（电子科学与技术专业论文）通信系统中功率放大器和低噪声放大器的研制.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t c o r r e s p o n d i n gt h ef a s td e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y e s p e c i a l l yi nt h e f i e l do fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h er fa n dm i c r o w a v ec i r c u i ta r em o r ea n dm o r e u s e d h o we v e r i ne v e r yr fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ep e r f o r m a n c eo fa m p l i f i e r m o d u l ei sv e r yi m p o r t a n tt ot h ew h o l es y s t e m i nt r a n s m i tc h a n n e l p o w e ra m p l i f i e r m a k et h es i g n a ll e v e lm o r eh i g hi no r d e rt om a k ee l e c t r o m a g n e t i cw a v et r a n s m i tl o n g d i s t a n c e i nr e c e i v ec h a n n e l t h el o wn o i s ea m p l i f i e rm a k et h es i g n a lw h i c hr e c e i v e d f r o mt h ea n t e n n ae r l o u g hs t r o n gt od e m o d u l a t i o n 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 pa p o w e ra m p l i f i e rm o d u l ea n da l o wn o i s ea m p l i f i e rf o rar fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw h i c hw o r ki nt h ef r e q u e n c yf r o m 7 5 0 m h z 810 m h z c o n c e r n i n gt h ep o w e ra m p l i f i e ra n dt h el o wn o i s ea m p l i f i e r i nt h e w h o l ec o u r s eo fd 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 f4a s p e c t si sc h i e f l y c a r r i e do u ta sf o l l o w s 1 a n a l y s i st h ed i f f e r e n c eb e t w e e ng a i n m a t c h i n ga n dp o w e r m a t c h i n gi na m p l i f i e r e x p l a i nt h ei m p o r t a n c eo fp o w e r m a t c h i n gd e s i g nm e t h o di nh i g hp o w e ra n dh i g h l i n e a r i t yp ad e s i g n 2 u s ee d as o f t w a r et os i m u l a t et h eo p t i m i z a t i o n z e n dz i np ad e s i g n a t i o n 3 t h e o r e t i c a l l yd e e pa n a l y s i si sm a d ew h i c hi sa b o u tt h em e t h o do fl n ad e s i g n a n a l y s i st h ea f f e c to fn o i s ef i g u r ea n di n p u tv s w rt ot h es y s t e ms e n s i t i v i t ya n dt h e c o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h et w op a r a m e t e r a n dt h e nl o d g ead e s i g nm e t h o do fl n a w h i c hc a ng e tl o wn o i s ef i g u r ea n d l o wi n p u tv s w r s i m u l t a n e i t y 4 i n t r o d u c e dt h em e t h o do fy i e l da n a l y s i sa n do p t i m i z et ot h el n a d e s i g n b yt h i s m e t h o d d i f f i c u l t yo fd e b u g g i n gw a sr e d u c e d k e y w o r d s t h i r d o r d e ri n t e m m d u l a t i o n l o wn o i s ea m p l i f i e r i n p u tv s w r n o i s e f i g u r e 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 迭丛选煎 日期 山a 年3 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 邀西遥遮导师签名 兰堕叁丝 日期 2 即 年1 月f z 日 第一章引言 第一章引言 随着信息时代的来临 通信技术迅猛发展 近年来 数字调制技术得到了飞速 的发展 应运而生了诸如正交相移键控调制 q p s k 正交调幅调制 q a m 以及更 为复杂的编码正交频分复用调制 c o f d m 1 2 等各种调制方式 这些数字调制方 式的出现 大大的节省在无线通信中的频谱资源 提高数字通信系统的信道容量及 传递信息的准确可靠性 然而 伴随着数字调制技术的不断提高 对通信信道的 指标提出了更加苛刻的要求 特别是对射频电路提出了更高的要求 如系统的动 态范围 线性度 本征源的频谱纯度等 1 1 放大模块在现代射频通信电路中的重要作用 射频收发电路一般由发射链路和接收链路组成 功率放大器是发射链路中的 重要组成部分之一 功放主要作用是在发射频率上将低电平信号放大到远距离传 输所要求的高功率电平 在现代通信领域中 一个射频通信系统的功率放大模块 对整个系统的通信性能起着重要的作用 一个符合要求的功放必须满足额定输出 功率 增益 幅频特性 增益平坦度 线性度 效率等各方面的要求 在接收链路中 低噪声放大器则起着放大天线接收到的微弱信号 使信号电 平达到解调和数模转换等单元所能分辨的电平大小的作用 理想的放大器只增加 期望信号的幅度 而不增加任何噪声和失真 然而 已知放大器都会在期望的信 号中增加噪声和失真 在接收通道中 天线后的第一级放大器贡献了大部分的噪 声 因此 如何降低这一级放大器的所带来的系统信噪比的恶化成为射频工程师 们所关心的问题 同时 低噪声放大器输入驻波也是一个十分重要的指标 放大 器的输入驻波表征天线接收到的微弱信号在放大器的输入端的由于不匹配而产生 反射的损耗程度 因此 一个好的低噪声放大器设计要求放大器同时具有较好的噪 声系数和输入驻波 这样才能从实质上提高系统的灵敏度 1 2 选题依据以及本文内容安排 1 2 1 课题来源 电子科技大学硕士学位论文 和平与发展 己成为当代的主题 随着人们物质生活和精神文化生活水平 的日益提高 大家越来越关心社会治安的问题 对于社会治安这个问题 不管是 发展中国家还是发达国家 都是政府极为关注的而且无法逃避的问题 在一些地 区 城市 有可能由于各种因素而导致局部的突发事件 在这种情况下 执法部 门必须在第一时间控制局面 避免事态进一步升级 本课题来源与四川省公安厅的一个安防科研招标项目 任务为一套多媒体单 兵系统的研发 提出的总体要求是 我们以基站的方式使信号覆盖整个成都三环 路以内 一旦发生突发事件 携带单兵移动台的工作人员或者车载电台将信号传 送到离事发地实时的传送到覆盖质量最好的基站 然后该基站将信号发送至公安 厅总部的指挥室 使最高指挥者能在第一时间了解事态的发展 迅速作出决定 使事态得到迅速的控制 成都众悦科技有限公司在项目夺标后 迅速组织科研力量 进行产品的研发 本人的主要任务是该系统中射频收发系统中2 0 w 功率放大器和低噪声放大器的研 制 功率放大器的具体要求指标如下 工作频带 7 5 0 8 1 0 m h z 增益 5 0 d b 增益平坦度 1 d b 输入功率 一6 5 d b m 1 d b 压缩点输出功率 4 3 d b m 三阶交调 一3 9 d b c 条件 a f 1 m h z 单音信号输出l o w 驻波比 1 3 工作温度 o 5 5 0 c 低噪声放大器的具体要求指标如下 工作频带 7 5 0 8 1 0 m h z 增益 2 0 d b 噪声系数 l d b 稳定性 无条件稳定 1 d b 压缩点输出功率 1 4 d b m 增益平坦度 1 d b 输入驻波比 1 3 第一章引言 输出驻波比 2 0 工作温度 0 5 5 0 c 1 2 2 本文内容安排 围绕该系统2 0 w 功率放大器和低噪声放大器的研制 本文内容大致可以分 为六章 第一章为引言部分 第二章是对现代射频通信收发系统的种类做一定 的阐述 并对本通信系统做简单介绍 第三章围绕是功率放大器的线性化问题 进行探讨 主要探讨了几种常用的线性化技术 比较在放大器设计中增益匹配 和功率匹配两种方法 说明功率匹配方法在功率放大器设计中的重要性 并对 功放所采用的l d m o s 器件的特性进行了介绍 第四章重点阐述了功放的设计思 路和仿真过程以及功放的调试和实现 第五章首先分析了在接收机中输入驻波 比和噪声系数对系统灵敏度的影响 从理论上阐述输入驻波比和噪声系数这两 个指标在低噪声放大器中很难同时达到最优的原因 进而提出了一种既能得到 很小的噪声系数 又能得到极低输入驻波比的低噪声放大器设计方法 第六章 为本文的结束语 电子科技大学硕士学位论文 第二章无线通信系统概述 利用电磁波的辐射和传播 通过空间传送信息的通信方式称之为无线电通信 r a d i oc o m m u n i c a t i o n 也称为无线通信 利用无线通信可以传送电报 电话 传真 数据 图像以及广播和电视节目等通信业务 2 1 无线移动通信系统的组成和分类 无线通信系统一般由发信机 收信机及与其相连接的天线 含馈线 构成 所谓移动通信就是指移动体之间 移动体与固定器之间的通信 按照移动体所处 的运动区域的不同 移动通信可分为陆地移动通信 海上移动通信和空中移动通 信 而目前实际使用的移动通信系统有航天通信系统 航海通信系统 陆地移动 通信系统和国际卫星系统通信系统 移动通信的工作方式可分为单向通信方式和双向通信方式两个类别 而后者 又分为单工通信方式 双工通信方式和半双工通信方式 2 三种 2 1 1 单向通信方式 所谓单向通信方式就是通信双方中的一方只能接收信号 而另一方只能发送 信号 不能互逆 收信方不能对发信方直接进行信息反馈 陆地移动通信系统中 的无线寻呼系统就采用这种工作方式 b p 机只能收信而不能发信 反馈信息只能 通过 打电话 间接来完成 2 1 2 双向通信方式 2 1 2 1 单工通信方式 所谓单工通信就是指移动通信的双方只能交替地进行发信合收信 不能同时 进行如图2 1 所示 常用得对讲机就采用这种方式 平时天线与收信机相连接 发信机也不工作 当 方用户讲话时 接通 按一讲开关 天线与收信机相连 发信机开始工作 另一方的天线接至收信机 因而可收到对方发来的信号 第二章无线通信系统概述 图2 一l 单工通信方式示意图 2 1 2 2 双工通信方式 全双工通信方式 所谓双工通信就是指移动通信双方可同时进行发信台收信 这是收信与发信 必须采用不同的工作频率 用户使用时与 打电话 时的情况一样 这时通信双 方的设备一般通过双工器来完成这种功能 图2 2 给出了双工通信方式的示意图 图2 2 双工通信方式示意图 2 1 2 3 半双工通信方式 这种通信方式与双工通信相类似 也就是通信双方可同时发信和收信 只 不过发信时要按下 按一讲 开关 半双工通信方式示意图如图2 3 所示 图2 3 半双工通信方式示意图 电子科技大学硕士学位论文 2 2 单兵收发系统的方案选定 在对不同频率的电磁波传播特点 移动通信电磁波传播特性和无线通信方式 有了全面的了解后 才能合适的选择我们这套收发系统的完整解决方案 本小节 主要讨论方案选定问题以及实现方法 2 2 1 频率选定 在这套收发系统的方案选定中 第一步要确定的是它所使用的频段 只有 确定了一个确实可行的工作频段后 我们才能够在接下的具体实现方案 器件选 型等步骤中能合理的对系统进行规划 该系统占用带宽为6 0 m h z 可以同时传1 2 路图像 在基带 调制和上变频单元 我们采用的是基于8 0 2 1 l b 的2 4 g h z 无线网桥方案 也就是说经过单兵端实时采集 到的图像和语音信号发射频率为2 4 g h z 经过我们的测试 发现在频率在2 4 g h z 时 在进行信号传输时 电磁波的绕射能力和对付多径衰减的能力交叉 几乎无 法达到以较少的基站使信号覆盖整个城市的要求 因此 我们将频率定在7 5 0 m h z 8 1 0 m h z 这样既可以增加电磁波的绕射能力和对付多径衰减的能力 又可以避 开电视信号所占用的u h f c d m a 信道 6 s m 信等 以避免产生同频干扰 2 22 各级增益分配 我们的单兵系统框架如图2 4 所示 混频 图2 4 无线单兵系统框架图 网桥输出的信号电平为1 9 d b m 我们首先对输入信号进行下变频 我们采用 的混频器是h i t i t e 公司的h m c 4 2 2 m s 8 它的输入i d b 压缩点为8 d b m 变频损耗为8 d b 一 显赫丁 里器秘 是 田 一 乍器一 盱 圉 卜 一 亭一 第二章无线通信系统概述 为了使保持信号良好的线性度 必须使混频器输入端的信号工作在混频器的线性 区 我们将输入信号功率通过阻性衰减器控制在小于混频器i d b 功率压缩点1 2 d b 处 既输入电平为 4 d b m 可以通过加一个衰减2 3 d b 的阻性衰减网络实现 经过 混频后 由于混频器的变频损耗 其输出的7 8 0 m h z 的中频信号电平大小为一4 8 一1 2 d b m 混频后的中频信号接下来就是进行滤波 以滤除本征信号 r f 信号和上变频 分量 我们采用的使介质谐振腔体带通滤波器 该滤波器的插入损耗为0 8 d b 左右 因此经过滤波器滤除杂波后的中频信号电平为一1 2 8 d b 左右 考虑到t d 模式的通 信方式对发射信道和接收信道的隔离度要求较高 我们在滤波器后面加单刀双掷 开关进行隔离 开关的控制电路方案采用电平检测的方案 由于篇幅有限 这里 对开关的控制电路不做过多的介绍 我们采用的开关是h i t t i t e 公司的h m c l 9 4 m s 8 该开关有很好的隔离度 插入损耗为l d b 这时中频信号电平为一1 3 8 d b m 为了达到2 0 w 4 3 d b m 的发射功率 我们有必要在功率放大器模块前先对信 号进行小信号放大 以降低对功放的增益要求 我们先采s t a n f o r dm i c r o d e v i c e s 公司的小信号放大器s g a 一4 5 8 6 该放大器的输入输出阻抗都是5 0 0 h m 既我们常 说的内匹配放大器 工作在7 8 0 m h z 时 增益为2 4 2 d b 1 d b 功率压缩点为1 6 5 d b m 为了保证其良好的线性度 将其偏置在a 类状态 这样 在经过s g a 一4 5 8 6 对信号 进行小信号放大后 电平大小只 只 g a i n 一1 3 8 2 4 2 9 4 d b m 以上就是对该收发系统发射链路各级增益的指标分配 射频信号经过混频 滤波 开关和小信号放大后 功率为9 4 d b m 左右 在进行方案选定时 保证了信 号几乎不经过失真 这样才能保证为功率放大模块的驱动提供 纯净 的 没有 失真的信号 2 3 小结 本章主要对电磁波传播特性和现代射频通信收发系统的种类做一定的介 绍 并阐述本通信系统的组成和各级指标分配 电子科技大学硕士学位论文 第三章功率放大器的线性化技术 射频功率放大器是射频通信系统中的关键部件 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 3 4 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 简单的说 如果信号只是在幅度上产生变化 我们就称之为线性失真 如果产生新的频率分量 就是非线性失真 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 5 6 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 因此 在高功放的基础上必须对其进行线性化处理 这样可 以较好地解决信号的频谱再生问题 实现射频功放线性化的技术很多 本文介绍了 三种常用的技术 功率回退 预失真技术和前馈技术 3 1 功率放大器的非线性分析 设有一功率放大器 其输出电压是输入电压的函数 7 v 0 t u t 3 1 v k l f k v 力 屯v 0 3 2 假定输入信号为单一频率的信号 u 0 kc 0 s e o t 3 3 由 3 3 式可知 由于放大器的非线性 输出信号中除输入信号频率外 还出现了 f 墨 e o s c o j t 岛k 2c o s g o i t 岛 3c o s e o t t 1 2 墨一 屯 3 c s 脚 r 第三章功率放大器的线性化技术 l k y c o s 2 c o i t l k 3 k 3c s 3 新的直流分量 26 0 i 3 曲 等谐波分量 如果是双音输入 即v i 0 l c o s q c o sc 0 2 功 则v o 幻 k 1 c o s q t c o s 国2 七21 2 c o s 0 9 1f c o s 0 3 2 2 k 3 矿3 c o s 1 c o su 2 幻3 女 一2 一 詈l 一3 c s f t 一 詈 3 c sm f 女 一2c o s 国 一m f 女 2c o s 十 f 2c o s 2 c o t 丢 一2c o s 2 c 02 t 4 3 k 一3c o s 2 m 一 h4 3 k c s 2 国2 一 1 f 兰4 七3 3c s 2 1 2 f 五3k 3 3 c s 2 国2 i r 屯 3c o s 3 o i r 丢女 c o s 3 6 0 2 r 3 4 由 3 4 式可以看出 双音输入时输出端口的成分由直流成分 基频0 3 1 和哆 二次和三次谐波26 0 2 2 3 q 及3 2 二次互调分量q 0 9 2 三次互调分量 2 0 1 q 26 0 2 q 等分量组成 一般情况下 仅2 q 一0 9 2 2 0 2 一q 落在通带内 县丰兽考虑的非线 件产物 3 2 功放线性度指标 3 2 1 1 d b 压缩点 8 输出功率只 线性功放的 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1 d b 时 此点就被称为i d b 压 电子科技大学硕士学位论文 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 g 一l d b 其中g o 是放大器的小信号增益 如果将l d b 压缩点的输出功率 e 用d b m 表示 则它与相应的输入功率最 的关系为 只i 1 1 d b d 日m g 1 招 昂 d b m 3 5 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 更重要的是圪 大 决定动态上限范围 或 大 决定失真较小的输出功率 9 3 2 2 三阶交调 图3 一l 放大器的输出与输入功率函数关系 假设有双频信号q 和q 输入放大器 见图3 2 a 由于非线性作用 输出 有珊q 哆成分 其中最靠近q 的成分是2 q 一哆及2 啤一q 两个频率 一般 落在放大器的频带内不能被滤除 1 0 见图3 2 b 这两个频率的幅度称为三阶 交调幅度 w 1 2 a 2 1 一 2 1 22 c 0 一w 1 b 图3 2 功放的交调失真 0 第三章功率放大器的线性化技术 定义三阶交调系数 用d b 数表示时 i m 3 2 0 1 9 鬻 3 6 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 3 3 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 儿 2 0 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 3 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 1 9 i m 3 d b c 2 3 5 d b c 3 7 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p i d b 卜2 3 7 5 d b c 3 8 其物理意义如图所示 当p i 超过p j d b 之后 p i 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 p i 每增加i d b i m 3 就恶化2 d b 而如果从p 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i d b 压 电子科技大学硕士学位论文 缔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 3 2 前馈技术 前馈技术 1 3 1 5 比反馈技术提出的早 是一种宽带线性化技术 也是蜂窝通 信和p c s 基站的a m p s t d m a g s m 多载波系统 以及i s 一9 5 单载波放大系统常 用的线性化技术 前馈技术基本原理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 4 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 蔷号抵消环 生真抵消环 图3 4 前馈系统基本原理 前馈技术具有较高的线性化能力 通常一次前馈抵消 可以得到2 0 3 0 d b 的 线性改善 理论上它可以对所有假 向应 3 进行抑制 前馈技术的另一大特色就是 前馈放大器噪声系数主要由辅助放大器决定 通常辅助放大器放大的信号电平不 是很高 其产生的噪声要小的多 因此 在没有改善主放大器噪声特性的情况下 前馈系统仍然具有良好的噪声性能 另外 前馈系统的抵消还可以在很大的动态 范围内进行 第三章功率放大器的线性化技术 3 3 3 预失真技术 预失真技术 1 6 是一项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 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 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 虽然预失真技术能够对幅度和 相位进行校正 但它主要是对a m p m 转换进行校正 预失真技术也可以作为闭环 系统 如反馈系统 的一种补充 来弥补闭环系统的一些不足 预失真技术可分 为r f 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 5 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 a m a m 和相位 a m p m 转换失真 若信号处理器件带宽是调制带宽的1 0 倍左右 则系统可以工作在一 个很宽的频带上 增益和相位补偿系统的三阶交调产物抑制典型值可达l o 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 b f 输出信号 图3 5 预失真原理框图 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 另一个r f 预失真方法是使用非线性放大器 n l g 产生交调失真互补信号 来抵消功率放大器失真 这种技术有几种实现途径 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 网络来校正三阶失真 较复杂的一种是利 用具有相同失真特性的低功率晶体管做成非线性发生器 运用此非线性发生器对 主放大器进行前馈预失真 在实际应用中 这种方法要复杂的多 因为它必须要 抵消掉n l g 输入的r f 信号 仅留下失真信号 而且它还要对主路和支路的幅度 电子科技大学硕士学位论文 相位以及时延进行匹配 保守估计 这种方法的三阶交调产物抑制可达1 5 d b 但 若想对三阶交调产物抑制最大 则高阶产物可能得不到抑制甚至会增加 反之 若想使高阶产物得到抑制 则会降低三阶及五阶产物的抑制能力 同样 此系统 也要受到温度和增益变化的影响 也需要一定的调节控制电路 基带预失真 1 7 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 一般说来 各种线性化方法大体都可以归成两大类 1 8 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大的通信系统中使用 3 4 增益匹配与功率匹配 2 1 匹配电路的设计可以说是功率放大器中最为重要的部分 匹配电路设计的优 良直接决定着功放的诸多指标的好坏 所谓增益匹配和功率匹配都是针对射频放 大器的输出匹配而言 增益匹配着重的是放大器的增益 通常也称之为s 匹配 功率匹配则侧重于功放的e 在设计小信号放大器电路时 在进行输入匹配时 一般采用增益匹配的原则 而对于功率放大器电路 尤其是在进行大功率线性功率放大器设计时 增益匹配 原则不再适用 图3 6 中描述了在以上两种不同的匹配原则下功率放大器的传输特 性 图中 实线反映的是在输出共轭匹配即增益匹配的情况下的输出特性 a a 和 b 点表示该放大器的最大线性输出功率和l d b 功率压缩点 我们通常用只 表征放大 器的功率容量 虚线表示的是在选择好合适的负载阻抗后进行功率匹配后的放大器的输出特 1 4 第三章功率放大器的线性化技术 p n d 譬7d i 1 一 i 二 k 一 一 c j 梦 一 增益匹配 爿 翻7 么 一 th 室兀静 么f 罄f w f l e a 口l 图3 6 增益匹配和功率匹配 下功率压缩曲线图 性图 a 和日 表示的是在此种匹配原则下的最大线性输出功率和l d b 功率压 缩点 从该图表中可以看出 同一型号的功放管 并且将其偏置在同样的条件下 输出端按照增益匹配原则设计出的功率放大器的e 要比进行了正确的功率匹配 设计出来的功放小大约2 d b 这就意味着不恰当的匹配原则会使器件所能达到的最 大功率比厂商所给定的最大功率要 j 2 d b 然而 在射频通信系统中 高功率晶体 管是非常昂贵的器件 这种性能上的浪费直接导致了成本的提高 所以 必须严 格的采用功率匹配的原则 尽管采用功率匹配的方法设计的电路在小信号时增益 比增益匹配的电路d l d b 左右 但功放侧重的是功率 效率和线性度 况且经过工 程经验的证明 末级功放如果采用高增益方案容易导致潜在的不稳定而引起自激 采用功率匹配设计功放的方法是 采用负载牵引法设备得到最佳的负载阻抗 或利用厂商给定的最佳负载阻抗进行匹配 3 5r fl d m o s 功率晶体管 功率放大器属于固态有源电路范畴 半导体功率器件好比放大电路的心脏 在一定程度上讲 器件的水平直接决定着电路的水平 因此我们的功率放大器也 需要性能优异的射频功率晶体管 几年前 大家通常使用的是射频功率晶体管主 要是硅双极晶体管和g a a sm e s f e t 随着半导体工艺的发展 近年来硅射频横向扩 散金属一氧化物一半导体 r fl d m o s 功率晶体管已凭借其优良的性能成为功放 皇三型垫奎堂堕主堂壁垒墨 的首选器件 2 卜2 6 l d m o s 器件的发展异常迅速 已经成为射频功率半导体器件 领域研究和开发的 个新热点 我们的基站功放就是采用这种器件 因此有必要 对该器件的具体性能做一些说明 3 5 1l d m o s 的基本结构特点 r fl d m o s 是为射频功率放大器而设计的一种改进型n 沟道m o s f e t 其基本结 构如图3 7 所示 它具有横向沟道结构 漏极 源极和栅极都在芯片表面 舀裔蒜 兰兰 三 篡童菸压强垂 兰 三 篡复 一 一i s 一 图3 7l d m o s 结构示意图 源极一般由体内高杂质浓度通道与衬底底部相连接并接地 在沟道与漏极之间有 一个低浓度的n 一漂移区 l d m o s 采用双扩散技术 在同一光刻窗口相继进行两次 扩散 由两次杂质扩散横向结深之差可精确地决定沟道长度 2 8 3 沟道长度l 可以 做得很小且不受光刻精度的限制 在射频应用方面 与双极晶体管相比 l d m o s 有很多优点 由于在大电流范围的跨导保持较大并为常数 故线性放大的动态范 围较大 并在较大输出功率时能有较大的线性增益 交调失真较低 这是双极晶 体管所不能达到的 3 5 2l d m o s 器件的优良性能 3 5 2 1 具有较高的功率增益 由于l d m o s 管具有很低的源极电感 反馈电容和栅极电阻 因此在增益方面 与双极管相比能提供更高的增益 约高5 d b 这样在设计功率放大器时就可以大 大减少放大器的级数 使用的元件数可大大减少 占用印制板的面积减小 同时 提高了整个电路的可靠性能 3 5 2 2 具有高可靠性 l d m o s 与双极型晶体管相比能够承受比它高出3 倍的负载失配 即能够接受更 第三章功率放大器的线性化技术 高的反射能量而不损坏 从而提高了其可靠性 同时l d m o s 还具有很高的过驱动 能力 因此特别适合用于c o f d m 调制 传送具有高峰值功率的多载波数字信号 这种特性为我们将来调试放大器时候将会节约不少成本 因为对于这种固态有源 电路 元器件的成本大都是靠进口 费用很高 尤其是功率放大器 调试过程中 往往由于失配这个因素而造成功率器件的烧毁或者性能降低 而l d m o s 的这种较 高的承受负载失配能力将大大减小器件烧毁的几率 a 优良的热性能 l d m o s 的源极经p 一通孔与衬底相连接 芯片直接键合在封锁的热沉上 其间 不用任何绝缘片 源电极与热沉 接地 之间有蘸好的电气接触 因而热阻很低 在双极晶体管中 芯片的集电极与热沉 地 之间必须用散热性能较好的绝缘片 进行电气隔离 很显然 相比之下 l d m o s 器件具有更为优异的热性能 另外 该 器件还有一个很大的优点就是当漏极电流达到一定值时 电子迁移率将随着温度 的升高而降低 进而导致漏极电流的减小 也就是说随着输出功率的增加 管子 的漏极电流会呈现负温度系数变化趋势 2 3 2 7 因而它不存在热漂移的影响 大 大提高了管子的热稳定性 b 良好的交调特性 图3 8 不同工作状态时的l d m o s 交调特性曲线 图3 8 中显示的是典型的l d m o s 器件在不同偏置工作点下的三阶交调特性曲 线 当功率管在一定的负载阻抗下 偏置在a b 类工作状态时 由于开启区和饱和 区的交互作用 2 1 2 2 2 4 会使得功放在一定的输入信号范围内出现两个 拐点 电子科技大学硕士学位论文 即极小三阶交调点 如果根据实际需要 适当优化偏置工作点 就可以在既定输 入信号下得到我们所需要的线性度较好的区域 2 6 实际上 在末级功放中 为 了提高其工作效率并考虑到线性度 通常都将功率管偏置在a b 类状态 l d m o s 的 这种特性为设计出高线性度的功放提供了依据 总之 l d m o s 器件的性能比双极晶体管优越而价格却比g a a s 器件低得多 硅 l d m o s 技术为性能 价格比要求十分严格的个人通信系统基站提供了理想的低成本 解决方案 l d m o s 已经成为生产低成本功放的最佳射频功率器件 其必将使我们设 计的大功率放大器的性能指标得到大大的改善 3 6 小结 本章着重对固态功率放大器的线性问题进行了详细的探讨与说明 首先介绍 了功放的几种常用线性化方法 功率回退法 预失真法以及前馈法 并比较了它 们之间的差别以及优劣 其次就比较了射频放大器设计中输出匹配中增益匹配和 功率匹配两种方法 并分析在射频线性功率放大器中功率匹配方法的优越性 最 后对功放所采用的r fl d m o s 功率器件的特性进行了说明 该章的内容主要是对一 些文献的阅读的综述和分析 同时也为功放的设计做了一些理论方面的铺垫 第四章2 0 w 功放的设计与实现 第四章2 0 w 功放的设计与实现 在前面第二章中已对系统的各级增益分配进行了分析和方案选定 本章将重 点对研制2 0 w7 5 0 8 1 0 m h z 的功率放大器中的设计仿真的整个过程进行具体的 阐述 2 0 w 功率放大器的具体指标要求如下 工作频带 7 5 0 8 1 0 m h z 增益 5 0 d b 增益平坦度 1 d b 输入功率 一6 5 d b m l d b 压缩点输出功率 4 3 d b m 三阶交调 一3 9 d b c 厂 i m h z 单音信号输出功率4 0 d b m 杂散 一3 6 d b m 驻波比 1 3 工作温度 o 5 5 0 c 前面第三章中我们己论述 功率放大器属于大信号放大器 在设计方法上 与低噪声小信号放大器有着很大的区别 通常有三种设计方法 大信号s 参数 法 阻抗共轭匹配法 负载牵引法 为了便于后面的论述 我们在此先对这 三种大信号功放设计方法 2 7 2 8 2 9 做一个简单的介绍 1 大信号s 参数法 小信号s 参数只决定于管子的直流工作点和工作频率 而与输入功率无关 但功率加大后 s 参数还与输入电平有关 对于在较大功 率情况下 仍能运用在甲类和准甲类状态的管子 其输出波形仍然很接近于正 弦 因此可以用通常的s 参数去描述这个等效线性系统的大信号特性 s 参数 一经引入 微带功率管放大器的设计与小信号情况下的设计就没有显著区别了 大信号s 参数设计法的一个最大优点就是可以预估功放的稳定性 2 输入输出阻抗共轭匹配法 这种设计方法源于动态阻抗法 所谓动态阻 抗 就是将晶体管与信号源 调配器 功率计等构成一简单测试系统 在一定 频率及输入电平下 调整工作点及调配器 使输出功率最大 同时效率又较高 偏置电流较小 则称为最佳负载阻抗 然后用共轭替代法测出晶体管在此状 电子科技大学硕士学位论文 态下的输入 输出阻抗 以此作为设计人员进行匹配电路的源 负载阻抗共轭 匹配的依据 该种方法的缺点是无法预见功放的不稳定性 另外这种方法也不 能预估功放的非线性 3 负载牵引法 如果有条件建立完善的测试系统 则可在实际微波功率输 入情况下改变负载 获得负载变化时功率管负载特性和非线性负载特性 前者 可以在史密斯圆图上面绘出一族等输出功率线 而后者绘出一族等三阶交调线 当负载值沿等三阶交调线变化时 放大器的输出功率不同 在等输出功率线与 等三阶交调线的切点处 输出功率最大 因此这个点就是最佳负载点 所有最 佳负载点的连线称为最佳负载线 于是 可以根据功放的输出功率 三阶交调 系数以及增益等指标 找出其最佳负载阻抗 算出所要求的相应输入端信源阻 抗 然后应用计算机拟合法设计输出 输入匹配网络 负载牵引法有利于设计 线性功放 但是测试条件复杂 上述三种功放设计方法各有千秋 在下面的设计中我们将会酌情应用 从该功率放大器的指标要求来看 设计的难点主要有二 功放在保证效率的前提下线性度要求较高 要求满足在输出功率2 0 w 时 三阶交调抑制比低于 3 9 d b c 而且该功放不仅用于基站设备 而且同 时还用于单兵系统 这就要求在具有相当好的线性度的同时 还必须满足 效率的要求 才能保证长时间使用 因此 需要认真地进行三阶交调计算 恰当的器件选型 并仔细 耐心地调试 7 8 0 m h z 的频率不是普遍使用的民用频率 经过查阅 功放管器件厂商 一般都没有提供该频段经过负载牵引法设备测试到的最佳负载阻抗与源阻 抗值 而我们自己又没有负载牵引测试系统这种昂贵的设备 因此 只有 通过利用e d a 软件对器件的大信号模型进行非线性的双音仿真 提取 出最优的阻抗值 然而 厂家提供的非线性模型虽然有一定的帮助设计的 作用 但其准确性 尤其是双音仿真的准确性还不是很高 所以 只有将 得到的最优的阻抗值作为一种设计最初雏形 然后进行耐心的调试 才能 设计出最终的能够达到较好的一致性和稳定性的产品 4 1 器件 介质基片的选择 微波功率晶体管是整个放大器的心脏 要想使得所设计的电路达到预期的 第四章2 0 w 功放的设计与实现 指标 首先必须选择合适的功率晶体管以及相应的辅助半导体元器件 通常在 选择功率管时 主要考虑价格 可靠性和电气性能等三方面的因素 在前面第 三章中 本文已经对固态功放的一些线性化方法以及l d m o s 功率晶体管的特点 进行了详细的探讨 我们知道 l d m o s 功率管 2 6 具有增益高 输出功率大以 及良好的线性度 较高的性价比和高可靠性等特点 非常适合用于设计基站功 放 因此在功率管类型上我们选择l d m o s 管 作为产品 需要考虑批量生产这 个因素 只有提高工作效率 才能缩短产品的研发周期 从这个角度出发 要 求所设计出的功放应该尽量具备一致性的特点 因而在线性化方法上 采用功 率回退法来实现较苛刻的线性指标 为此我们选择f r e e s c a l e 公司的m h l 9 2 3 6 和 m r f 9 0 4 5 来分别作为这个功放的末前级和末级功率管 m h l 9 2 3 6 为内匹配的放大 管 其偏置在a 类工作状态 其工作在7 5 0 8 1 0 m h z 时 增益为3 1 d b 左右 同 时为了使得功放的输出端具有良好的驻波比 我们在功放的末级加一隔离器 这样 整个电路中的主要元器件就确定了 除此之外 还需要选择承载元器件 的载体一一介质基片 考虑到工作波长 电路的尺寸等因素 选择聚四氟乙烯 作为衬底基片 该基片的相对介电常数为2 6 5 厚度为0 8 n u n 4 2 方案的评估与论证 元器件与基片选定后 在具体的电路设计之前 作为一名射频工程师 必 须先对部件 系统 的整体方案进行评审和论证 电路只有在理论上具有可行 性 才能够保证研制出的产品达到预期的指标 4 2 1 增益的估算 网桥输出的信号电平为1 9 d b m 我们首先对输入信号进行下变频 我们采用的 混频器是h i t i t e 公司的h m c 4 2 2 m s 8 它的输入l d b 压缩点为8 d b m 变频损耗为8 d b 为了使保持信号