方法。根据分析结论，针对 中国自主开发的t d s c d m a 标准，设计实现了2 3 5 g i - i z 的功分器、功率合成器、 耦合器以及矢量调制器和功率放大器，最终实现了结构简单、体积小巧的前馈 功放系统，完成了对放大器的线性化，三阶交调系数优于5 0 d b c 比线性化之前 三阶交调系数改善了4 0 d b 。为进一步提高前馈功率放大系统的线性化水平提供 了理论基础，具有工程参考价值。 关键宇：前馈、线性功率放大器、系统分析、t d s c d m a 、三阶交调 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h ef r e q u e n c yr e s o u r c e s b e c o m em o r ea n dm o r ei i c r v o u s t h ep o w e r a m p l i f i e ri st h en e c e s s a r yc o m p o n e n ti n r a d i of r e q u e n c ys y s t e ma n da l s oam a i np a r to fn o n l i n e a rp r o d u c t s ，s oi t h a st h e i m p o r t a n ta c t u a lm e a n i n ga n dt h et o p i co ft h ec h a l l e n g et o l i n e a r i z et h e p o w e r a m p l i f i e r i nt h i sp a p e rw es t u d yt h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i co f m i c r o w a v e p o w e ra m p l i f i e r s y s t e m i n t r o d u c et h eb a s i cp r i n c i p l eo ff e e d b a c k ，f e e d f o r w a r da n dp r e d i s t o r t i o n t e c h n i c a lt ol i n e a r i z e a c c o r d i n gt op r o j e c ti a n a l y z eaf e e d f o r w a r dp o w e ra m p l i f i e r s y s t e mo nt h et i m ea n df r e q u e n c yf i e l d ，w ec a nc o n c l u d et h er e l a t i o n s h i po fa l lp a r t s i nt h i s s y s t e mw h e ni n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n sa n do t h e ri n t e r f e r e n c eh a v eb e e n r e m o v e d t h o s ep r o v i d eap r a c t i c a la n dv a l i dm e t h o df o rd e s i g n i n gaf e e d f o r w a r d p o w e ra m p l i f i e r u t i l i z i n gt h e s ea n df o rt d s c d m aw er e s e a r c ha n dd e v e l o pt h e d i v i d e r , c o u p l e r b r i d g ea n dp o w e ra m p l i f i e ra t2 3 5 g h z f i n a l l yia c c o m p l i s h e da s i m p l ea n d m i n i m a ls t r u c t u r e df e e d f o r w a r d p o w e ra m p l i f i e r i t sm e a s u r e dt 1 1 i r d o r d e r i n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n ( m i d ) i s 一5 0 d b c ，w h i c hi s4 0 d bg r e a t e rt h a nt h e r ei sn o l i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u e i tp r o v e st h ef o u n d a t i o no ft h et h e o r i e sa n dar e f e r e n c ep r i c e o f t h e p r o j e c tf o rg e t t i n g ag r e a t e ri m d k e yw o r d ：f e e d f o r w a r d ，l i n e a ra m p l i f i e r , s y s t e m sa n a l y s i s ，t d s c d m a ，t h i r do r d e r i n t e r - m o d u l a t i o n 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。 签名：继塑 日期：m - o o s 年箩月t 日 关于论文使用授权的说明 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：烈翔 导师签名：z 塑! 日期：2 锨多年占月f 日 电子科技大学硕士论文 第一章引言 频率这种宝贵的无线电资源就像石油一样具有不可再生性，并且随着人们 对移动通信技术的迅猛需求，其稀缺性也日益凸显，尤其对于新的3 g 运营商而 言，这种稀缺性更加突出，很自然地从战略角度出发，人们总是希望尽可能 多的拥有这类资源，并努力提高其利用效率。随着无线通信的迅猛发展，通信 频率资源变得越来越紧张，这就导致了各种具有高频谱利用率和宽频带通信体 制的出现。在现代数字通信系统中，多采用q p s k 或1 6 q a m 的调制方式。这种 调制方式产生的信号是非恒定包络的调相信号，而且系统又多是多载波、多信 道的。这就需要射频系统有很好的线性，否则就会产生失真。这种失真表现为 常见的交调失真( i m d 失真) ，导致的带内信号干扰已调信号，已调矢量信号的 幅度和相位出现偏差，同时导致频谱扩展，干扰临道信号，误码率恶化等等。 如图1 - 1 中所示，是c d m a 2 0 0 0 信号通过功率放大器产生的严重的非线性失真 现象，图中直观的反映出了非线性失真对通信以及频谱的影响。由此可以看出 功率放大器是射频系统的关键部件，也是产生非线性的主要部件，因此改善功 放的非线性具有重大意义。 s p e c t r u m o f g e n e m t 眦l s i g j 憎1 “ 衄 il ! i l 卿 恤i i。下 i jl 懿 撕 m + m h _- ，_ _ _r p * h _ n _ *型 憾 掣 祥 嘤 妞 吧，十一 _ _ 峨晰 j _ - 一l咖吲 二。 r “ v l l 1 ji _ _ _ _ 瑚 _ 。 空 d i 酬 魁 幽 脚 蜘 h 刚辆 丁i h h - _ 一 - 一一 图卜1 功率放大器导致c d m a 2 0 0 0 信号频谱扩展 电子科技大学硕士论文 近年来随着通信事业的快速发展。功率放大器的线性化技术越来越成为人 们关注的焦点，尽管微电子技术、芯片工艺的发展使功放的线性度不断提高， 但是通信体制的提升变更总是对功放的线性度提出更高的要求。据我近期查阅 国内外资料了解，国外报道的对功率放大器的线性化技术做得比较好的是韩国 一家大学，在1 8 5 5 g h z 实现三阶交调抑制7 0 d b c ，三阶交调系数改善了4 0 d b ， 主要采用的线性方法是前馈法，对相位幅度的控制采用了d s p 技术，对信号的 采样用混频、检波的方法，混频的本扳采用了锁相频综，使对相位、幅度能够 精准控制【1 】o 国内报道的最好的是东南大学朱晓维教授，在8 8 0 m h z 实现三阶交 调抑制6 5 d b e ，方法也是前馈法加d s p 技术，用四点对消法对输出信号进行采 样嘲【3 】。 本文的工作就是对功率放大器的线性化技术进行探索和研究，是教研室自 拟题目研究，作为技术性探索，同时针对中国无线电管理委员会划出发展自主 知识产权的第三代大唐t d s c d m a 通信标准的频段，对2 4 g h z 频段线性功率 放大器进行研究，它即具有理论价值又具有很重要的实际价值。其中，在第二 章中讨论放大器中非线性的产生及其特性：第三章中介绍和比较了现有的各种 线性化技术；第四章从系统的角度详细分析了前馈系统以及系统中各个部件之 间的关系，这些分析和总结将是前馈系统设计的基本依据，它们为设计前馈放 大器提供了实用、有效的方法：本文的第五章和第六章叙述了功率放大器的研 制以及运用前馈技术对其进行线性化研究的过程。 按照t d s c d m a 系统指标要求，本文研究的线性功率放大器将以以下技术 指标作为研究方向： 工作频率：2 3 0 0 m h z | 也4 0 0 m r z 带宽：5 5 m h z ( 对t d s c d m a ，带宽为1 6 m h z ，核心频段有5 5 m h z ，有 3 3 个核心频点) 输出功率：3 0 d b m 三阶交调系数：5 0 d b c 增益；2 5 d b 输入、输出驻波系数： 确 l v o u 图2 - i 理想放大器 对理想线性放大器圪。= k ，。( 如图2 - 1 所示) 其中k 。为放大倍数，但是 一般的我们知道作为半导体器件，功率放大器输入信号较大时，管子出现饱和 现象，于是导致了输出信号压缩，产生高次谐波引起失真。所以输出应该包括 平方律项和三次项等高次分量，它的输出可以用一个幂级数式( 2 1 ) 表述： k 。，= k ，o ) + k ：瑶o ) + k ，呢o ) + + k 。o ) ( 2 - 1 ) 式中k 是由非线性特性所决定的系数。它们的数值可以根据实际曲线用曲线拟 合的方法获得，因为幅度畸变较小，往往对式( 2 一】) 中四次以上的高次项不予 考虑。式( 2 - 1 ) 近似为： 圪。k ，( f ) + k ：圪0 ) + k ，v 。3 ( 、t ) ( 2 2 ) 当只考虑放大器二阶非线性特性即平方率特性时式( 2 - i ) 进一步简化为 以。= k 圪o ) + 足：瑶( f ) ，k ：吃( f ) 在实际中由二次谐波特性反映，其大小由k ： ( 即非线性器件特性) 决定，二次谐波是放大器产生幅度失真之一。它产生的 频点相对固定，在工作频带的倍频程处，相对比较容易滤除，不会干扰通信信 道内的调制信号。更一般的我们可以发现式( 2 1 ) 中的偶次项，即实际中的偶 3 电子科技大学硕士论文 次谐波和偶次交调失真均不会落在通信信道频带内。 当只考虑放大器的三阶非线性特性时式( 2 - 1 ) 进一步简化为 圪。= k 。( f ) + 骂嘿o ) ，当输入为单音信号时，墨以( f ) 体现为三次谐波失真： 当输入为双音信号时其体现为三阶交调失真。 p 删执制) , a - - f f z 豳。潸仇出及，假砹栅八佰亏刃狱酋佰亏时： 圪= a lc o s ( w l t ) + 4c o s ( w 2 t )( 2 3 ) 将式( 2 3 ) 带入( 2 2 ) 得到： = 丢坞砰+ 1 k 2 a ； + ( k i , 4 1 + 3 k ，4 卜兰k 3 a i 篮) c o s w 。t + ( k i a z + 3 k ，a 。3 + 三3 k ，4 c 。s w 2 r + 丢k 一? c 。s 2 m ，+ 吉足：爿；c 。s 2 “l ，+ 墨a l a a c 。s ( w l + w ：) t + c o sw - - w i ) r 】 + 三芷，一? c 。s 3 w 。t + l k ，a ；c 。s 3 w ：f + ；x ，一? 4 ：c 。s ( 2 w 。+ w 2 ) f + ；k ，爿，爿：c 。s ( w + 2 w 2 ) r + 三如4 7 a 2 c o s ( 2 w i - w 2 ) f + 3 k 3 a i 髯c 。s ( 2 w ：- - 吣( 2 - 4 ) 式( 2 - 4 ) 中就是一般放大器输出信号表达式，其中表述放大器增益即载波 信号项为； ( k 4 + 三玛彳+ 三玛4 鸳) c 。sw 】，+ ( 墨4 + ；玛鬈+ 吾玛4 2 以) c 。s ， 二次谐波项： 丢如彳c 。s 2 m ，+ 圭局名c 。s z m ， 三次谐波项： 刚? c o s 3 w p 丢纠：c 。s 3 w 二阶交调： k ，a ，a ，c o s ( w , + w ，v + c o s ( w ，一1 4 1 1 1 f 1 4 电子科技大学硕士论文 落在通信信道内干扰通信无法滤除的失真项： 言k 3 彳一：c 。s ( 2 w l w z ) f + 3 4 k 3 4 c 。s ( 2 w 2 一w l v ( 2 。5 ) 式( 2 5 ) 便是功率放大器中对线性度影响最严重，通常用来表征放大器线 性指标的三阶交调分量，它是一个频率的二次谐波分量与另一个频率的基波分 量的混频。这些频率分量往往和输入信号的频率很接近，难以用滤波器滤除。 在这里我们将式( 2 4 ) 进一步归纳演绎，得出更为普遍的表达式。 如果输入信号为拧个任意的正弦波： ( r ) = 4 c o s w d ( 2 6 ) 将式( 2 - 6 ) 代入( 2 - 2 ) 中，得到落在通带内的各个基波信号、以及各载波 之间的交调产物和三阶差拍失真干扰( 当输入大于三音信号时出现的频率为 h + m 一) 的失真信号) 信号的幅度： 玎个基波信号( w f ) 的幅度为： 丘，一，一；五，4 7 + 吾k ，一。( 喜一； c ：， 以0 1 ) 个三阶交调干扰信号( 2 一一u ) 的幅度为： j 墨一? 4 ( 2 - 8 ) 昙白一1 x n 2 ) 个三阶差拍干扰信号“+ w d 一峨) 的幅度为： k 3 a l a ，4 ( 2 9 ) 由式( 2 - 7 ) 、( 2 8 ) 和( 2 9 ) 能够分别求出三阶交调干扰乜一w ，) 分量及 三阶差拍干扰分量+ w ，一j 与基波信号的幅度的比值。在实际应用当中一 个不得不提到的幅度失真就是调幅一调幅( a m - a m ) 转换失真，它是指幅度调 制时放大器输入调幅信号与输出调幅信号之间的关系，一般接近于1d b d b 就 认为系统没有失真，当晶体管工作在饱和区域时a m - a m 转换接近于零，就出 现了失真。 5 电子科技大学硕士论文 2 2 相位失真 对于理想放大器它的系统传递函数为h ( j c o ) = k ，e ，当产生非线性效应时 一般还会伴随有相位非线性，它使个频率分量信号产生不同的时延，整个放大 器的群时延特性变坏，定义群时延为： 铲一警 f 2 - 1 0 ) 一般来说，我们希望相频特性是斜率为常数的一条直线，例如图2 - 2 ( a ) 所示， 力= t 。，通过系统的各个平率分量的延迟时间都等于0 ，各频率分量在输出端 合成时，输出波形的包络只是迟延了时间，输出波形包络的形状不变，不会 产生相位失真。但是当非线性效应产生时群时延是频率的函数例如图2 - 2 c o ) 所示，就出现了相位非线性失真。 ( a ) 线性 ( r a d s e c ) o ( r a d ) ( b ) 非线性 ( r a d s e c ) 图2 - 2 相移与频率的关系 另一个重要的相位失真就是调幅一调相( a m p m ) 转换失真，是指输出信 号相位随输入调幅信号幅度的变化。设将调幅波作为输入信号时，系统的输出 信号相位由于相位失真将在相位平均值岛上下波动。如果以m 为调制系数的调 幅波所引起的岛最大相位波动巳，则幅度调制的峰值相位误差系数为【4 l = 6 电子科技大学硕士论文 0”(180。一)k p 2 2 0 l o 土g ( 1 + 上m ) 下面我们来定量的分析相位非线性的产生，设输入信号为 = a l c o s c o l t + 讫u ) + a 2c o s c o d + 仍( f ) 】 ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) 带入式( 2 - 2 ) ，同样的可以得到形似式( 2 4 ) 的表达，其中包括了有用的 载波信号和一些失真分量但略有差别，如： k 3 4c o s f 变成c o a ? s i n w , h 仍( f ) 】； k 3 a 1 a ；c o s w i t 变成c o a l a ；s i n 队，+ 仍鲫 4 ：c o s w 2 f 变成c o 茸爿：s i n w 2 f + 仍o ) 】 上述三式分别为第一个载波信号和第二个载波信号中的部分分量，它们都 与式( 2 - 4 ) 中的表达有9 0 。的相移。其中c o 为比例常数，x c t = ；ff 司的放大器其 值不相同。 丢托a ，髯c 。s ( 2 w 2 - w , v 变成c 0 4 4 ；s i n 【( 2 一w l + 2 竹( f ) 一仍o ) 】 这就是由相位非线性所产生的交调失真产物，其中包含载波的信息，但载 波有9 0 。的相移从中可以看出群时延是一个关于时间的函数这就是功率放大 器的相位非线性。但我们同时也可以发现它与幅度非线性所产生的交调失真产 物是相类似的，可以用三阶交调失真系数i m d 来表达。 7 电子科技大学硕士论文 2 , 3 功率放大器中的非线性指标 线性功率放大器的技术指标，除工作频带、增益、驻波比、噪声和效率外， 主要指标是功率放大器的功率输出以及对信号的非线性失真。表征功放的功率 输出和线性度的指标分别是输出l d b 压缩点功率只。、三阶交调系数删- 3 、三阶 输出截止点和临近信道干扰率( a c p r ) ，如图2 ，3 所示。 h n ( i h ) 莽 一一一1 蛾婚删 ： ，i ) ， ( a ) q g l o 0 图2 3功放的输入输出与互调特性 一、i d b 压缩点输出功率日出 图2 - 3 ( a ) 是功率放大器输出功率与输入功率的关系曲线。当输入功率较小 时，输出功率与输入功率的比值是一个常数，即为线性关系。所以功率放大器 在小信号工作时，其增益与输入功率大小无关。但随着输入功率的增大，输出 功率与输入功率的比值将减小，即出现增益压缩现象，他们的关系曲线逐渐弯 曲，如图2 - 3f o ) 所示。当输入功率加大到某一数值时，放大器的输出功率达到 最大，以后就开始下降，这一点就称为功率放大器的饱和点，如图2 3 ( a ) 中b 点所示。很显然，如果微波功率放大器工作在饱和点附近就会出现严重的非线 性失真。 当微波功率放大器增益l k d , 信号的线性增益低l d b 时，这一点通常称为l d b 压缩点，见图2 3 ( a ) 中a 点，此时的增益称为l d b 压缩点增益，记做g ，。对 8 电子科技大学硕士论文 应于该点的输出功率称为输出l d b 压缩点功率，记做e 。 二、三阶交调系数i m d 放大器在大功率时呈现非线性，如果有两个相近的频率和w ，信号，通 过放大器，则将产生新的组合频率，一般表示为m w 。i l w 2 ，最靠近w l 和w 2 的频 率分量为2 w 。一w 2 和2 w ：一w 。，由于这两个频率分量在放大器的通带内难于虑 除，故以它们的幅度与基波幅度之比值衡量放大器非线性失真的程度。一般称 2 w i w 2 及2 w 2 一w 1 两个频率分量的幅度为三阶交调幅度，定义三阶交调系数 脚用分贝表弑i m d = 2 0 1 9 黼d b c 。 五五 、萨一稍 图2 4 三阶交调系数 三、输出三阶截止点i p 3 图2 - 3 ( a ) 放大器输出功率与输入功率的关系曲线图中将基频曲线与三阶分 量曲线线性延长的交点( 即图中p 1 点) 它在实际中并不存在此时放大器早已工 作在饱和区，它一般由厂家给出可以反映放大器线性工作的能力，也是放大器 的本身固有的重要指标。在多级级连放大器链路中，三阶交截点表达式： 皿r2 i j 至i 1 _ 匿互( ，2 ，3 - )( 2 _ 1 3 ) 伊3 1 俨32 护3 3伊3 。 9 电子科技大学硕士论文 四、临近信道干扰率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 ) 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出 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 r r a t i o ) 来表示。它的含义 是：泄漏到相邻信道的总功率与主信道的总功率的对数比值，它是衡量c d m a 放大器线性性能的一项重要指标，不同的通信标准对a c p r 有具体的要求。在 多信道通信系统中功率放大器产生的非线性信号对临近信道干扰与三阶交调系 数有密切的关系，a c p r 可由i m d 推算出( 5 1 ，公式如下： r。3、 4 嗍m 2 肋“0 1 。爿i 赫j ( 2 - 1 4 ) 式( 2 1 4 ) 中，彳= 竺学i - t m o d ( n 2 ) ：b ：t n 2 - m o d ( n 2 ) ：n 为信道 ，4r 。 d 1 个数；m o d ( ) 是取余函数。 五、测试方法 首先输入单音信号测试放大器增益、驻波比、噪声、和输出功率鼻。 对于线性放大器线性化效果测试要输入等幅双音信号测试，主要测试i m d ， 测试时需要注意使功率放大器输出功率在只。，否则将产生功率回退使测试不 准。测试原理图( 如图2 - 5 所示) 。 算。 图2 - 5双音测试原理图 a c p r 的测试非常复杂，需要标准多信道频率发生器，可以通过前面公式推 l o 电子科技大学硕士论文 第三章微波功率放大器的线性化技术 根据第二章的推导以及计算我们分析了功率放大器菲线往产生的原因以及 其产生的频率和幅度。那么如何来消去这些非线性失真，使其对系统的影响减 小? 提高放大器线性度最简单的方法，将放大器工作在甲类，并降低工作电平， 直到得到所要求的线性度。典型的甲类功率放大器中，n 阶交调分量输出功率随 输入功率变化为nd b d b ，而线性输出变化为l d b ，d b 。所以少许的功率回退可以 使交调产物大幅压缩，特别是对高阶产物，这就是功率回退法。但这种方法对 放大器的效率和放大器本身的工作能力来说是一种浪费，随着电子、通信技术 的发展人们更钡1 3 重于采用线往化技术常用的线性化技术主要有三种：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 ) 和前馈技术( f e e d f o r w a r d ) 。 3 1 反馈技术 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【6 】，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( 图3 - 1 ) 1 7 心。 图3 - 1反馈基本原理凰 当主路中放大器增益为a ，反馈系数为k 时，输入输出表达式为： 删= 蔫堋( 3 - 1 ) 当a k 时，k 十彳m a 式( 3 1 ) 化简为： y ( t ) = 戤o )( 3 - 2 ) 电子科技大学硕士论文 从式( 3 。2 ) 可以看出，虽然增益有所下降，但是与原放大器相比较在线性 性能方面有所增加，然而在射频应用时相移、增益以及带宽都将是影响其性能 的主要方面，在设计时需要特别注意，应用在射频频段的反馈技术还可以分为 直接反馈和调制反馈。 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，反馈环上的有限时廷限制了带宽1 9 】，而且，这种方法难以实现多级反馈。 在更高电平上，反馈网络耗散很大，不得不使用商功率电阻，增加了成本和结 构复杂性。另外，u h f 频段上单个r f 放大器仅有约1 0 r i b 的增益，通过直接反 馈，减少增益来提高i m d 必然要受到一定限制。 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驱动或控制信号。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，所以在 反馈程度比较深的情况下，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、笛卡 儿环技术等等。 包络反馈技术是校正幅度失真的一项比较简单的技术，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控制脉冲整形。 图3 。2 给出了包络反馈系统的一般结构【1 0 1 。可以看到，功率放大器输出的幅度分 量通过检波器检测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( 即放大器的失真) 被放大、滤波后，再对功率放大器的驱 动级进行调制，从而对功率放大器输出的幅度分量进行了校正。 1 2 电子科技大学硕士论文 图3 - 2 包络反馈 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，致使校正程度降低，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，信号可能会产生相位差，使校正处理被削弱或变得不对称。通 常，校正电路的带宽必须是信号包络带宽的l o 倍以上。 包络消去与恢复技术【1 1 1 ( e e r ) 起初是用在s s b 和t v 发射机中，如图 3 3 所示，利用检波器和限幅器，r f 输入信号被分别分成幅度和相位分量，相 位分量在丙类放大器中被放大。在电子管设计中，幅度分量常被用来进行末级 调制；而在固态电路中，幅度分量则可以通过调制器直接加在丙类放大器上。 由于r f 功率放大器工作在丙类，可以得到非常高的效率，一般大于5 0 ，i m d 失真抑制约3 0 d b c 。但是，限幅器的非理想性和调制器的a m p m 转换等因素都 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。 1 台器限幅器功率放大器 图3 - 3包络消去与恢复 1 3 电子科技大学硕士论文 极化环【1 2 】( p o l a rl o o p ) 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。 如图3 - 4 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，它还通过鉴相器( p d ) 和压 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 c 左右，若使用性能非常好的晶体 管，效率还可达到5 0 以上。极化环技术已经被用在高功率的商业中波发射机 中，若在要求的带宽上降低假响应电平，并有足够反馈，则它还可用在v h f 和 u h f 高效多载波放大器中。不过，由于宽带信号用幅度和相位表示有困难，它 通常应用在单载波系统中。 限幅器鉴相器限幅器 混频器振荡器 图3 4 极化环 出 笛卡儿环【l 州在上世纪九十年代逐渐流行起来，已经有大量相关产品，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。如图3 - 5 所示，基带i q 输入信号通过差分放大器加在 了正交的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面生 成u q 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，并工作在信道的中心频率上。与极化环相比，这种系统的好 处在于u q 两个正交信道有良好的匹配，并且增益和带宽对称。使用先进的射频 1 4 电子科技大学硕士论文 和软件技术，极化环系统的可以达到 4 5 d b 的镜像抑制和 5 0 d b 的载波抑制。在 有限的带宽上，实际系统的线性度可以提高到4 5 d b c 以上。在最初的设计中， 基带u 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u q 信号。甚至，利用d s p 芯片，可 以对u q 信号进行预失真，从而弥补了r f 电路中的不足。 差分放大器 i q 调制器 基带政太器i q j 薛调器 3 2 预失真技术 图3 - 5笛卡儿环线性化系统 嚣号 预失真技术从失真抵消的概念上来说是最简单和容易理解的，它是通过产 生输入信号的互补信号，来消除r f 功放的非线性失真的线性化技术。最简单的 一种是在信号主通路上放置二极管或晶体管( 常为g a a s ) 网络来校正三阶交调 失真。在t v 发射机( 中频预失真) 及t w t 放大器( r f 预失真) 中已经成功地 运用预失真技术来校正三阶交调失真【1 4 u s l 。 预失真技术本身是比较稳定可靠的，但简易预失真器的开环状态，无法补 偿温度变化等外部影响，除非使用一定的调节系统。预失真技术能够单独对幅 度和相位进行校正。预失真技术也可以作为闭环系统( 如反馈系统) 的一种补 1 5 电子科技大学硕士论文 充，来弥补闭环系统的一些不足。预失真技术可分为射频( 中频) 预失真技术 与基带预失真技术两类。 增益和相位补偿方法就是一种r f 预失真技术，如图3 6 所示，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和相位失真。增益和相位 补偿系统的三阶交调产物抑制典型值可达1 0 d b ，但由于校正系统的开环，抑制 效果还要随温度、放大器增益的变化而受到影响，因而需要外加某些调节控制 电路。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。 妤输出信号 圈3 - 6预失真( 幅度与相位补偿) 另一个r f 预失真的方法见图3 7 所示。是带有自适应控制的预失真技术。 根据功率放大器的输出v a ( t ) ，线性化电路产生一个理想调制信号v m ( t ) 的预失真 量v d ( t ) 。预失真器单元则由一个复正交调制器组成用非线性多项式对同相和 正交端口进行调整，该多项式为输入信号包络的函数。反馈通道则将功率放大 器输出一部分馈送至正交解调器( q d m ) 的r f 端口。q d m 的l o 端e l 为预失真 器的输入信号端口。对复基带信号进行带通滤波可以获得由功率放大器所产生 的带外功率，将该q d m 带外功率进行均衡和功率检测，便得到用来对预失真器 进行调整的大小幅值，自适应射频预失真技术利用调制信号的包络产生两个非 线性函数，后者插入与功率放大器的非线性相反的幅值和相位。两个非线性函 数被加入到由一个复相位调制器组成的预失真器单元电路，复相量调制器则控 制输入参考信号的幅值和相位，两个非线性函数的系数则由一个微处理器控制。 1 6 电子科技大学硕士论文 广 图3 7自适应射频预失真 射频预失真技术具有电源效率高、成本低等优点，是目前比较有发展前途 的一种方法。不过这种方法仍然需要使用射频非线性有源器件，它们的控制和 调整是一个不易处理的过程。 基带预失真【l6 】是利用d s p 芯片对上变频前的基带信号( 模拟或数字) 进行 预失真。预失真器利用查询表( 1 0 0 k - u pt a b l e ) 将i q 输入信号变换成新的预失 真信号。这种方法可以达到非常好的性能，但需要好几兆比特的存储空间。此 方法对各种变化也能逐渐收敛并作相应调整。在基带预失真技术中，基于增益 的基带预失真是利用包络电平，通过插值的方法来修正复杂的输出信号：基带 模拟预失真是对由d s p 芯片控制的模拟电路基带信号进行预失真，不涉及难度 较大的射频信号处理，只在低频部分对基带信号进行处理，因此该方法便于采 用现代的数字信号处理技术。 1 7 电子科技大学硕士论文 3 3 前馈技术 前馈技术是由美国的h s b l a c k 在1 9 2 8 年提出l l ”，但这之后人们一直关注 于反馈技术，前馈技术几乎被忽视，直到1 9 7 0 年之后，贝尔实验室才最早开始 了在射频领域应用前馈技术来提高线性度的研究【1 8 】 1 9 】，在8 0 年代后前馈技术才 重新回到人们的视野，受到越来越多人们的关注。现在前馈放大器已经广泛的 应用在多载波通信系统、有线电视系统、卫星系统以及蜂窝系统中( 包括基站 和终端) 。 前馈技术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，具体结构与原理如图3 8 所示。前馈 系统一般有两个环路，在信号抵消环中，未失真的参考信号( a ) 与主放大器的 输出失真信号( b ) 相减得到信号失真分量( c ) 。失真分量( c ) 在失真抵消环 中经过辅助放大器放大后反相叠加到主输出回路，从而抵消了功率放大器的失 真，得到所需要的信号( d ) 。 、，一 信号抵消环 、1 ，- 一 失真抵消环 图3 - 8前馈系统基本原理 前馈线性化技术具有很高的线性化效果。前馈技术不仅可以得到与闭环系 统相仿的线性化水平，而且还具有开环结构的稳定性和宽带2 0 1 。其一大特色就 是主放大器产生的所有无用信号( 包括交调产物、谐波失真以及噪声等) 均可 以被抵消或抑制，如果抵消理想的话，噪声系数则主要由辅助放大器决定而不 是主放大器。另外，前馈系统的工作频率和动态范围较其它线性化技术要好很 1 8 电子科技大学硕士论文 多。对于前馈系统的具体分析将在下一章中介绍。 一般说来，各种线性化方法大体都可以归成两大类【2 l 】，即开环或闭环技术。 各种反馈等都可看成是闭环系统，它们具有很高的线性化能力，可以在满足一 定频谱抑制的同时，得到较好的功率输出和效率，但由于受到调制带宽的严重 限制，通常局限在单载波系统的设计中。预失真技术则可看成开环系统，它没 有闭环系统的校正精度，但它能够处理的多载波信号，调制带宽非常宽，也不 存在制约闭环系统固有的稳定性问题。并且其实现简单，成本较低，适合于在 便携式系统等要求廉价且容量太的通信系统中使用。 而前馈系统不仅可以得到与闭环系统相当的线性化能力，而且还具有开环 结构的稳定和宽带，是种性能较好的线性化技术。不过，前馈系统的校正环 中需要辅助的功率放大器，所以总的效率比较低：而且前馈系统还要求一定的 增益和相位追踪调节电路。总的说来，前馈系统具有很多其他线性化技术不能 比拟的优点，非常适合在无线通信系统射频单元的使用。因此，本文的工作就 是采用前馈线性化技术实现微波功率放大器的高线性化，从而满足t d s c d m a 系统标准的需要。 1 9 电子科技大学硕士论文 第四章前馈功率放大系统的分析 在本章中将详细分析前馈功率放大器系统，从时域和频域的角度揭示其线 性化的原理，从分析中得到前馈系统线性化时各个部件应该满足的关系，以及 各个部件对电路性能的影响。这些分析和总结将是前馈系统设计的基本依据， 它们为设计前馈放大器提供了实用、有效的方法，这些方法将在今后的实验中 得到进一步的证实。在本章4 1 和4 , 2 小节的推导中我们以本文所要实现的前馈 功率放大器为例进行分析，在4 3 节中将归纳前馈系统的一般原理。 4 1 时域分析 图4 - l前馈功率放大系统 图4 1 为前馈系统的一般原理图，在推导中我们以本文所要实现的前馈功率 放大器为例，给定以下条件：c 1 为等功分器，c 3 、c 4 为等功率合成器，耦合 器c 2 的耦合因子为c c ：，主放大器放大倍数q l ，辅助放大器放大倍数g 。：。 令输入信号为k 。( f ) ，经过c i 和主放大器放大之后输出： 匕，：吼。掣e - l a ，+ ( f ) ( 4 - 1 ) 叫上 f 。为主功率放大器的时延，屹( f ) 是主功放产生的失真信号。此路信号经过 耦合因子为q ，的耦合器后分为两路，一路经过正，另一路进入c 3 的信号为： p 2 = c c 2 n 。( 4 - 2 ) 2 0 电子科技大学硕士论文 输入信号经过c 1 和互时延f ，。进入c 3 的信号为： 。：掣e w 一( 4 - 3 ) 假设c 3 为理想功率合成器，式( 4 - 2 ) 牙n 式( 4 - 3 ) 经c 3 合成后输出： v e , = g 1 l c c 2 掣) e - m r a q - 击2c 。：圪( f ) 一掣e 叶1 挣。) 因为这环路为信号抵消环路，若要满足信号完全抵消式( 4 4 ) 第一项和第 三项应相等，即： g l = v c c 2 ，f = f n 抵消后信号式( 4 、4 ) 经过辅助放大器a 2 ，输出： 巧：= 去 ：c c ：圪 小m ( 4 5 ) 二 c 2 输出的式( 4 1 ) 经过t 2 时延f r 2 的一路信号为： 肾吼警e 皓”。t ( 4 6 ) 此信号式( 4 6 ) 与：式( 4 - 5 ) 在c 4 处进行合成，c 4 与c 3 相同，最终输出信 号为： v o u t = g a i e - i m ( r m + r r d + 击( f ) e 1 一圭g 。：c c ：e k 。4 ( 4 7 ) 这一环路为失真抵消环路，若要完全抵消失真分量，第二项和第三项应该 抵消，即： 吼2 = 2 c c 2 ，乃2 = f r 2 由上面的时域分析我们可以得出以下结论：主放大器的放大倍数应该和耦 合器c 2 的耦合因子c c ：的倒数相等，辅助放大器的放大倍数g a ：= 2 c c ：，以 满足环路抵消时的幅度平衡；而两放大器的时延应该与两时延线的延时相等， 以满足环路抵消时的相位平衡。这也就是前馈放大器设计的难点，要精确的控 制两路信号的幅度和相位。当式( 4 1 7 ) 中的失真信号完全抵消时我们也会得到输 出为： ：g 。掣b 蚶m ( 4 - 8 ) 2 1 电子科技大学硕士论文 注意到上面的讨论是基于误差放大器没有失真的条件，因此输出的信号里 面就没有额外的失真。实际上这个失真也是可以不考虑的，因为误差放大器的 输出功率比主放大器输出的要低很多，我们只要将辅助放大器设计工作在线性 区域，就可以做到很好的线性性能，而主放大器一般却需要工作在饱和区。由 式( 4 _ 8 ) 看出功率放大器成了理想的无失真的线性放大器，这就是说从理论上 前馈法可以实现对功率放大器的线性化。对于误差放大器对电路的影响将在下 一节中分析。 4 2 频域分析 同样在频域我们令输入信号瓦c 厂) 主功率放大器频率响应： 巴。c 厂) = g 。+ 爿，s i l l ( 2 巧吖 )( 4 9 ) 辅助放大器频率响应： 一：( 厂) = g 。+ 4 ：s 试q 矿，0 + 庐)( 4 1 0 ) 4s i n ( 2 巧吖 ) 和4s i n ( 2 矿y o + ) 为放大器产生的失真。 从时域分析我们已经知道，为了完全对消，延时线时延应与放大器时延完 全相等在此处等式推导中我们不考虑放大器时延因此此处f ，。= 白：= 0 ( 实际 电路中可用可调相位器对时延进行调整口9 】) 。 主信号抵消环后c 3 输出：