（检测技术与自动化装置专业论文）20w+gsm基站功率放大器的研制.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 在移动通信领域，网络优化是运营商在运行维护工作中的一个永恒主题。随 着国内g s m 通信系统由网络覆盖向精品网络发展，对原有网络的优化成为了 重点。基站功放是一项在国内迅速普及和成功应用的技术，在提升基站性能 和改善网络质量方面具有很强的优势。在欧洲的许多运营商将其作为g s m 网 络优化的重要手段，亚洲的许多国家和地区的运营商也正积极采纳这一技术。 随着网络优化工作的不断深入，基站功放有着较好的发展前景。 本文的主要任务是研制出9 0 0 m h z2 0 wg s m 基站功率放大器模块。围绕 功放的设计、仿真、调试、测试等整个研制过程，主要开展了以下四个方面 的工作： 1 、从理论上对正交平衡结构放大器关于非线性频率的抑制特性进行了 深入地研究，并通过建模仿真证明了该种结构功率放大器不具有改善三阶交 调的作用： 2 、分别采用高增益方案和大功率数控衰减器方案解决了在5 w 的高输入 功率电平下实现较高精度的数控0 7 d b 增益调节功能； 3 、采用了一种改进型温度补偿电路，有效地克服了传统温补电路由于 功率器件阂值电压的离散性而导致的补偿缺陷，使得功放温度补偿的一致性 更好，更加适合批量生产； 4 、将负载牵引法的设计思想引入到功放的调试过程，调试出了三阶交 调指标低于一4 0 d b c 的高线性度功放。 关键词：基站功放大功率数控衰减器三阶交调负载牵引温度补偿 电子科技大学硕士论文 a b s t r a c t i nt h ef i e l do fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，n e t w o r ko p t i m i z a t i o ni sac o n s t a n tt h e m e i nt h em a i n t e n a n c ew o r ko fo p e r a t o r s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ed o m e s t i cg s m c o m m u n i c a t i o ns y s t e m r a n g i n g f r o mn e t w o r kc o v e r a g et o s u p e r i o rn e t w o r k ， o p t i m i z i n gt h eo r i g i n a ln e t w o r ki sb e c o m i n gak e y s t o n e b a s es t a t i o np o w e ra m p l i f i e ri sa k i n do f t e c h n o l o g yw h i c hh a sg o ts p e e d yp r e v a l e n c ea n ds u c c e s s f u l l ya p p l i e da th o m e i th a sg r e a t s u p e r i o r i t yi ne l e v a t i n gb a s es t a t i o ne a p a b i l i t ya n di m p r o v i n gn e t w o r ks e r v i c eq u a l i t y m a n y o p e r a t o r si ne u r o p et a k ei ta s ak e ym e a n si ng s m n e t w o r ko p t i m i z a t i o na n do p e r a t o r si nm a n y a s i a nc o u n t r i e sa n da r e a sa r ea d o p t i n gi tt o oa l o n gw i t ht h en e t w o r ko p t i m i z a t i o ng o i n gd e e p i n s i s t e n t l y , b a s es t a t i o np o w e ra m p l i f i e rh a sp r o s p e c t s t h em a j o rt a s ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni st od e v e l o pa9 0 0 m h z2 0 wg s mb a s e s t a t i o np o w e r a m p l i f i e rm o d u l e c o n c e r n i n gt h ep o w e ra m p l i f i e r i nt h ew h o l ec o u r s e o f d e s i g n ，s i m u l a t i o n ，d e b u g g i n g ，t e s t i n ge t c w o r ko f 4a s p e c t si sc h i e f l yc a r r i e do u t a s f o l l o w s ： 1 t h e o r e t i c a l l yd e e pa n a l y s i s i sm a d ew h i c hi sa b o u tc h a r a c t e r i s t i c so f s u p p r e s s i o no nn o n l i n e a rf r e q u e n c ya b o u tq u a d r a t u r eb a l a n c e da m p l i f i e r ，m o r e o v e r ， w i t ht h eh e l po fm o d e l i n gs i m u l a t i o n ，i ti st e s t i f i e dt h a tt h ek i n do fa m p l i f i e rc a n t i m p r o v et h ei m 3r e m a r k a b l y 2 s e p a r a t e l ya d o p th i g hg a i np r o j e c ta n dh i g hp o w e rd i g i t a la t t e n u a t o rp r o j e c t t os o l v et h e p r o b l e mo fr e a l i z i n gh i 曲e rp r e c i s i o nn u m e r i c a l c o n t r o l0 - 7 d b a d j u s t m e n tf u n c t i o nu n d e rt h eh i g hi n p u tp o w e ro f5 w 3 ak i n do fa m e l i o r a t i o nt y p et e m p e r a t u r ec o m p e n s m i o nc i r c u i ti sa d o p t e d a s t h ec o n s e q u e n t ，c o m p e n s a t i o nl i m i t m i o nb r o u g h tb yd i s c r e t e n e s so ft h r e s h o l dv o l t a g e o f p o w e rd e v i c ei ss o l v e de f f e c t i v e l yi nt h ec o m m o nt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nc i r c u i t s o ，c o m p e n s a t o r yc o n s i s t e n c yi sb e r e r ，i sm o r ef i tf o rm a s sp r o d u c t i o n 4i n t r o d u c et h ed e s i g n i n gi d e ao fl o a dp u l lt ot h ed e b u g g i n gc o u r s eo fp o w e r a m p l i f i e ra n db r i n go u th i g hl i n e a r i t yp o w e ra m p l i f i e ro ft h i r d o r d e ri n t e r m o d u l a t i o n i o w e rt h a n 4 0 d b c k e y w o r d s ：b a s es t a t i o np o w e ra m p l i f i e r ，h i g hp o w e rd i g i t a la t t e n u a t o r ， t h i r d o r d e ri n t e r m o d u l a t i o n ，l o a dp u l l ，t e m p e r a t u r ec o m p e n s 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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：日期：驴湃；月日 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) 签名导师签名：趟 曰期：年月 f 1 电子科技大学硕士论文 第一章引言 移动通信是2 0 世纪7 0 年代以来发展最快的通信领域之一。目前中国无 论从网络规模还是用户总数，都已经跃居世界首位。蜂窝移动通信系统通过 重复使用频率，极大提高了频谱利用率，从而使其成为信息产业的佼佼者。 它使用频率和用户移动的特点，又使无线网络优化成为移动通信中提高网络 运行效率、降低运营成本，提高网络质量、留住客户，增加网络容量、提高 运营商经济效益的重要手段。网络优化是运营商在运行维护工作中的一个永 恒主题，随着新技术的不断出现，电信市场竞争的不断加剧，要求运营商通 过不断优化网络资源，来提供更多更好的移动信息服务。 1 1g s m 网络优化的意义 g s m 移动通信系统以其数字化程度高、安全性高、业务种类多等优点，使 移动通信得到了迅猛发展。由于移动用户超常规的发展速度，各省必须不断 对网络进行扩容，一个城市可以有多个m s c ( m o b i l es w i t c h i n gc e n t e r ) ，几 百个基站，网络规模急剧膨胀。由于我国g s m 网络缺少统一规划，各省的网 络结构随着每一次工程的实施都有所改变，网络缺乏稳定性、长远性。而且 省内网的不断变化，影响了整个移动网的结构，对g s m 网络的服务质量也会 造成一定的影响 1 。因而，作为国内目前规模最大的移动网，g s m 网络优化 的问题显得日益重要，理由如下： 1 虽然移动通信技术发展很快，第三代( 3 6 ) 移动通信的标准也在不断 完善，g s m 网络仍将在较长的时间内继续存在下去。目前全世界约1 9 0 多个 运营商正在经营g s m 网络，服务1 0 亿多用户。从保护投资、保护运营商利益 的角度出发，g s m 网络将继续存在并且不断发展。g s m 网络需要通过优化保持 其服务质量。 2 通过对g s m 网络的优化，可进一步挖掘系统的潜力，发挥g s m 网络的 优势，提高网络的服务质量，满足用户的需求，为运营商创造经济效益。 3 即使进入3 g 时代，由于双模手机的大量生产，为g s m 与c d m a 系统问 的切换提供了可能，g s m 系统和c d m a 系统将长期共存。因此，必须通过对g s m 网络进行优化，保持g s m 网络良好的网络质量，在网络覆盖和功能上与c d m a 系统互补。 综上所述，对正常运行的g s m 移动网络进行持续不断地优化是非常必要 的。 电子科技大学硕士论文 1 2 基站功率放大器概述 蜂窝小区覆盖率是衡量蜂窝移动通信网络服务质量的重要指标之一。由 于移动网络设计之初一般以理论值作为基站建立的依据，而实际使用过程中 由于地形环境的影响很多基站并未达到预期的效果，这就表现为在相邻基站 中间位置经常出现通话质量降低网络质量下降甚至无网络服务的现象。为了 改善网络覆盖，通常有三种方法 2 ：添加基站，覆盖盲区；增设直放站， 延伸并扩大原基站信号，以增强信号覆盖，保证和提高通信质量；在原有 的网络设备基础上，通过提高基站的发射功率扩大覆盖范围。基站功率放大 器就是一种通过提升基站发射功率来优化网络覆盖的解决方案。 1 2 1 基站功放的历史与现状 基站功放是一项在国内迅速普及和成功应用的技术。主要是解决g s m 基 站上、下行链路功率的不平衡问题。1 9 9 4 年，基站功放开始使用到g s m 系统 中，由于其在提升基站性能和改善网络质量方面具有很强的优势，在欧洲， 基站功放正以每年成倍的数量被使用，是欧洲众多运营商对g s m 网络进行优 化的重要手段，亚洲的许多国家和地区的运营商也正积极采纳这一技术。在 国内，广东、浙江等地正在小批量使用。但可以预计基站功放将得到象欧洲 一样的普及。 1 2 2 基站功放的实用价值 作为优化网络信号覆盖的一种解决方案，基站功率放大器( 加塔顶放大 器) 具有较高的实用价值，主要体现在以下几个方面： 技术提升方面 1 扩大基站覆盖范围。 2 提高上行接收电平，改善弱覆盖。 3 降低掉话率，提高通信质量。 4 降低手机输出功率，减少上行信号的干扰。 组网优势得到充分发挥，更好的网络优化 网络干扰的减少意味着可以采用更高频率复用率方案，提高系统容 量。从另方面说，加装基站功放后，基站输出功率增加，有效覆盖面积 增加，因此覆盖一定区域的基站数量可以减少。下面我们举例说明： 例某基站有效覆盖半径5 k m ，加装塔放后其有效覆盖半径增加3 0 ，即 电子科技大学硕士论文 达到6 5 k m 。那么，不装基站功放时4 个基站的覆盖面积为： s l = 4 x 3 1 4 x 5 2 = 3 1 4 k i n 2 加装基站功放后，3 个基站的覆盖面积为： s 2 = 4 x 3 1 4 x 6 5 2 = 3 9 8 k m 2 这就是说，用加装基站功放的基站组网，可将通常的4 x 3 组网方式改用3 x 3 组网方式，节省2 5 的基站数量。 在有馈线和分、合路部件损耗的条件下，靠提高基站接收机灵敏度来提 高系统灵敏度是事倍功半，有时是不可能的。而加装基站功率放大器则很容 易做到这一点。 提高运营商的企业形象 好的产品代表了企业形象，企业形象是发展中企业的生命。基站功放 产品能全面提高基站的性能，在长期的使用和比较中，加装基站功放的基 站体现出如下优点： 1 组网费用最低 2 基站掉话率低 3 越区切换成功率及接通率高 4 覆盖区域内盲点最少 5 用户反映最优 上述优点在g s m 中反映出的是综合系统性能的提高。在实践中运营 商最为关心的是系统性能的优劣。因此，拥有良好系统性能的基站将是运 营商在竞争中取胜的基础。 1 2 3 基站功放的市场前景分析 对于g s m 网络或者c d m a 网络，在农村地区，基站的覆盖与容量之间的关 系存在突出的矛盾。主要表现在容量有余而覆盖不足，致使大量的农村地区 采用单载频基站，由于农村地区地域广阔，基站往往采用高架塔方式。另外， 天线高架以后也导致射频传输线损耗加大，天线输出的功率进一步下降，基 站的覆盖也相应减小。如果能使基站的覆盖范围扩大，则前提条件是基站采 用多载频方式，这样可以使容量与信号覆盖范围匹配，同时也节省了大量的 基站建设费用。 基站功率放大器可以使g s m 或者c d m a 覆盖范围扩大，一方面可以使规划 建设的基站数目减少；另一方面在已建好的基站上使用时，使现有网络的覆 盖质量提高，覆盖盲区减少。特别是随着微蜂窝数量的增加，g s m 或者c d m a 基站功率放大器的数量也会增加，它可以使微蜂窝覆盖范围极大地得到扩展。 电子科技大学硕士论文 目前，世界上一些大的电信公司纷纷推出g 网和c 网的微蜂窝和宏蜂窝 产品，因此基站功率放大器具有较好的市场前景。另外，国内在经过早期的 网络覆盖建设后，必然将工作重点转移到网络优化方面，基站功率放大器及 其延伸产品塔顶放大器将是一种很好的选择。移动和联通的各地分公司 也在对该产品进行单独招标，其应用前景非常广阔。 1 3 选题依据以及本文内容安排 1 31 课题来源 随着国内g s m 通信系统由网络覆盖向精品网络发展，对原有网络的优化 成为了重点。移动和联通在各分公司都有基站功率放大器的招标。西科公司 在得到这一信息后迅速组织研发和生产，本课题就是来自联通2 0 w 基站功率 放大器的招标开展的民用预研项目，本文的具体工作是研制一下行链路中的 基站功率放大器，具体指标要求如下： 工作频带：9 5 4 9 6 0 m h z 典型增益：1 0 0 5 d b 可调增益范围：0 7 d b 增益平坦度：1 d b 输入功率：1 2 3 7 d b m 1 d b 压缩点输出功率：4 3 d b m 三阶交调：一4 0 d b c ( 条件：a f = l 如，岛= 3 7 d b m ) 杂散：3 6 d b m 驻波比：i 4 工作温度：0 5 5 0 c 具有功率检测和驻波比检测功能 1 3 2 本文内容安排 围绕2 0 wg s m 基站功率放大器模块的研制，本文在结构安排上大致可以 分为六章。第章为引言部分；第二章是对基站功率放大器优化网络覆盖的 工作原理的说明；第三章讲述的是功率放大器的线性化问题，主要探讨了几 种常用的线性化技术，并对正交平衡结构放大器对非线性频率的抑制特性进 行了详细的研究，还对功放所采用的l d b l o s 器件的特性进行了介绍；第四章 重点阐述了采用两种方案( 高增益方案和大功率数控衰减器方案) 对基站功 放的设计思路和仿真过程；第五章讲的是功放的实现并给出了测试结果；第 六章是本文的结束语。 电子科技大学硕士论文 第二章基站功放优化网络覆盖的原理 2 。1 基站功放适用的环境 移动网应提供尽可能大的覆盖范围。覆盖包含地理覆盖和人口的覆盖( 或 者说话务负荷的覆盖) 1 。覆盖率被认为是服务质量的一项指标，且非常重 要。对于移动运营商来说，如何低成本地解决网络信号覆盖的质量问题是至 关重要的，这就是网络覆盖优化要解决的问题。 在前面第一章1 2 节中提到的三种改善网络覆盖的方法都具有可行性， 但是增设基站，虽可以扩容，但是建设成本太大，牵涉面广，建设周期长， 是一项昂贵而艰巨的工程；第二种方法，增设直放站，又因为其对隔离度要 求，必须有合适的安装环境，以实现施主天线和重发天线之间的有效隔离， 否则容易造成自激干扰，影响基站的多项指标。特别是在以下几种情况时， 采用前两种方法的局限性更为明显： 1 在远离城市的新兴集镇或偏远山村，网络的扩容并未导致用户及话务 量显著增加，但用户的活动及通话半径却明显增大。结果现有基站覆盖范围 相对狭小，增设基站明显不经济； 2 在城市郊区，随着话务量的增加，基站偏离话务中心；或者基站边际 出现了多出覆盖缝隙或盲区。在此情形下，需增设多台直放站才能分别定向 覆盖。若着眼于基站改造，只须扩大基站的覆盖区域就可实现区域信号之间 的切换： 3 处于平原或平缓丘陵地带、空旷平坦区域内的大型村庄、厂矿等，因 无高大建筑或地形的阻隔，安装直放站无法解决隔离度的问题；只需提高基 站输出功率，即可有效扩大覆盖范围，实现无缝覆盖。 4 公路，包括一般高速公路、国道、省道及县道等。公路的地理环境比 较复杂，有地势平坦的公路，又有许多崎岖山路，特别是我国的南部省份， 这种路况为g s m 无线覆盖带来了很多困难。加之高速公路具有车速快、路面 位置高等特点，这就使高速公路的无线信号易受干扰、切换不顺畅等问题经 常出现。另外公路属于狭长型覆盖，不同于城区的成片覆盖；而且有的公路 如某些省道、县道车流量不是很大，话务量低，投资覆盖建设的效益很低。 在上述几种情况下，为搞好覆盖，可以考虑采用在现有基站的基础上加 装延伸放大系统的方法( 见图2 1 ) 来改善原有基站的覆盖范围，延伸放大 系统一般包括单向放大器和双向放大器： 电子科技大学硕士论文 挫 琏盘 鬟 蠖 图2 1 基站延伸放大系统示意图 1 单向放大器通常是指塔顶放大器，它实际上是上行低噪声放大器。它 一般可以被安装在塔顶紧靠天线处，用于提高上行接收灵敏度。但是使用塔 顶放大器必须具备两个前提，否则意义不明显：一是在上下行链路的平衡问 题上，上行链路成为瓶颈；二是在基站设备与天线之间的馈线较长，存在较 大的插入损耗，在这种情况下，使用塔顶放大器可以弥补这个插损所带来的 接收灵敏度的下降。 2 双向放大器顾名思义，不仅上行具有低噪声放大器，下行也有功率放 大的能力。它通常与微蜂窝配合使用，用于解决延伸微蜂窝的覆盖范围。 这里所提到的下行链路中的放大器就是本文所重点讲述的基站功率放大 器。实际上，采取一定的手段，大幅度增加基站的发射功率及其覆盖范围， 是网络优化中解决这些地区信号覆盖的一种独特的新方法。然而在移动通信 系统中由于基站和移动台发射功率和接收灵敏度的差异总会或多或少地造成 上下行链路功率的不平衡，基站功率放大器的作用就是用来改善上下行链路 的均衡问题。接下来将详细分析这种放大器在优化网络覆盖中的工作原理。 2 2 基站功放的工作原理 当首次部署蜂窝系统时，主要考虑基础设施的投资成本，因此都希望用 电子科技大学硕士论文 数量最少的小区来覆盖尽量大的地理区域。此时每个小区的覆盖面积主要受 到噪声的限制，由移动台的接收机灵敏度决定覆盖范围。 1 上行链路分析 根据t sg s m 0 5 0 5 技术规范要求，移动台输出功率等级可以划分为5 级， 详见表2 1 所示 2 ： 表2 1 移动台功率输出等级 功率等级最大载频峰值功率 12 0 w ( 4 3 d b m ) 28 w ( 3 9 d b m ) 3 5 w ( 3 7 d b m ) 42 w ( 3 3 d b m ) 5o 8 w ( 2 9 d b m ) 对于g s m 9 0 0 系统，发射功率片峰值为2 w 或者1 w 的手持机，覆盖区边缘 最小接收信号场强为2 8 d b u v m 。对于在9 0 0 m h z 频率、5 0 欧姆负载，该值能 够换算成一1 0 4 d b m 的接收功率 1 。 对于d c s l 8 0 0 系统，发射功率峰值为1 w 的手持机，覆盖区边缘最小接收 信号强度为一1 0 0 d b m 。 在系统规划时，考虑到衰落的影响，需要增加8 d b 的对数正态慢衰落的 保护，最小接收信号功率设计指标通常定在一9 0 - - 9 8 d b m 。这就是覆盖区边 缘的最小接收电平s 。 为了有效地抵抗快衰落的影响，目前国内g s m 基站接收系统基本都采用 空间分集的方式 2 ，4 。这样在误比特率为1 0 。3 条件下，空间分集一般可以获 取约i o d b 的处理增益q ，那么，在不考虑天线增益与传输损耗条件下，计算得 到上行链路系统( 以g s m 9 0 0 系统为例) 增益： g u = 巧+ gd s = 1 3 6 d b 在模拟系统中，空间二重分集按最大合并法可获得平均为3 d b 的信噪比 改善，但对于数字系统，空间分集可明显提高系统抗突发误码能力【4 。因此， 分集效果将更加明显，但是对于丘陵地区，信道呈现频率选择性，分集接收 处理增益将会有所下降。 2 下行链路分析 根据t s g s m 0 5 0 5 技术规范要求，g s m 基站输出功率等级如表2 2 所示： 电子科技大学硕士论文 表2 2g s m 基站输出功率等级 功率 1 2 345 6 78 等级 最大峰 5 55 24 94 64 34 03 73 4 值功率 ( d b m ) ( 3 2 0 w )( 1 6 0 w )( s o w )( 4 0 w )( 2 0 w )( 1 0 w )( 5 w )( 2 5 w ) 容限 一0一o00一o00一o ( d b )+ 3+ 3+ 3+ 3+ 3+ 3+ 3+ 3 如果设基站信道机输出功率为3 7 d b m ，手持机接收灵敏度为一1 0 0 d b m ， 则根据上行链路相同的计算方法，可知下行链路系统的增益大约为1 3 7 d b 。 3 上下行链路的均衡分析 由上述分析可知，该g , s m 系统上下行链路的系统增益基本上是相同的的。 因此，上下行链路基本上是平衡的。 图2 2 多载波基站连接示意图 对于多载波系统，比如两载波基站，其上下行系统连接方式如图2 2 所 示。下行信道经合成器、双工器、线缆到天线，上行信道从天线、线缆到分 路器进入接收机，其上下行信道插入损耗基本相同，上下行链路也一样基本 平衡。 综上，目前的基站系统的上下行链路已基本平衡。单独提高其中任何一 个单向链路对增大覆盖范围效果都不是很大。如果要扩大基站的覆盖范围， 必须进行双向放大。小区的覆盖，是指最大通信距离，受到上、下行链路中 信号功率弱的那条传输链路的限制。在目前手持机发射功率一定的情况下， 电子科技大学硕士论文 基站的覆盖范围的扩大程度在很大意义上面取决于基站接收机的接收灵敏度 的提高程度，即基站接收机前端噪声系数的改善程度，基站接收机前端噪声 系数的改善可以依靠低噪声放大器实现。一旦上行链路的改善程度确定，则 根据上下行链路平衡的原则就可以确定基站发射机所需要的输出功率，这需 要通过基站功率放大器来实现。为了更加形象地说明这一改善作用，我们下 面将举例来分析。 例对图2 2 中所示的两载波基站，假设r x 前端噪声系数厉为2 d b ，馈 电线缆损耗为3 2 d b ，双工器插损三。为0 8 d b ，分路器插损厶为3 5 d b ，则总 插损l 为7 5 d b 5 。这时候天线入口处的r x 的噪声系数只变为9 5 d b ，即基站 整体接收灵敏度比r x 信道接收机恶化了7 5 d b 。如果此时加装塔顶放大器，设 塔顶放大器的增益嗥为1 5 d b ，噪声系数曩为2 5 d b ，则此时基站噪声系数f 为： ，= + 等以s + 等n ，d b 与没有加装塔顶放大器之前的9 5 d b 的噪声系数相比，噪声系数改善了 6 4 d b ，如果这时也将基站下行功率相应放大6 4 d b ，按电波传播3 5 次幂衰 减 1 规律计算，基站信号覆盖半径约可以扩大到原有的1 5 倍。可见，塔顶 放大加基站功率放大器这种基站双向放大延伸系统的确可以起到增大覆盖范 围的效果。 2 3 小结 本章主要阐述了基站功率放大器用来改善网络覆盖所适用的具体情况， 并通过计算g s m 9 0 0 系统上下行链路的平衡来分析了基站功放在提高网络覆 盖中的工作原理。 电子科技大学硕士论文 第三章功率放大器的线性化 射频功率放大器是移动通信基站中的关键部件，它好比通信系统的“咽 喉”，其性能指标的优劣直接影响通信质量的好坏。理想的线性系统满足叠加 定理，多种频率分量输入，输出端口不会产生新的频率分量 6 ，7 。但实际的 线性系统不是理想的，总会或多或少地产生失真。信号失真可概括为线性失 真及非线性失真。功放的特性在于有非线性失真。常说的功放的失真主要包 括幅度失真、交调失真、谐波失真等。在多载波系统中，这种非线性失真对 于发射信号幅度影响非常大，影响较为严重的是三阶交调失真 8 ，9 。因此， 功放必须要有较高的线性度，这必须使得放大器的工作点减小到线性放大区。 但是功率放大器的效率随着输入功率的减小而减小，若输入功率过小又会影 响到功放的效率。因此，必须对功率放大器的线性度与工作效率进行必要的 折中考虑。下面主要探讨几个和线性功放相关的问题。 3 1 功放线性度指标 3 1 11d b 压缩点输出功率m 线性功放的一个很重要的指标是1 d b 压缩点输出功率。由于功放的非线性作 用，当输入功率达到临近饱和状态时，其增益开始下降，这种现象就是所谓的增 益压缩。典型的输入、输出功率关系可以画在双对数坐标中，如图3 1 所示。当 晶体管的输入功率较小时，增益为常数，称为小信号线性增益；然而，当输入功 率超过一定的量值的时候，晶体管的增益开始下降，最终结果是输出功率达到饱 和。当晶体管的增益偏离常数或比其小信号增益低l d b 时，此点就被称为l d b 压 缩点并被用来衡量放大器的功率容量。l d b 压缩点的相应增益记为g ，。且有 g 1 ，。= g 。一l d b ，其中g 。是放大器的小信号增益。如果将l d b 压缩点的输出功率 只。用d b m 表示，则它与相应的输入功率只1 1 。的关系为： e o 。l ( a s m ) = g l ( 加) + 只( d g m ) ( 3 1 ) 电子科技大学硕士论文 图3 1 放大器的输出与输入功率函数关系 衡量功放性能，固然希望g 。大，使得在相同输出功率下要求较小的输入电 平，但更重要的是己。大( 决定动态上限范围) 或只。大( 决定失真较小的输 出功率) 1 0 。 3 1 2 三阶交调 假设有双频信号q 和输入放大器，见图3 2 ( a ) ，由于非线性作用，输 出有m q n 鸭成分，其中最靠近c o , 、的成分是2 q 一哆及2 吡一c o , 两个频率， 一般落在放大器的频带内不能被滤除 1 1 ，见图3 2 ( b ) 。这两个频率的幅度称 为三阶交调幅度。 122 t 0 1 一w 2l o t 22 2 一1 ( a ) ( b ) 图32 功放的交调失真 定义三阶交调系数( 用d b 数表示时) i m 3 = 2 0 l g 警 c 。z ， 交调失真产物对模拟微波通信来说，会产生邻近话路之间的串扰，这对数字 微波通信来说，会降低系统的频谱利用率，并使误码恶化。因此容量越大的 系统，要求三阶交调系数值越低。 电子科技大学硕士论文 3 2 功放的几种线性化方法 针对功放的线性化问题，国内外做了大量的研究工作 1 2 1 7 。从理论和实 践上面进行了分析和试验，概括起来有下列几种线性化方法。 3 2 1 功率回退法 这是最常用的方法，即选用功率较大的管子作小功率使用，也就是牺牲直流 功耗来提高功放的线性度。在等幅双音信号输入情况下，用幂级数形式可以分析 与l d b 压缩点输出功率对应的三阶交调系数为： 2 0 l g i m 3 ( d b c ) = - - 2 3 7 5 d b c ( 3 3 ) 而且进一步分析还发现，任意输入功率的三阶交调系数满足公式： 2 0 l g i m 3 ( d b c ) “ 2 e 。一只。( ) 卜2 3 7 5 d b c ( 3 4 ) 其物理意义如图所示，当p ；。超过e 。，。) 之后，b 。继续增加，输出功率虽然略有 增加，但是三阶交调却急剧恶化，e 。每增加l d b ，i m 3 就恶化2 d b ；而如果从e 。( 。) 每回退l d b ，i m 3 可以改善2 d b 。 图3 3 功率基波和三阶交调输入输出特性 根据上面分析可以看出，功率回退法就是把功率放大器的输入功率从ld b 压 缩点向后回退几个分贝，工作在小于l d b 压缩点的电平上，使功率放大器脱离饱 和区，进入线性工作区，从而改善功率放大器的三阶交调系数。这种方法简单易 行，不需要增加任何附加设备，是改善放大器线性度常用而有效的方法，尤其是 对于批量生产时，调试方法简单且一致性较好。其缺点是功率放大器的附加效率 大为降低。 3 2 2 负反馈法 负反馈是将功放输出的非线性失真信号反馈到输入端，与原输入信号共同作 电子科技大学硕士论文 为功放的输入信号，以减小功放的非线性。图3 4 是负反馈法的原理图，p a 是 放大器。输出端的信号经耦合器被采样后经过反馈网络，倒相，再与输入信号相 加。这样真正输入功放的信号是一种已经失真了信号，它经过放大器p a 后的输 出信号虽然比没有反馈网络时候有所损失，却能有效地抑制三阶交调分量，从而 起到改善功放非线性的效果。 输入 出 图3 4 负反馈法原理框图 通常来说，反馈技术作为一种线性化方法在音频功放领域被广为采用 6 ， 有时候为了展宽频带或者提高功放的稳定性也被应用微波功放的设计中。但是为 了改善功放的线性度，在微波频段，这种技术却使用很少。主要是因为，负反馈 是以牺牲功率器件增益来改善放大器的失真特性的。微波器件的增益十分昂贵， 尤其是对于一些窄带功放，一味采用负反馈改善失真的方法有时会得不偿失。 32 3 前馈法 前馈技术源于“反馈”，应该说是一种老技术，除了校准( 反馈) 是加于输 出之外，概念上完全是“反馈”。前馈法的原理框图如图3 5 所示。 出 图3 5 前馈法原理框图 图中a 1 为待补偿的非线性放大器，a 2 为辅助放大器，整个电路可以分为主 环和辅助环。其工作原理如下：在主环中，输入信号经过耦合器分成两路，一路 进入主功率放大器a 1 ，由于其非线性失真，输出端除了有放大的主频信号外， = 誓 陟至i 电子科技大学硕士论文 还有各阶交调干扰。从主功放的输出中耦合一部分信号经衰减器调节幅度并与输 入信号的另一路( 经过幅度、相位调整) 经过可变延时的信号在耦合器中叠加， 使主频信号完全抵消，只剩下反相的各阶交调分量：在辅助环中，各阶交调分量 经相位调整并经辅助放大器a 2 放大后与经适当延时后的主功放输出信号在耦合 器中叠加，抵消主功放的各阶交调分量，从而得到线性的放大信号。 前馈技术作为一种线性化方法的优点有：和负反馈技术相比，前馈不减小 放大器的增益；前馈克服了延时带来的影响。功放的校准不受放大器幅度延时 的影响，在高增益射频功放中通常都存在很大的群延时，这无疑会对一些具有负 反馈的系统带来很大的不稳定性 6 ；前馈放大器是无条件稳定的一种装置， 不存在不稳定和带宽受限的缺点：辅助放大器由于只用来处理主放大器的失真 信号，因此其功耗很低，完全可以由一个线性度很好的低噪声放大器来组成，这 样就降低了整个系统的噪声系数。同样，事物都有其两面性，前馈技术仍然有其 不足的一面：前馈是一种开环电路，所以器件特性随时间的变化不能被补偿。 在整个频率范围内，温度和时间的校准精度完全依赖系统内各元件的精度。尤其 是在输出抵消环中，在整个频率和温度范围内保持最佳跟踪，仍然是前馈放大器 设计中最具有挑战性的课题。前馈实现的优良指标是用价格换来的。由于放大 器的输出需要额外的辅助放大器，而且要求该放大器本身的失真特性应处在前馈 环系统的指标上限 8 。系统内不同元件的增益、相位跟踪精确度也必须保证， 而且要稳定。因此前馈大大提高了电路设计的复杂程度。 3 2 4 预失真法 功率放大器的自适应预失真线性化技术研究始于2 0 世纪8 0 年代。随着数字 移动通信技术的飞速发展，该技术发展也极为迅速。目前该技术主要分为射频预 失真和基带预失真两种类型。采用基带预失真方法，适应性较强，而且可以通过 增加采样率和增大量化阶数的办法来抵消高阶互调失真，是一种很有发展前景的 方法 1 2 。微波预失真线性化技术的理论研究比较成熟，所以目前采用的比较多。 国内外己经有很多文章应用这一方法来改善功率放大器的线性度。 图3 6 预失真原理框图 1 4 止百： 产一 电子科技大学硕士论文 所谓预失真就是在主功率放大器的前端增加一个预失真级用以改善功率放 大器的非线性。预失真法的基本原理框图如图3 6 所示。假设双音信号从i n 输 入，频谱如a ，经过正交电桥h 1 后分成两路，一路经过线性放大器a 1 放大，频 谱如b ；另一路经非线性放大器a 2 ，输出频谱如b l 。两路信号再由正交电桥a 2 合成一路输出，调节非线性支路输出端的移相器，可以使得b 和b 1 相位相反， 从而合成信号频谱如c 所示，这就是预失真信号的频谱。此信号输入主功放a 3 ， 放大后产生了三阶交调被压缩的，比预失真电路时线性度高的信号频谱d ，这就 是预失真法的基本原理。其实预失真是开环线性化技术中最常用的方法，它的优 点在于不存在稳定性的问题且有更宽的频带。开环系统的校准精度不如闭环系 统，预失真技术用于固态功放的a m 与p m 失真校准是很困难的，只能在闭环校准 系统中作为一种补充手段。 3 3 正交平衡放大器对非线性频率抑制特性的研究 最近国外学者提出了一种能够改善窄带功放三阶交调的线性化方法。这种方 法是采用正交平衡结构，利用信号分、合路时的相位关系，使得放大器产生的基 波信号在正交电桥的一个端口同相叠加，且三阶互调同幅反相抵消。从其实验结 果可以看出，这种正交平衡结构的放大器可以将三阶交调改善近乎1 7 d b 。实际 上正交平衡结构对功率放大器来说是一种非常经典的结构，之前还没有文章提到 过象文献 1 8 中所说的能够对放大器的三阶交调系数有较大程度的改善。我们对 该种结构放大器的工作原理及其抑制非线性频率的特性进行了理论分析，并采用 m i c r o w a v e o f f i c e 软件建模仿真，发现一些与文献相矛盾的地方，因而也对该文 章提出质疑。在本节中，第一部分主要从理论上面论证这种结构的工作原理及其 抑制非线性频率的特性，第二部分通过m i c r o w a v e o f f i c e 建模仿真来验证自己的 理论推导，最后对国外学者的结论进行了分析。 3 3 1 理论推导 所谓正交平衡结构放大器是由两个3 d b 正交电桥和两个相同的放大器共同 组成的一种放大器结构，如图3 7 所示。 皇王型垫查堂堡主笙兰 图3 7 正交平衡结构式放大器 9 0 。正交电桥的转移矩阵表达式为 1 9 ： 假设输入双音信号的正弦表达式为： 端口1 端口2 ( 3 5 ) a c o s ( ou t + bc o s 2 t ( 3 6 ) 因转移矩阵为相量形式( 在复平面上进行分析) ，所以对双音信号进入第一 个正交电桥( 即分路) 时应采用相量模型法进行分析，a c o s ( 0 1 t + b c o s o d 2 t 的相 量表达式为： a e j m “+ b e m ( 3 7 ) 该信号经过分路正交电桥后到达端口3 的信号相量表达式为： 一击剐一垤“k 击加”争”争】 同理可以得出信号经过分路电桥后到达端口2 的信号相量表达式为： 击( 扩。矿1 = 去渺”他”2 】 对作为分路器电桥端口的3 和2 ，相量信号取其正弦电压表达式， 端口3 ： 端口2 ： 吒= 击胁( 叩一) + b c o s ( 叫一三) 】 k = 击 胁s ( 0 u l t - - t t ) + b c o s ( 2 t - r ) 】 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 假设功放为一无惯性网络( 即k 。：1 , 2 3 一为常实系数) 其输入输出表 6 o ，1 o ，0 o l o o ， 0 1 ，o 上压 一 = 肿阵 电子科技大学硕士论文 达式可以写成 1 0 v o = k 1 一+ k 2 1 2 + k 3 t 3 + + k 。k “ ( 3 1 2 ) 将式( 3 1 0 ) ，式( 3 1 i ) 分别代入到式( 3 1 2 ) ，为简化运算只取三阶近似，吒 经过功放1 后输出信号表达式为： ，2 击* - 胁s c 叫一州叫一纠+ 型竿堕+ 竿c o s ) + 竿蛐：) + 竿c o s ：) ”竿o o s ：i z 】 + 击x ，pc o s 一手) + b 3 c o s ( 叫一副+ 专笋c o s ( 叫一刳 + 击* ，pc o s ( 3 ( 0 i t - 等 + b 3 c o s ( 3 一oz t - 孚) + 专笋c 。s ( 叫一手 + 等笋c o s 卜坦，一爿+ 等c o s 卜饿，一爿 + ! ! ；孑；旦c o s ( 2 m 。一m ：l 一手 + ! ! ；笋c 。s 。m ：一m ，x 一手 同理可以推出心经过功放2 后输出信号表达式为 v o = 万1k i - c o s ( 叫圳+ 胁( c o ：t - 州+ 型半+ 竿c o s ( 2 叫砌) + 竿州2 叫一2 小气堡一o 吨x + 生等c o s 盼+ m ：l 一2 。】 + 啬丘，- o - ) 川c o s 。：卅等c o s o ：) + 去k ，k s f 1 3 咖b k f _ 3 z ) 】+ 等c o s 川 + 专笋c o s 氓冲专争c o s 【( 2 叫一 + 三警c o s 队吨h 】+ 等c o s 【( 2 ”啪一z 1 通过分路9 0 。正交电桥的相量矩阵的运算我们可以看出，一个正弦电压信 号经过电桥后在两个端口的幅度分别降为原来的三，而相位则根据对应的端口 2 的不同分别滞后9 0 。和1 8 0 。，下面按照推导出的公式分别对不同频率成分在功 率合成端口的情况进行分析说明： 对于基波信号。，：由于，中的基波的初始相位为一要，：中的基波的 初始相位为一石，经过正交合路电桥后v 0 3 中基波的相位滞后1 8 0 。，而z o ：中基 波相位滞后9 0 。，在输出端口2 处同相，幅度叠加，起到功率合