（电子科学与技术专业论文）tdscdma高效率功放的研究.pdf

a b s t r a c t p ai so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm o d u l e so fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w i t ht h e d e v c l o p i n e n to ft h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ep o w e r 锄p l i n 盯7 s p e i f o n n a n c e sa lei n c r e a s i n g l yd e m a n d e d i nm o d e r nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， b e c a u s eo f 疵l e s sb a n d w i d 饥i no r d e rt o e f f e c t i v e l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c y o t s p e c t r u m av a r i e t yo fn e w t e c h n i q u e sr e q u i r et r a n s p o r t i n gd a t aa sm u c h a sp o s s i b i e u s i n gq a m q p s k , d p s km o d u l a t i o n ，e t c a st h e s em e t h o d so f t e nr e q u i r el 嘲e d v 舶m i ci n p u ts i g n a lr a n g e ，s ot h el i n e a r i t yo fp o w e ra m p l i f i e ri sm g h l y te q _ 嘧e d m o s to ft h em o d 锄m o d u l a t i o nt e c h n i q u e sa r ej i nu s eo f an o n - c o n s t a n te n v e l o p e m o d ：u l a t i 眠w h i c hh a sal a r g ed i f f e r e n c eb e t w e e np e a k a n da v e r a g e i no r d e rt om 鳅 n l e1 m e a r i t yr e q u i r e m e n t s ，i to f t e nu s e sa c e r t a i nd e g r e eo fp o w e rb a c k - o f fa p p r o a c ht o a c l l i e v em ei n c r e a s eo ft h el i n e a r i t y , h o w e v e r , w i t ht h ep o w e rb a c k o f f , a m p l i f i e r e 伍c i 锄瞩s u c ha st h ep o w e r - a d d e de f f i c i e n c yw i l lb eg r e a t l yr e d u c e d a tt h es 锄e t 疏t h ep o w e ra m p l i f i e ri sah i g h - p o w e rd e v i c ei nt h ea c t u a la p p l i c a t i o n ，i n o r d e rt 0 e x t e n dt h eu s i n gt i m eo fb a t t e r y - p o w e r e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dl m p r o v e t h e r e l i a b i l i t yo f t h ed e v i c e ，t h ee f f i c i e n c yo ft h ea m p l i f i e ri sa l s oh i g h l yd e m a n d e d ，k 曲e r p o w e ta m p l i f i e re f f i c i e n c yn o to n l yc a l ls a v ee l e c t r i c i t y , s a v ep o w e r a n do t h e rf a c l l l n e s o fm ei n v e s t i i l 饥t ，b u ta l s oc a l ls i m p l i f yt h ep r o d u c t i o np r o c e s s ，r e d u c et h ec o o l m g r e q u i r e i i l 神o fm a c h i n et oi n c r e a s et h es t a b i l i t yo f t h ee q u i p m e n t ，a n dg e tab 础盯 n e t w o f kp 柏棚响n c e i nt h i sp a p e r , w eu s e t h ed o h e r t ya m p l i f i e rt e c h n o l o g y , w h i c hi s o n eo f 矗娜a m p l 讯c a t i o nf r a m e w o r kt h a tc a ne n s u r eh i g h 。e f f i c i e n c yi nal a r g e - s i g n a l d v n 锄i cr a n g e ，a n da l s oi nt h ef o r e s e e a b l ef u t u r e ，d o h e r t ya m p l i f i e rt e c h n o l o g y i st h e o r a yw a y t op r o v i d es u f f i c i e n tb a n d w i d t hf o rh i g h - e f f i c i e n c ya m p l i f i e ra r c h i t e c t u r e i l lt h i sp a p e r , w ec o m p a r a t i v e l ya n a l y z eav a r i e t yo fh i g h - e f f i c i e n c ya r n p l i f i e r t e 咖1 0 l o g ya sw e l la s c h a r a c t e r i s t i ci n d i c a t o r so ft h ep o w e ra m p l i f i e rb a s e d o n r e f e 瑚c i n gal a r g en u m b e ro fd a t ao fp o w e ra m p l i f i e r s i nv i e wo f c u r r e n td e v e l o p m e n t i i ls o m ec a s e s ，w es t u d yt h ed o h e r t ya m p l i f i e rt h e o r yi n d e p t h w es e l e c tf r e e s c a l e s 廿i l i c o n d u c t o rl d m o st u b em r f 7 p 2 0 0 4 0 ha sd o h e r t yt u b e ，t h r o u g h t h ea d s s i m u l a t i o na st h et h e o r e t i c a lb a s i sa n da n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h em a i na n d u a b s t r a ( 了 a u x i l i a r yp o w e ra m p l i f i e r so nt h es y s t e mt oc o m p l e t et h eo u t p u tf o rt h e7 w sd o h e r t y p o w e ra m p l i f i e r sd e s i g ni nt d - s c d m a n o wh i g h - p o w e ra m p l i f i e ru s e di nb a s es t a t i o ni s u s u a l l yu s e dw i t hd i g i t a l p r e - d i s t o r t i o n ( d p d ) ，t h ec o m b i n a t i o no fd o h e r t ya m p l i f i e ra n dd p d w i l lb et h ef u t u r e t r e n do fd e v e l o p m e n to fh i g h - p o w e ra m p l i f i e r t h e r e f o r e , w ei n t r o d u c e t h eb a s i c p r i n c i p l e sa n dt h eb a s i cs 缸u c t u r eo ft h ed p d i nt h ep a p e ra n db r i e f l yd e s c r i b et h e p r o b l e m s b e t w e e nt h e mw h e nt h e ya r ec o m b i n e dw i t he a c ho t h e r f i n a l l y , w ed e b u ga n d t e s tt h ed o h e r t ya m p l i f i e rd e s i g n ，a n di n t r o d u c et h eq u e s t i o n si nd e b u g g i n ga n dt e s t i n g p r o c e s s ，a n df i n a l l yg i v et h et e s tr e s u l t s t h r o u g hd e b u g g i n ga n dt e s t i n go i ld o h e r t y p o w e ra m p l i f i e r , w ec a ng e tm u c hv a l u a b l ee x p e r i e n c ei nf o rf u t u r ef o rd o h e r t y s r e s e a r c h k e y w o r d ：d o h e r t y p o w e ra d d e de f f i c i e n c y l o a d - p u l l d p d i i i 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：歪堕塑 日期：冽口年多月。1 关于论文使用授权的说明 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)八 躲施 导师躲物一 。 日期：矽fd 年s - - , 9 相 | 第一章绪论 第一章绪论 随着社会的进步与生产力的高速发展，人们迫切地需求在远距离准确地传输 信息，这使得无线通讯( 尤其是个人无线通讯) 取得了迅猛的发展。其中占无线 通讯设备3 5 左右成本的重要部件“射频功放”的发展无疑关系着通信行业的 发展。 1 1t d s c d m a 通信体制发展简介 t d s c d m a ( 时分同步码分多址) 第三代移动通信标准是中国自主研发的，具有 中国自主知识产权的，在中国政府的支持下的，经过工程师们多年的研究而提出 的具有3 g 通信标准。在我国的通信史上具有里程碑的意义，是整个中国通信行业 的重大突破 1 】。t d s c d m a 标准的提出也得到了西门子、中国移动、中国联通、 中国电信等公司的大力支持。该标准文件在我国无线通信标准组( c 、w s ) 最终修 改完成后，经过国家原邮电部的批准，在1 9 9 8 年6 月提交到n u ( 国际电信联盟) 和相关国际标准组【1 1 。 t d - - s c d m a 系统全面满足i m t 2 0 0 0 的基本要求。采用不需配对频率的t d d ( 时分双工) 工作方式，以及频分多址( f d m a ) 时分多址( t d m a ) 码分多址( c d m a ) 相结合的多址接入方式。同时使用1 2 8 m c p s 的低码片速率，扩频带宽为1 6 m h z 。 t d s c d m a 系统还采用了智能天线、联合检测、同步c d m a 、接力切换及自适应 功率控制等诸多先进技术，与其它3 g 系统相比具有较为明显的优势，主要体现在： 1 ) 频谱灵活性和支持蜂窝网的能力 2 ) 高频谱利用率 3 ) 适用于多种使用环境和设备成本低 t d s c d m a 标准公开之后，在国际上引起强烈的反响，得到西门子等许多著 名公司的重视和支持。1 9 9 9 年1 1 月在芬兰赫尔辛基召开的国际电信联盟( i t u ) 会 议上，t d s c d m a 被列入i t u 建议i t u rm 1 4 5 7 ，成为i t u 认可的第三代移动通 信无线传输技术( r t t ) 主流技术之一。2 0 0 0 年5 月世界无线电行政大会j 下式接纳 t d ，s c d m a 为第三代移动通信国际标准。从而使t d s c d m a 与欧洲、r 本提出的 电子科技大学硕士学位论文 宽带码分多址( w c d m a ) 、美国提出的c d m a 2 0 0 0 并列为三大主流标准之一。这是 百年来中国电信史上的重大突破，标志着我国在移动通信技术方面进入世界先进 行列。 在2 0 0 9 年1 月7 日，中国的3 g 牌照正式发放。中国移动获得中国自主知识产权 的t d s c d m a 牌照，分得a 频段1 8 8 0 m h z 1 9 2 0 m h z ，b 频段为2 0 1 0 m h z 2 0 2 5 m h z ； 中国联通获得w c d m a 营运牌照，分得下行频段2 1 3 0 2 1 4 5 m h z 和上行频段 1 9 4 0 1 9 5 5 m h z ；中国电信获得c d m a 2 0 0 0 牌照。3 g 牌照的发放，标志着中国通信 正式进入3 g 时代。 1 2 高效率功率放大器的发展概况 随着c d m a 的发展和3 g 时代的到来，对放大器提出了更高的要求。特别是 t d s c d m a 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 作为三大标准的发展，放大的信号一般拥有 较高的峰均比，如何在满足线性度要求的情况下，使功放能在更宽的频带工作， 并具有更高的输出功率、更高的效率是当今射频工程师极为关注的事情。 我们以通信基站为例，功率放大器作为收发机的核心组成部分，如果其效率 偏低必定将导致整个系统效率降低。通信系统整个的网络覆盖范围非常广泛，全 国各个地方都铺设有基站，如果不解决功率放大器的效率问题，那么所浪费的电 力等资源总和将是非常令人震撼的。同时，功率放大器工作时发热的问题也是很 严重的一个问题，给功率放大器冷却是必须考虑的。所以为了降低通信运营商的 运营成本，并减小冷却费用，就要求提高功率放大器的效率。这是完全符合当前 紧迫形势需要的，在尽量保持线性的条件下，完全尽可能提高功率放大器的效率 是当前研究的重中之重，其具有非常广泛而深远的意义。 为了在更宽的输出功率范围内增加效率，目前已有多种效率提升技术，如包 络消除和恢复技术( e e r ) 、包络跟踪技术、非线性元件实现线性放大( l i n c ) 技术， 特别是早在上世纪3 0 年代就被提出f l 勺d o h e r t y 技术近年来在射频电路的设计上又有 了新的发展。d o h e r t y 技术在射频放大电路中的应用可以显著提高系统的效率。在 提高功率放大器线性度方面，目前常用的线性化技术有预失真、前馈等，其中前 数字预失真与d o h e r t y 技术相结合的结构具有很大的价值。 d o h e r t y 结构的放大器可以较好的解决功率放大器在功率回退时效率提升问 题，结合前馈和预失真电路，可以在线性度和效率之间做到较好的兼顾，d o h e r t y 电路的基本原理是将输入信号的平均部分和峰值部分分开放大，然后合成，从而 2 第一章绪论 获得高效率。d o h c r t y 放大器包括两个部分：一个载波放大器c ( c a r r i c r ) ，一个峰值 放大器p ( p e a k ) 。它们的合成输入输出特性的线性区比单个放大器的线性区有大地 扩展，从而在保证信号落在线性区的前提下获得了较高的效率。d o h c r t y 技术需要 与其他线性化技术如d p d ( 数字预失真) 技术配合使用，来改善它的线性度。由于 d p d 的发展，现在一般的基站功率放大器中普遍采用这种技术，成本和难度也相 对与前馈技术来说也有很大的优势，更有利于批量生产。因此在现d o h c r t y 和d p d 配合将成为基站中功率放大器的主流。 近几年来，国内公司对于高效率、高线性放大器的研究投入非常大，包括华 为、中兴在内大部分通信公司正热衷于这方面的研究。功率放大器的发展，对一 个公司的发展来说，起着很重要的作用。但由于各个公司的技术保密等原因，所 以各个公司不能及时的交流成果，这限制着国内功放的发展。 1 3 本论文的工作和章节安排 本论文主要以d o h e r t y 功放作为研究对象，从理论上分析和推导影响d o h c r t y 功 放效率和线性度的原因，从这些原因出发，通过a d s 仿真、画p c b 板以及调试最终 完成整个功放的设计。 本论文的章节安排为： 第一章为绪论； 第二章为功率放大器的特性； 第三章为d o h c r t y 放大器的理论知识研究； 第四章为结合a d s 仿真软件对d o h e r t y ) 孜大器进行仿真设计； 第五章为功放和预失真理论相结合研究； 第六章为d o h c r t y 放大器的实物调试以及测试结果。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章高功率功放的特性 射频功放放大的形式主要依据整机分配给各个功放的增益、额定输出功率、 增益平坦度、线性度、功耗效率等指标来确定。其原理框图形式如图2 1 所示：射 频放大链路一般由输入分路、输入取样、压控衰减、多级放大、输出环行器保护、 前向取样、反向取样、输出采样等基本电路组成。其中放大级数取决于链路增益 及所选放大器件的增益；前向取样、反向取样、输出采样电路通常采用微带线形 式的定向耦合器来完成。 第一级放大 末前级放大 末级放大环行器 图2 1 射频功放放大链路的形式框图 2 1 功率放大器主要技术指标 2 1 1 功率放大器的增益以及平坦度 增益是功率放大器最基本的技术指标，其代表了功放对输入信号的放大能力， 其表示为输出功率比上输入功率【2 】，具体如下： g a i n - 1 0 l o g 糟( 招) = ( d b m ) - p i n ( d b m ) ( 2 1 ) 功放的增益平坦度是指功率放大器在工作频率范围内，增益的最大变化值即 为增益的最大值和最小值的差值。因为功放放大的是连续的输入信号，而功放放 大的信号的幅度也会随着频率而变化。平坦度用公式可以表示为 4 第二章高功率功放的特性 a g = g m 戤( 衄) 一g m i n ( d e ) ( 2 - 2 ) 其中g 眦( d b ) 和g m i n ( d b ) 指的是功放在工作频率范围内的最大增益和最小增益。如 图2 2 表示 2 1 2 功率放大器的效率 图2 - 2 增益的平坦度 功放将电源的直流功率转化成交流信号功率输出，只有一部分直流功率被转 化成为有用的信号功率并为负载所获得，另一部分被放大器本身以及电路中的寄 生元件所消耗。而被负载所获得的功率即功放的射频输出功率与电源供给功放管 的直流功率的比值称为功率放大器的功率效率，即 r l e = 徽 协3 ， 5 畜藕瓣 2 3 ) 通常情况下，对于双极晶体管，q 称为集电极效率，而对于金属氧化层半 导体场效应晶体管m o s f e t 和金属半导体接触势垒场效应晶体管m e s f e t ， 称为漏极效率。 这种情况下定义并没有考虑晶体管的放大能力，即具有相同功率效率的两个 晶体管的功率增益可以差别很大。所以我们又提出一种可以表示功率放大器增益 的效率，即功率放大器的功率附加效率【2 p a e ( p o w e ra d d e de f f i c i e n c y ) ，其定义为 塑絮蓦笋 2 - 4 、) 7 7 删2 1 甄磊i f 鬲i 一 。 且秽儿硼口八剀早 5 电子科技大学硕士学位论文 它既反映了直流功率转换成射频功率的能力，又反映了放大射频功率的能力。 很明显，用功率附加效率r la d d 衡量功率放大器的功率效率是比较合理的。 2 1 3 互调失真以及l d b 压缩点 互调失真是在工作频带二个或以上单音信号通过功放后，因放大器非线性在 其输出端产生谐波及组合频率产物，用它衡量放大器线性。其中三阶交调( 双音 三阶交调) 是用来衡量功放非线性的一个重要指标。用两个相隔么f ，且电平相等 的单音信号同时输入一个射频放大器，则放大器的输出频谱大致如图2 3 。对于任 一微波单元电路，输入双音信号同时增加l d b ，输出三阶交调产物将增加3 d b ，而 主输出信号仅增加l d b ( 不考虑压缩) ，如图2 - 4 右边曲线所示，这样输入信号电 平增加到一定值时，输出三阶交调产物与主输出信号相等，这一点称为三阶截止 点。对应的输入信号电平称为输入三阶截止点，对应的输出信号电平称为输出三 阶截止点。注意：三阶截止点信号电平是不可能达到的，因为在这时早已超过微 波单元电路的承受能力。 通常采用下面公式来计算输入输出三阶交调( i m d 3 ) d 蚴3 = 蝴3 2 十p 皿m d 3 = d 脚3 一g a i n( 2 5 ) 其中p 表示输出功率，o i m d 3 为输出三阶交调，i i m d 3 为输入三阶交调，a 1 m 3 表示输出功率和三阶产物功率之差，g a i 。表示增益 a a f 2 f l 一丘6f 2 2 f 2 n 图2 3 交调失真时功放的频谱输出 当功率放大器在小功率输入时，其输出是按输入功率成线性增长的，但是当 输入功率增大到某一值后，再加大输入功率时，功放的输出功率将不再增大，此 时的输出功率的大小称为功放的饱和输出功率。当继续增加输入功率时，功率放 大器的输出功率不变，而其增益则会下降，如图2 4 左边曲线所示，当功率放大器 增益下降l d b 时所对应的输出功率称为l d b 压缩点输出功率，记作p i d b ，即我们 6 第二章高功率功放的特性 平常所说的l d b 压缩点。如下式： 最招= 最n + g a i n l d b = 置n + g a i n m 觚一1 ( 2 6 ) p 1 d b 输 如 功 蕴 ( d b m 输入功謇d b m ) 图2 - 4l d b 压缩点和三阶交截点 2 1 4 级联放大器的三阶交调系数( 蹦d 3 ) 点 大多数射频功放是由两级或多级放大器组成，级联放大器的三阶交调系数主 要取决于末级放大器的三阶交调系数，因为在设计驱动级时一般将其交调失真设 计得很低。各放大级的三阶交调系数对整个级联放大器的三阶交调系数的影响可 用( 2 7 ) 式来表示。 i m d 3 = 2 0 1 0 9 ( 1 0 d l 2 0 + 1 0 d 2 2 0 + + 1 0 p 。2 0 ) ( 2 7 ) 式中i m d 3 为级联放大器的三阶交调系数，d l 、d 2 d i l 为各放大级的三阶交调 系数。 由( 2 7 ) 式可知两级放大器的i m d 3 如( 2 8 ) 式所示： m d 3 = 2 0 1 0 9 ( 1 0 d 1 2 0 + 1 0 d 2 2 0 ) = b + 2 0 l o g ( 1 + 1 0 ( d i d 2 ) 2 0 ) ( 2 - 8 ) 假设两级放大器的三阶交调系数之差的绝对值为a ，即a = d i d 2 ，则驱动级 的i m d 3 对木级的i m d 3 的影响值b ( 末级交调恶化值) 可由( 2 9 ) 式来表示： b = 2 0 l o g ( 1 + 1 0 a 2 0 ) ( 2 9 ) 7 电子科技大学硕士学位论文 根据上面的公式，当a = d l d 2 = 15 d b 时，驱动级的i m d 3 对末级放大器的影 响比较小。( 2 9 ) 式可用图2 5 的曲线来表示。 b 末 级 交 调 恶 化 值 0 o 氛 、 、 卜 、 h 。 o369l2151 82 l2 42 7 0 a 驱动高出末级交调值( d b ) 图2 - 5 末级交调恶化值和驱动级的i m d 3 的关系 由图2 5 可以看出，驱动级优于末级的i m d 3 越大，则级联放大器的交调系数 恶化值越小。该表对我们选择级联放大器的驱动级功放管具有很大的参考价值。 2 1 5 邻近道泄露功率比 近几年随着c d m a 及扩频技术的应用、提出了新的放大器的线性标准邻信道 泄露功率比( a c l r 也称a c p r ) 。邻信道泄露功率比( a c l r ) 可以表征信道间的相互 干扰情况，所以其成了功率放大器设计的重要性能指标之一【3 】。 当功率放大器工作在弱非线性区时，通常用双频测试来分析功率放大器的非 线性。然而当功率放大器工作在l d b 压缩点附近时，由于高阶交调的功率电平明 显增加，所以此时也必须考虑高阶交调失真分量。设计中用双频测试就不准确了， 这时相邻信道泄露功率比( a c l r ) 则可以用来分析其非线性特性。相邻信道功率比 是指本信道带宽内的输出功率与邻信道带宽内的杂散输出功率之比。如图2 - 6 所示 【4 】，邻信道泄露功率比( d b c ) 为b l 区输出功率和b 2 区输出功率的比值。 8 第二章高功率功放的特性 勺 o 盖 2 1 6 调幅调相效应 f c - f o f c f r e q u e n c y 图2 - 6 邻信道泄露功率比定义图 下面我们介绍下调幅一调相效应的定义f 5 1 。当信号通过功率放大器时，幅度被 放大，此时相位也会发生相移，而且相移的大小随输入信号的大小而变化。如图 2 7 所示，随着输入功率的增加，输出相位逐渐由线性状态转变为非线性，调幅调 相效应能引起相位失真和群时延变化。习惯上常用调幅一调相系数( d e g d b ) 来标量 相位失真的大 4 6 。 b = 警丽靠而。 ( 2 - 1 0 ) 式中，为输入信号功率；0 为对输入功率p i 。的输出信号相移。 l 输出相位 线f ， 一 输入功驾 ( d b m ) 图2 7 调幅一调相效应 9 非线性 电子科技大学硕士学位论文 2 2 几种提高效率的方法 2 2 1 使用非线性元件的线性放大器( l i n c ) 使用非线性元件的线性放大器英文名称为l i n e a ra m p l i f i c a t i o nu s i n gn o n l i n e a r c o m p o n e n t 。，其前身为1 9 3 5 研发出来的异相功率放大器调制技术，最初是用来改 善调幅广播发射机的效率和线性度【7 1 。后来才被扩展用于微波频率。异相发射机作 为振幅调制信号的线性功率放大器工作，它组合的两个非线性功率放大器后具有 宽输入信号范围的线性转移特性，这两个非线性放大器的驱动信号恒振幅，但对 应于输入信号包络，有不同的时变相位【8 】。 图2 8 为异相功率放大器系统的简单模型9 】。输入的振幅调制信号通过信号分 量分离器( s i g n a lc o m p o n e n ts e p a r a t o r , s c s ) 产生两个恒包络，具有不同相位+ ( f ) 和一( f ) 的两个正弦信号。这两个信号然后被非线性功率放大器放大，再叠加在一 起产生输出振幅调制信号。峰值输出功率当( f ) = 9 0 0 时得到，此时功率放大的电 流具有相同的振幅i l = i i = 1 2 ，然后同相相加，类似于推挽工作。零输出功率对应于 似f ) = 0 0 时的信号，功率放大器出来的电流相互抵消，即i l = 0 。相位在o o 9 0 0 的值产生输出电压振幅的中间值。 图2 8 异相功率放大器系统的简单模型 1 0 第二章高功率功放的特性 2 2 2k a h n 包络分离和恢复技术 现代无线通信系统中通过功率放大器所要求的信号是非常数包络信号。在这 种情况下，总是要在功率放大器的效率和线性度之间作一个折中，效率和线性不 能两全。在传统的模拟包络分离和恢复方案中，需要专门的器件来分离振幅和射 频相位调制信号，一种类型的功率放大器负责包络信号放大，而另一类放大器则 反馈入常数包络射频信号【l 们。如下图2 - 9 ( a ) 所示。常包络射频信号能使用b 类、 e 类或f 类等工作模式由非线性功率放大器进行高功率放大。功率放大器的最后一 级的振幅调制恢复相位调制载波信号的包络，产生了输入信号幅度的复制。该技 术首先由k a l m 在1 9 5 0 年研发出来用于改善短波发射机的效掣1 1 】。与线性功率放 大器不一样，k a h n 包络消除重建( e e r , e 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 ) 发射 机具有输出功率电平回退的整个动态范围内高的效率，平均效率要高3 。5 倍【1 2 l 。 为了减少相位和振幅“对不准”，延迟线是必要的。加入输出包络反馈电路可减少互 调失真【1 3 1 。无线应用的现代发射机中，包络和相位调制信号使用数字信号处理 ( d s p ) 技术，很容易分开产生，如图2 9 ( b ) 所示，这样具有常数包络的相位调 制信号使用直接或二次变换方案上变频到希望的输出射频频率上。对于直接变换 方案，包含有相位信息的基带信号直接调制到射频载波上。 简而言之，k a h n 包络分离和恢复技术就是将含有信息的包络信号和常数射频 信号分别进行放大，然后再合成的一种用于提高效率的技术。 ( a ) 传统k a h ne e r 发射原理图 电子科技大学硕士学位论文 2 2 3 包络跟踪技术 ( b ) 改进的k a h ne e r 发射原理图 图2 - 9k a l m e e r 发射框图 包络跟踪技术的原理框图如图2 1 0 所示。通过一个功分器，已调制的射频输 入信号将被分为两部分，一部分直接通过线性功率放大器放大，另一部分信号接 入一个包络检波器。将检波的包络信号通过一个可控直流供电的直流转换器放大， 在输出功率回退的情况下，集电极效率的改善与电压比( 输出电压与输入电压比 值) 有关，为了保持高效率，这个比值在不同的输出功率电平下应该维持为常数【l 4 1 。 所谓的包络跟踪就是根据射频信号包络调整合适的直流供电电压。由于放大器是 线性工作的，供电电流的改变不需要太过精确。 射频信号 图2 1 0 包络跟踪技术的原理框图 包络信号的分离同样可以通过数字的手段在基带中做到【15 1 ，这样就不在需要 独立的包络检波器和功分器。线性功放的静态工作指标在包络跟踪中是最为重要 的影响因素之一。例如输入输出阻抗，增益，相移量还有热特性都与栅极和漏级 1 2 卜 一 一 一 r 、 ， 第二章高功率功放的特性 电压紧密联系在一起。因此作为一个包络跟踪放大器的设计者必须在线性度，增 益，效率和带宽之中做出一定的妥协。包络跟踪主要的失真影响来自于依赖供电 电压的晶体管的增益与相位：他们这种依赖性分别产生了a m a m 与a m p m 失真。另一个引起失真的主要因素是漏极电源的波纹，这是由于馈电电路滤波不 足造成的。由于信号被分为两个独立的部分，精确的同步定位是必需的。引入的 延迟线组件将使整个系统变得稍稍复杂一些。同时也会对系统的效率带来不利的 影响。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 3 1 前言 第三章d o h e r t y 功放分析 d o h e r t y 放大器是由贝尔实验室的w h d o h e r t y 于1 9 3 6 年首次提出的，当 时d o h e r t y 放大器是应用于千瓦级的广播电台的电子管发射机。这是一个历史久远 的技术，在尘封数十年后，价值重新体验出来。在最近的第三代移动通信系统的 技术无论是欧洲的w c d m a 、美日的c d m a 2 0 0 0 ，还是中国自主提出的国际通信 标准t d s c d m a ，处理的都是以码分多址方式传输的宽频信号，这类由于扩频技 术的使用使得发射信号成为宽带信号虽然大大节约了频率资源，但是却对功率放 大器的线性提出了更高的要求。因此为了提高频谱效率，现代的移动通信系统越 来越多的采用了线性调制方案，如二相相移键控( b p s k ) ，四相相移键控信号 ( q p s k ) ，和正交幅度调制( q a m ) 等调制，这些技术都是非恒包络调制。因此 信号就有了比较大的包络起伏，造成了信号很高的峰均比( p a r ：p e a k t o a v e r a g e r a t i o ) 。对这样的高峰均比的信号，仅仅采用回退技术来保证放大的线性会造成功 率效率的迅速下降。而d o h e r t y 放大器是少数几种能在大的信号动态范围内保证高 效率的一种放大架构( e e r 和l i n c 都面临带宽的问题) 。 3 2 d o h e r t y 放大器的简介 d o h e r t y 放大器由两个部分组成，就是载波放大器( 又叫主功放m a i np a ) 和 峰值放大器( 又叫辅助功放p e a kp a ) 组成。主功放和辅助功放是通过四分之一波 长微带传输线后实行合路输出。这里的四分之一波长微带线起着阻抗变换的作用， 这一点也是实现d o h e r t y 功放的一个重要的环节。另外主功放和辅助功放的工作点 的选择也是比较重要的，一般来说主功放工作在a b 类和b 类，辅助功放工作在b 类和c 类，两功放功率合成后输出，如图3 1 。 1 4 第三章d o h e r t y 功放分析 载波放大器 图3 - 1 传统的d o h e r t y 功放原理图 3 3 有源负载牵引技术 线 d o h e r t y 放大器所根据的基本原理是有源负载牵引”技术【1 6 1 ，就是用另一个与 原电流源相位相关的电流源去改变射频负载的电阻或者是阻抗，目的是使各种幅 度的信号分别尽量工作在功放的饱和状态，因为越接近饱和状态，效率就越高。 首先，我们来介绍下有源负载牵引技术的原理，原理图如图3 2 所示。 z 1z 2 z l = ( 1 + 1 2 1 1 ) z l o a d 1 2 ，p 2 图3 2 有源负载牵引技术原理 如果第二个电源i ：设为零，则在第一个电源i ，看来，阻抗为z i 。d 。如果第二 1 5 电子科技大学硕士学位论文 个源提供出i2 的电流，则负载上的电压成为： 吃= 吃( 厶+ 如) ( 3 1 ) 对源1 来说，就相当于负载阻抗由z 。变成为： 蜀= 吃( 警) ( 3 - 2 ) 同样的，对源2 来说，负载阻抗变成为： 恐= ( 警) ( 3 3 ) 这也就是说，改变源2 电流的幅度和相位就能“牵引”源1 感受到阻抗的变化方 向： z l = 吃( 1 + 暑) ( 3 - 4 ) 如果i ：与i ，同相，z 的值变大，如果反相，则变小。 如果将这两源想象成为两个分离的射频晶体管，其输入信号在相位上是“相干” 的( c o n - p h a s e d ) 。其中一个器件感受到的有效输出阻抗“依赖于”另一个器件的输 出。在实际的设计中( 尤其是在集成电路i c 中) ，通常都是假定并行的同样规格 的器件中的每一个器件都“感受”到同样的负载阻抗。这种假定只在所有器件的参 数、偏压、驱动都相同时才成立。否则，合成的信号将不会是各个单元信号的简 单相加。如果是两个或多个完全相同的信号，则可以用功率合成器进行功率合成， d o h e r t y 放大器则展示了这样一个例子，就是如何对不一样的器件的输出“求和”， 它所依据的正是由有源阻抗原理变换而来的“负载调制y y o 下面我们进一步讨论d o h e r t y 放大器的工作原理【1 6 】。图( 3 3 ) 给出了d o h e r t y 放大器的原理图( a ) ，和两路放大器( 主功放和辅助功放) 的电流与电压关系图 ( b ) 。 1 6 第三章d o h e r t y 功放分析 i m p e d a n c e i n v e r t e r ( a ) d o h e r t y 放大器的工作原理 i m a x 2 d e v i c e c u r r e n t ( f u n d a m e n t a l c o m p o n e n t a m p l i t u d e i 。4 o - v m a x i n p u td r i v e ( v o l t a g ea m p l i t u d e ) ( b ) 两路放大器的电流与电压关系图 图3 - 3 d o h e r t y 放大器的工作特性 在源l 与负载阻抗之间插入的四分之一波长微带线起着阻抗变换的作用，当 峰值功放输出的电流增加时，它使得主功放“感受”到的阻抗下降。假设每个放大器 所能输出的最大电流为m ，在功率上升6 d b 范围内，两路放大器都处于工作状 态，其射频电流可以分别表示成： = 厶斧( 1 + 9 ( 3 5 ) 厶= 争f ( 3 6 ) 这晕c ；取【o ，1 】之间的值，0 对应6 d b 回退点；l 对应最大功率输出点。脚标1 1 7 乙 l一 仃 7 l 电子科技大学硕士学位论文 表示主功放的量；脚标2 表示辅助功放的量。 根据有源阻抗定理，两边的有效负载阻抗分别为： 在最大功率输出的条件下： w i t = 孚( 1 + 鲁) z 2 = 2 7 o p t ( 1 * l 蛐。 厶r = 厶= 等 z i r = z 2 = 硒r ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) d o h e r t y 放大器中批传输线的阻抗z t 在设计中是一个非常关键的参数，下面 我们就来求这个特征阻抗z t 。由x 4 传输线特性可以得到其端口电压电流关系为： 由上式得到： 巧r 7 = 巧厶 ( 鲁) ( 鲁) = 乙2 ，一旦 1 l r 一勿 ( 3 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) ( 3 1 3 ) 公式( 3 1 3 ) 建立了v l 和z t 之间的关系。为了确定z t ，我们先来求解v l 。 综合以上几式，从主功放看过去的阻抗可以写为： 孕丽2 1 1 z 虿t 2 舞 1 4 ) 重整上式，于是得到： 巧= ( 南) ( 争) 【勿+ f ( 勿一勖7 ) 】( 3 - 1 5 ) 如果传输线变压器的特征阻抗等于最佳负载阻抗： z r = 7 1 8 ( 3 1 6 ) 第三章d o h e r t y 功放分析 这样主功放的电压摆幅就与( 值无关，输出电压幅度就保持为常数： 巧= r ( 譬) ( 3 1 7 ) 最大功率输出时，有i l t 爿2 = i 2 ，而根据： 五r = 且z r ( 3 - 1 8 ) 可以确定z t ： 勿= 锄? ( 3 1 9 ) 对于功率放大器而言，陆就是放大器输出功率最大的阻抗值。 3 4 d o h e r t y 功率放大器工作状态以及效率 d o h e r t y 功放的工作原理我们从输入信号的大小来划分功放的工作区域，可以 划分为：小信号、中信号和大信号阶段，划分的依据为主功放的预饱和点p 蹦。 图3 _ 4 所示了三个阶段的工作状态下的等效电路。 1 ) 小信号阶段： 当 p 斌时，由于辅助功放工作在c 类，所以该功放处于截止状态，即i p c a k = 0 时， ：若l ( 3 - 2 0 ) 这时主功放的输出等效负载为： z i = 等= 2 ( 3 - 2 1 ) 高负载导致主功放工作到饱和区，但这时的电流只是最大电流的一半。 2 ) 中信号阶段： 当输入信号接近饱和点，辅助功放开始导通工作，由于辅助功放起着负载牵 引的作用，辅助功放的等效阻抗由丌路向r o p * 转变，而主功放的等效