[硕士论文精品]高效率doherty功率放大器的研制

摘要摘要功率放大器在雷达、导航、卫星通讯、个人无线通信、电子对抗等系统中有着广泛的应用，在现代无线通信中充当着关键角色。随着现代调制技术的发展，许多标准如80211无线局域网标准，HDTVHIGHDEFINITIONTELEVISION，4G等都已采用高峰平比的调制信号，因此在这种新的应用环境下对放大器提出了新的要求。放大器是发射机中主要消耗能源的模块之一，如果其效率低下则一方面会造成电力资源的严重浪费，另一方面也会因散热等问题造成设备的不稳定。因此，在高峰平比信号的应用条件下如何实现高效率的放大器成为了当今的热点研究领域。本文重点为高效率DOHERTY功率放大器的研究与设计。首先，在查阅了大量微波功率放大器资料的基础上，对比分析了多种高效率放大器技术，针对当前高峰平比调制信号被众多通信标准采用的情况，深入研究了DOHERTY放大器理论。然后将AGILENT公司的先进设计系统软件ADS和FREESCALE公司的功放经验模型相结合，根据负载牵引理论完成了DOHERTY放大器的设计工作，并分析了主、辅助功放对系统特性的影响。最终完成了驱动放大器及DOHERTY放大器的调试工作，为后续研究提供了宝贵的经验，明确了改进方向。其次，通过对放大器非线性特性的分析，及对当今主流线性化技术各自优缺点的对比，重点研究了预失真理论和基于多项式模型的预失真MATLAB程序模块的使用，并与DOHE啊放大器相结合，通过ADSMATLAB进行联合仿真实现线性度的提高，成功地完成了一种适合较高峰平比信号的高效率、线性化功率放大器的设计，提高了能源利用率，降低了耗费。关键词功率放大器，DOHERTY，高效率，预失真，有源负载牵引ABSTRACTABSTRACTTODAYTHEPOWERAMPLIFIERISWIDELYAPPLIEDINTHERADAR,NAVIGATION,SATELLITECOMMUNICATIONANDPERSONALWIRELESSCOMMUNICATIONSYSTEMS；ITSONEOFMOSTIMPORTANTEQUIPMENTSINTHEMODEMWIRELESSCOMMUNICATIONSALONG州TLLTHEDEVELOPMENTOFMODEMMODULATIONTECHNOLOGY，INMANYSTANDARDSTHESIGNALWHICHHAS11IGHPARPEAKTOAVERAGERATIOHASBEENACCEPTEDSUCHAS80211WIRELESSLANSTANDARDS，HI曲DEFINITIONTELEVISION，4G,SOTHEHIGHERREQUIREMENTSOFAMPLIFIERHAVEBEENREQUKEDTHEAMPLIFIERCONSUMESMOSTPARTSOFTRANSMITTERSPOWER,BUTBECAUSEOFITSLOWEFFICIENCYITWILLMAKETHESERIOUSWASTEINTHEELECTRONICRESOURCEANDTHEINSTABILITYOFEQUIPMENTSOINSUCHAPPLICATIONENVIRONMENT，IMPLEMENTINGTHEAMPLIFIERWHICHSATISFIESTHEREQUIREMENTOFHIGHEFFICIENCYISURGENTAFFAIRSTHISPAPERFOCUSONTHEDESIGNOFHIGHEFFICIENCYDOHERTYAMPLIFIERFIRSTLY,AGREATDEALOFINFORMATIONONMICROWAVEPOWERAMPLIFIERHASBEENCOLLECTED,ANDTHECHARACTERISTICSOFDIFFERENTHIGHEFFICIENCYAMPLIFIERTECHNOLOGIESHAVEBEENCOMPAREDINTHENEWAPPLICATIONENVIRONMENTWHICHHASBEENREFERRED，WEHAVEDONETHEINDEPTHTHEORETICRESEARCHOFTHEDOHERTYAMPLIFIERTHENCOMBINEDTHEADVANCEDDESIGNSYSTEMADSSOFTWAREANDEXPERIENCEDPOWERAMPLIFIERMODELGIVENBYFREESCALECOMPANY,THEDESIGNWORKOFAMPLIFIERDOHERTYACCORDINGTOTHELOADPULLTHEORYISCOMPLETEDFINALLYTHEDEBUGOFDRIVERAMPLIFIERANDTHEDOHERTYAMPLIFIERISDONE，WHICHHASPROVIDEDVALUABLEPRACTICALEXPERIENCEANDACLEARDIRECTIONFORIMPROVINGSECONDLY,THISPAPERHASINTRODUCEDTHEAMPLIFIERSNONLINEARCHARACTERISTICS，ANALYZEDTHEADVANTAGESANDDISADVANTAGESOFDIFFERENTLINEARTECHNOLOGIES，THENFOCUSONTHERESEARCHOFPREDISTORTIONTHEORYANDTHEUSAGEOFPREDISTORTIONMODULEBASEDONPOLYNOMIALAMPLIFIERMODELAFTERTHAT,WECOMBINEDDOHERTYAMPLIFIER、析MPREDISTORTIONTECHNOLOGY,ACCOMPLISHEDADESIGNMETHODABOUTHI。GHEFFICIENCYANDHIGHLINEARITYWCDMAPOWERAMPLIFIERTHROUGHTHEUNITEDSIMULATIONOFMATLABANDADS，IMPROVINGENERGYEFFICIENCY,DRAMATICALLYREDUCINGTHECOSTKEYWORDSPOWERAMPLIFIER,DOHERTY,HIGHEFFICIENCY,PREDISTORTION,LOADPULL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。签名壁乏墨。隰砌7年F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蜂导师签名丛驻丝篮日期形歹年歹月第一章绪论第一章绪论随着移动通信的快速发展，关于射频功率放大器PA的研究已经成为了当今世界最热门的研究领域，如何行之有效地提高功率放大器的效率和线性度成为了正在研究的核心技术。11高效率功率放大器的发展概况及重要性从上个世纪八十年代功率放大器技术的飞速发展开始，功率放大器已经广泛应用于各种无线通信设备中，在雷达、个人通信、导航、卫星通讯、电子对抗等系统中发挥着重要的作用。在当今，随着民用无线通信和军事领域新标准的制定与发展，特别是伴随着第三代移动通信的发展，对放大器提出了更高更新的要求【L】。WCDMA、CDMA2000、OFDM等通信技术中，被放大的信号一般拥有较高的峰平比，如何在满足线性度要求的情况下，使PA能在更宽的频带工作，并具有更高的输出功率、更高的效率，引起了学术界和产业界的高度关注。以通信基站为例，PA作为收发信机的核心组成部分，在系统能源耗费的比例中约占13，如果其效率低下必定将导致整个系统效率随之降低。整个通信系统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另人震撼的。所以为了降低通信运营商的运营成本，并减小冷却费用，使之易于热控制，就要求提高PA的效率。这是完全符合当前紧迫形势需要的，完全有必要将解决功率放大器的效率问题作为当前研究的重中之重，其具有非常广泛而深远的意义。下面用一个实际例子，来形象具体的说明高效率放大器在日常生活中的重要意义。一个444典型配置的情况下【2J，传统基站的功耗为1600W，若再加上配套功耗，典型值将为3000W。而采用新一代高效率技术，基站功耗将控制在730W。据业界多家咨询公司测算，730W是绿色能源与高污染能源的分界线。假设WCDMA网络有5000个基站，在一年时间内采用新一代技术比传统基站节省的费用如下节省的电费24X365DX时数085成都市商业用电单价度5000基站数1600730LOOO功耗差值32390100元电子科技大学硕士学位论文这一数字充分说明了研究高效率放大器的重要意义，节约自然资源对当代乃至对将来都将产生深远的意义。目前，在功率放大器的课题上，国内研究与国外研究水平之间存在较大差距，同时，也正是因为这种差距，使得对于高效率、高线性放大器的研究具有非常良好的前景。近几年与高效率、线性化放大器相关的论文数量成倍增长，以IEEE为例，在功率放大器效率和线性研究方向的文章每年以百分之十左右的速度增长，2001年的微波理论与技术国际会议中就有一个专家小组专门讨论改进功率放大器线性度和效率的方法。近几年，国内对于高效率、高线性放大器的研究非常投入，除包括华为等具有相当实力的公司正热衷于这方面的研究之外，国内一些知名大学也进入这方面的研究。但在IEEE等高层次的期刊中，国内研究人士发表的文章数量偏少，同时，相关的发明专利申请也较少，其研究有待进一步的深化和拓展。12功率放大器的关键技术指标对于放大器而言，为衡量其研制水平的高低，通常存在着如下的关键技术指标【3】工作频率范围满足放大器所有工作指标要求的频率范围。放大器增益定义为在良好匹配的条件下，放大器输出功率与输入功率的差值，衡量了放大器对信号的放大能力。G己DBMPODBM11增益平坦度定义为放大器的输出信号，在工作频率范围内的变化量。在数值上，用工作频率范围内最大输出与最小输出功率的差值表示，单位为DB。G墨迁兰血扭12GMAXGMINF鞋盯FSTOP图11增益平坦度效率衡量放大器将直流电源提供的能量，转化为信号能量的能力。一般2第一章绪论包括三种定义效率的方式漏极效率，输出功率与直流功率的比值蚀等DF功率附加效率PAE，POWERADDEDEFFICIENCYPAE麴二墨综合效率2丽OUTN131415线性动态范围定义为最小可检测信号与放大器满足线性要求时的最大信号电平值之差线性动态范围最大信号电平值最小可检测信号噪声系数衡量放大器噪声性能的物理量，定义为1019丽S,N,16对于级联的系统，总的噪声系数计算公式表示为唧等嚣蒜M7，目为第N级的噪声系数，G为第N级的增益，从17式可以看出，一般的射频通信电路中，最后一级的功率放大器对系统的噪声影响相对较小，因此，噪声系数在一般功率放大器设计中考虑较少。G兽JJ镰铸辞功率输入DBM图12三阶截断点及LDB压缩点示意图LDB压缩点当小信号输入时，输入信号与输出信号可以看成是线性关系，电子科技大学硕士学位论文然而，随着输入信号功率的逐渐增大，放大器的增益逐渐减小，最终的结果是输出功率达到饱和。定义放大器的增益比其小信号情况下的增益小LDB时的输出功率点为LDB压缩点，用来衡量放大器的功率容量，如图12所示。互调失真、三阶截断点定义为在工作频带内，两个或两个以上的单音信号经过放大后，因为放大器的非线性特性而在输出端产生的混合频率分量的现象，称之为互调失真现象，用来衡量放大器的线性度。双音互调失真频谱如下图所示LJI2阶孚调3阶互调IM32阶互调弋。U；L一一一谐RF彳忆一FL2FLT2FLF22F2FL2FLF2N2F2图13双音互调失真频谱通常二阶、三阶产物为主要成分的非线性产物，距工作频带最近。当只是测量窄带信号的线性度时，经常将三阶互调和互调失真等同。三阶互调失真的度量可以用“三阶截断点“P3来表示。IP3与输入功率无关，完全由系统的非线性决定，并与LDB压缩点关系如下IP3舅凹1063DBM18临近信道功率泄漏ACLRADJACELLTCHANNELPOWERRATIO如果输入信号是宽带的，为了更加准确的衡量放大器的非线性程度，通常采用ACLRADJACENTCHANNELPOWERRATIO指标来表示。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，它是衡量放大器线性性能的一项重要指标，不同的通信标准对ACLR有不同的要求。勺茎羹軎山山FREQUENCYMNZ图14临近信道功率泄露示意图4第一章绪论以WCDMA信号为例，其计算公式如下ACPR；兰盥丛堑19丽万址_二二1IPFFAXPFDF巴一而，2式中，P厂为信号的功率谱密度，E为临近信道的中心频率，忍384MOPS为信号的码片速率。C取5MHZ时为计算第一临近信道功率泄露比，E取10MHZ时为计算第二临近信道功率泄露比。ACLR越小，说明信道间的相互干扰越小，同时也表示在相同误码率的条件下频带的利用率越高。上面的LDB压缩点、互调失真、三阶截断点、临近信道功率泄漏比等指标，都是用来衡量放大器线性水平的，线性度直接影响到信号传输的质量，因此在实际的设计过程中必须兼顾。13论文的主要工作和章节安排本文的主要工作是DOHERTY功率放大器的研究和设计。在深入学习DOHERTY功率放大器理论知识的基础上，完成设计方案的制定，并通过安捷伦公司的ADVANCEDDESIGNSYSTEMADS软件完成了仿真设计，最终完成实物调试。然后在此基础上，重点研究了预失真理论，并与DOHERTY放大器相结合来提高线性性能，最终通过计算机仿真得以验证。本课题的难点为1实际的DOHERTY功率放大器公开的参考资料很少，各公司如华为、POWERWAVE等，虽有DOHERTY功率放大器的产品，但是其详细资料都保密；2在考虑效率指标的同时，必须兼顾放大器的线性度。DOHERTY放大器有其自身的高效性特点，但线性度还需要进一步提高。采用一般的功率回退法可以提高功放的线性度，但效率将大大降低；在本设计中，主要完成的工作是查阅了大量微波功率放大器的资料，对比分析了多种高效率放大器技术，并对DOHERTY放大器理论进行了深入研究；讨论了当今主流线性化技术各自的优缺点，结合本课题具体应用环境，重点研究了预失真技术；结合AGILENT公司的先进设计系统综合分析软件ADS和FREESCALE公司的功放经验模型，根据负载牵引理论完成了DOHERTY放大器的设计工作；5电子科技大学硕士学位论文完成了驱动放大器的研制，其具有通用性，可以在不同项目中应用；完成DOHERTY放大器的调试工作；学习了基于多项式模型的预失真MATLAB程序模块的使用，并与DOHCRTY放大器相结合，通过ADSMATLAB的联合仿真设计，成功实现了DOHERTY放大器线性度的提升；本文与一般的两级DOHERVY放大器设计相比，主要的改进点为1将负载牵引法与设计相结合，找出了主放大器的最佳负载阻抗；2分析了DOHCRTY放大器自身的线性特点，并结合预失真技术，在仿真中实现了对线性度的提高，完成了一种高效率的线性化功率放大器的设计。本论文的章节安排为第一章为绪论部分第二章为DOHERTY放大器的理论知识研究；第三章为结合ADS仿真软件，对DOHMTY放大器进行设计仿真；第四章为驱动放大器的研制，及DOHCRTY放大器的实物调试；第五章为预失真理论研究，及结合预失真技术的仿真分析；第六章为对整个设计的总结，并指出了后续的研究方向。6第二章DOHERTY功率放大器分析第二章DOHERTY功率放大器分析现代通信系统中，功率放大器的工作目标就是实现高效率、高线性。当今有多种类型的不同技术来改善功率放大器性能，其中以达到高效率为目的的技术主要有DOHERTY技术、LINC技术、包络跟踪技术、包络消除和恢复技术、E类放大器等，在本章中将详细分析DOHERTY放大器的工作原理，并同其它技术进行比较。21单管功放工作状态的分类由于DOHERTY放大器主要涉及到了AB类、B类、C类放大器，所以在具体分析DOHERTY放大器之前，先简单介绍下这几种不同工作状态的单管功放的特性。功率放大器按照在不同偏置下的工作类型可以分为A类、AB类、B类、C类、D类、E类功放【4】，在实际的应用中放大器的效率与非线性与工作状态有着密切的关系。ID图21放大器工作状态转移曲线A类工作状态下，放大器的输入信号在一周内都是导通的，放大器总是工作在放大区，导通角为360度。从图21可以知道，A类放大器的直流偏置点一般设置在饱和点和截止点的中点，在这种情况下A类放大器的线性度相对与其它类型来说较好，但效率却最低。B类工作状态即功放只有半个周期处于导通，另半个周期处于截止，导通角为180度。放大器未导通时并不会消耗直流的功耗，所以B类放大器的效率比A类要高，理论上漏极效率可以达到785【4】，但由于其处于截止、导通的变换过程中，7电子科技大学硕七学位论文线性度较低。AB类放大器是介于A类和B类之间的一种工作状态，功放导通角大于180度小于360度，效率高下A类放大器同时线性度好于B类放大器，其具有增益压缩特性；放人器的导通角如果小于180度，则属于C类T作状态。其线性度较差但效率较前几种单管的放大器最高，并具有增益扩张特性。22DOHERTY高效率放大器221DOHERTY放大器介绍DOHERTY放大器最早是由贝尔实验室的WHDOHERTY于1936年提出来的，当时主要使用真空管，作为低效率的传统振幅调制提高效率的一种方法。DOHERTY放大器首次被商用是在1938年，在路易斯安娜州应用于一个50千瓦的发射机。根据当时的资料”，设计出来的发射机如下图所示AJ图22A科学家WHDOHERTYBFBL938年席用DOHERTY的50千瓦发射机经典的等分功率DOHERTY放大器电路原理图可以表示为图23；从图中可以看到，DOHERTY放大器般由主放大器CARRIERAMPLIFIER和辅助放大器RPEAKAMPLIFIER组成。主放大器和辅助放_人器之脚由段四分之波长线进行连接，为了保证两路信号的相位一致性，在辅助功率放大器之前也加入了一段四分之一波长线进行补偿。随着技术的发展，后来又出现了多级DOHERTY放大器和非对称DOHERTY放大器等研究方向，这将在本章的225小节中对其进行介绍，其提高效率的基奉原理与经典D0HERTY放大器相同。下面将对DOHERTY功率放大器进行详细分析。第二章DOHERVY功率放大器分析主放大器图23经典DOHCRTY放大器原理图在经典的DOHERT3,放大器中，主放大器工作于AB类或者B类工作状态；辅助功率放大器工作于C类状态，在小信号输入下，辅助功放并未导通工作。DOHERTY放大器的特性是由主、辅助功放共同决定的，会随它们状态的变化而变化。DOHERTY放大器的输入输出特性如下图所示P、吕兽_瓣奄羽辖输入功率DBM图24DOHERTY放大器的输入输出特性曲线因为辅助放大器PEAKAMPLIFIER工作于C类状态，C类放大器的输入输出特性为扩张特性，而主放大器工作于AB类状态，输入输出特性为压缩特性，所以只要通过适当设计，DOHERTY放大器的输入输出特性就可以呈现出较好的线性。当输入信号较小，即小于PON见图24中所示时，辅助放大器并未进入工作状态，可以视为开路【5】。继续增加输入信号的功率到PON点时，辅助放大器刚好进入工作状态，且主放大器此时也接近饱和状态。此条件只需要在设计中适当调9电子科技大学硕士学位论文节辅助功放进入工作状态的时刻即可实现。若再继续增加输入功率，则辅助功率放大器进入稳定的工作状态，整个DOHCRTY放大器进入高输出功率状态。DOHERTY放大器的高效率特性可以由“有源负载牵引“理论进行分析得到。222有源负载牵引理论有源负载牵引【61简单的说就是一个有源器件，参与组成了另一个系统的负载，改变源的状态就可以改变另一个系统的负载，换句话说就是该系统的负载会随着源的变化而变化。其基本原理可以由下图说明I2IL_I_LL_一流源GENL图25有源负载军引原理分析图如图25所示，当电流源GCN2的电流为零时，相当于开路，此时电流源GENL的负载值为R；当电流源GEN2的电流不为零时，即有电流12输出时，负载R上的电动势差为矿，。，R21由上式可以推得电流源GENL的负载为ZLI_II_2R221同理源GCN2的负载为Z，矿厶11I2R232从上面的推导中可以看到，电流源GEN2的输出电流改变了电流源GENL的负载阻抗，当丘与同相时，GENL的负载阻抗将会变大；同样的道理，电流源GEN2的负载阻抗也受到源GCNL的影响，随着源GENL的变化而变化，这种现象就是有源负载牵引作用。有源负载牵引的方法同样适用于放大器的设计，射频晶体管中的跨导可以作为图中的电流源【51。DOH,MY放大器正是一种应用了有源负载牵引理论的技术，主、10第二章DOHERTY功率放大器分析辅助放大器各自的负载受到对方的牵引作用，改变其中一个放大器的状态就可以改变另一个放大器的负载。图26运用有源负载牵引技术分析DOHERTY放大器的原理图当主放大器和辅助放大器都处于工作状态时，则可以用两个源来表示主、辅助放大器，如图26所示。根据前面有源负载牵引的分析推导，可以得到冠坠互盥24JI随着电流厶的逐渐变大，根据有源负载理论R，也会变大。再由于电压源输出端四分之一波长线的阻抗变化作用，导致如减小。这样，当主放大器接近饱和状态工作时，由于其负载如开始减小，输出功率继续增大，使之仍然能处于高效率的状态，从而整个DOHERTY放大器保持在了较高的效率水平。当辅助功率放大器进入饱和状态后，整个DOHCNTY放大器的效率就等同于了一个B类放大器【5】。随着输入功率的逐渐增大，主、辅助放大器各自的负载由于有源负载牵引的作用，都会发生变化，最终达到最佳值，此过程将在下面的223节中加以详细推导。223主、辅功放的负载阻抗变化规律1图27主、辅助功放负载阻抗分析原理图卜电子科技大学硕士学位论文在本小节中将对经典DOHCRTY放大器进行分析，找出主、辅助功放的负载变化规律。如图27所示，采用电流源厶和电流源昂表示主、辅功率放大器。DOHERTY放大器是基于有源负载牵引理论的技术，每一个放大器的负载值都会随着其它因素的变化而变化。首先，推导主放大器的负载表达式。当输入信号功率小于PON见图24时，辅助放大器未导通，主放大器的负载阻抗即为霉乙。当输入功率逐渐增大，超过PON后，辅助放大器开始工作，根据图27可以得到乏毒譬竽1乙25C同时根据L4波长线理论有Z；ZCZC，得到此时主功放的负载表达式ZC等厶C互垄261笔乙1笔乙。推导出主放大器的负载表达式后，接着再来推导辅助放大器的负载表达。对于辅助放大器，当输入信号功率小于PON时，输出电流为零，等效为负载阻抗无穷大；当输入信号功率继续增大，超过PON后，同主放大器负载的推导，得到7一生一垦生互PIPIP1Z_，KCZL27P综上，DOHERTY放大器中主、辅助功放的负载阻抗为ZC了L,T，0P只。J一尸、，R昂C4KD圪口圪一口巧D7”一“。上式中，分别为低功率输入、临界点、高功率输入时的效率表达式，其效率曲线如下图所示T785_、装、诗校鼙烬输入功率DBM一P图214非对称DOHERTY效率曲线图多级DOHERTY放大器含有多个辅助放大器，它们之间是通过四分之波长线来组合的。对于2级、3级、4级DOHERTY放大器，其高效率的回退范围分别为6DB、17电子科技大学硕士学位论文12DB、18DB。多级DOHCRTY放大器与两级DOHERTY放大器相比，其在功率回退时能够保持效率没有大的下降；与一般的AB类或B类放大器相比，其在整个输出功率范围内的平均效率较高，但其复杂性较高，实现难度较大。叫PL4波长变换线H，功叫14波长变换线“渗JR“瓢划燃波长变换线卜分2蝴锻徽L_一器卜辅助功放卜11143B张变换线卜PA785、装、，钟校晕烬A4级DPA输入功率DBM1一P”图215A多级DOHCRTY放大器B多级DOHERTY漏极效率曲线226DOHERTY放大器的线性度分析与优化负载DOHCRTY放大器的线性分析远远比单纯的AB类或B类放大器复杂，在低功率输入下，辅助放大器并未进入工作状态，此时DOHERTY放大器的线性度完全取决于主放大器，因此在设计过程中应使主放大器具有良好的线性。随着输入功率的增加，主放大器接近饱和状态，DOHCRTY放大器的线性度开始降低。在大功率输入条件下，即当辅助放大器开始工作后，DOHCRTY放大器的线性度同时取决于主、辅放大器。此时主放大器线性度较差，而且辅助放大器也在C类状态下工作，因此在这种情况下，DOHERTY放大器的线性度必然较低，在设计时应第二章DOHERTY功率放大器分析尽量注意对非线性分量的消除。鑫NCIASCL夕IC。硒K厂瞧图216在大信号下不同类型放大器的GM3从图216可以看到，偏置于C类放大器的舯3为正值【8】，偏置于AB类的放大器的GM3为负，说明DOHCRTY放大器中的主、辅助功放的非线性3阶分量特性相反。因此，可以通过对偏压适当的调节，使得在大功率输入条件下工作的两个功放所产生的3阶非线性分量的相位相反，即相位差为1800，则从理论上可以消除3阶非线性的影响，使得线性度得以一定程度的提高。除了上述的方法外，在当今的前沿技术中，对功率放大器线性化的研究已经取得了相当研究的水平。主要的线性化技术包括负反馈、前馈技术、预失真技术等，完全可以将DOHERTY放大器与之相结合，实现高效率的线性化放大器。在第五章中，将分析上述几种线性化技术的优缺点，结合DOHERTY放大器自身的特点，选取适合的线性化技术来完成优化，并通过仿真实现预失真技术对DOHERTY放大器线性度的提高。23其它高效率放大器技术23ILINC技术随着第四代移动通信、无线局域网系统等继续朝着大容量、高速率、宽带方向发展，对相应的宽带射频技术也有新的要求，必须考虑高速、宽带、高峰平功率比PAR和信号高质量等情况。对于射频收发前端来说，主要需要考虑的就是高线性和高效性。LINC技术在1935年最先被CHIREX提出，该技术又被称作线性化放大使用非线性元器件LINEARAMPLIFICATIONWITHNONLINEARCOMPONENTS，是当今围绕解决上述问题所展开的研究方向之一。但在当时的技术情况下，由于用模拟电路实现反余弦函数或其它三角函数是非常困难的，导致了LINC技术没有受到足够的重视。而在当今，随着数字信号处理技术的飞速发展，信号分离部分已经可以用软件来19电子科技大学硕士学位论文实现，因此LINC技术再次引起了人们的关注。LINC系统的示意图如下【11】信号图217LINC发射机基本框图目前，国际上很多的科研机构和个人都争相对LINC技术进行深入研究，积极构建LINC仿真、测试实验平台，推动了LINC技术的发展。贝尔实验室【12】是LINC技术研究的倡导者，其研究员COX于1974年提出了将LINC发射机发展为正交框架的思路加拿大蒙特利尔的AMMARISSAOUN等人从事LINC发射机高效率功率放大器的研究；摩托罗拉实验室的SCOTTAOLSON则长期从事于LINC技术中固有的相位和增益不平衡的研究【13】；在2004年的12月，第一块LINC发射机集成芯片TOPONE美国被研制出。在亚洲，日本与韩国等国家也积极投入对LINC发射机技术的研究与开发，日本的RIICHIRONAGAREDA等人员从事LINC系统中增益相位匹配及失真抑制方面的研究，并于2002年公布了一种新的纠正LINC发射机中误差的技术【141。从图217可以看出该技术主要包括【L习1信号分离技术SIGNALCOMPONENTSEPARATOR。LINC系统对输入信号的恒包络变换提出了较高的要求在大数据量处理的情况下，高效的实现对输入信号的分离算法。2高效率放大器。LINC系统具有高效率高线性度的特点，而高效性就必须依靠高效率放大器来实现，因为经过分离算法后得到的是恒包络信号，所以B类、F类放大器都可以发挥其特点。3相位和增益的不平衡校正。信号经过放大器放大后，在两个支路中会出现增益和相位不匹配的情况，这是LINC系统必须面对的问题。在当今的技术条件下，可以考虑将FPGA等数字信号处理技术与LINC技术结合，来实现对两路信号的增益、相位失配的补偿控制。4高效率的功率合成器。经过放大器放大后的信号，必须通过合成器来得第二章DOHCRTY功率放大器分析到最终的输出，所以合成器的效率也将影响整个系统的指标。因为即使放大器效率很高，但合成器效率低下，则整个LINC系统的效率都会受到影响。下面来对LINC技术进行推导。假设输入信号的复数表达形式如下STATE声O口O圪223信号分离既是将信号SF分解为两部分SLTSF一PFGM一俐S2TSFDF圪护M其中ETJST州归一S罔224225226由上面的公式可以看出，对信号进行信号分离，实质上就是【LL】将其幅度信息AO全部转化到相位信息。因此，信号分离的两个基本步骤为第一，提取原有载波的相位信息9F；第二，将幅度信息转化为相位信息，即提取9T。从上面的推导可以知道，原始信号的全部信息已经由信号分离技术转移到相位信息秒F和GT中，因此下面要研究的就是如何从原始信号中分离臼F和D。原始输入的信号是直角坐标表示的，如下所示STATEFXT宰少F227因此，要想提取原有载波的相位信息，就可以通过直角坐标系与极坐标系的转换，从而从输入的I、Q信号中提取出相位秒F。接着，再利用反三角公式就能够得到YF，如下所示YF撇OSL盟I228LJ如图218所示，为了完成调制，必须将分离后得到的两路信号STT和S2T进行如下的三角展开墨FVME，一矿HX1F歹木YLT是FVINE朋叫棚X2F木Y2T厂、X1W信号YLT输入信号ST分离算法RATSCSY2T图218调制示意图2IT229230电子科技大学硕士学位论文在得到PF和YF后，利用一副正余弦表就可以完全得到NF，YLT，XET，Y2T了，这种查表法在硬件中也可以比较容易的实现，如图219所示。输入交信。R、秒迈，R、7L正、J余YATEJ“一矽LL弦极坐标变换砌查。1日一石找。、L，一世表7一一XLTYJT_X2何Y2卜图219信号分离结构图其中姐F，YLT，X2T1，Y2T的表达式如下XLT圪EOSOT一杪F231YLT圪SINOTVT232X2T圪COS秒F少F233Y2T圪SINOT沙F234信号分离完后，经过调制就可以进行射频放大了。从上面的推导可以看出，原始信号通过信号分离后得到两个恒包络信号，利用这点，可以使用高效率的放大器对分离后的信号SLT和S2T进行放大。B类放大器、F类放大器等都可以发挥各自的特点，将LINC系统的效率指标加以提高。在具体设计中，应该充分考虑LINC系统的具体应用环境，根据实际情况进行选择。232包络跟踪技术包络跟踪技术ENVELOPETRACKING，ET的原理就是根据射频信号的包络，来改善直流供电电压以提高功放效率的技术。功率放大器的漏极效率【161可以由式235表示，漏极效率正比于基波电压幅度与漏极直流供电电压之比。兰照K77生业丘坚堕235LPDCIDCC2IDCC式中POU。表示放大器基频输出功率，POC表示直流供给功率，厶MAX表示输出基频电流幅度最大值，KMX表示输出基频电压幅度最大值，K表示直流供电电流，VCC是漏极供电。一旦功放的类型确定，即导通角确定后，M积DC就为固定值。例如A类放大器，导通角为360度，不论M戤怎么变化，其比值为L；对于B类放大器，导通角为180度，其比值为157；对于极限情况0度导通角的C类功放，其比值为2F171。第二章DOHERTY功率放大器分析图220所示为模拟信号控制的功放包络跟踪系统框图。包络检波器用于检测输入信号的包络；DCDC变换器可以对功率放大器的供电电压进行适时调整延迟线是必须要有的，作用是补偿由于包络反馈途径引起的包络和射频信号之间的相位不匹配。与EER技术不同的是，包络跟踪系统使用的是线性功率放大器。相比较而言，EER技术因为使用了更高效的非线性放大器而有更高的效率，但同时设备的复杂度也相应的大大提高了。输出图220ET系统框图线性射频功放的供电电压被包络放大器放大的包络信号调制，因此射频功放在所有的包络范围内都工作在接近饱和的区域从而改善了效率水平。因为漏极偏置电压的变化与输入信号的幅度成正比，所以ET功放系统的平均效率非常依赖于输入调制信号的峰均功率比和概率密度函数PROBABILITYDENSITYFUNCTION，PDF。因此根据最大PDF得到的漏极偏置电压可以使功放的效率得到优化，使ET功放工作在最大效率模式下。采用削峰来减小PAR使得功放的平均效率得以改善并且降低了包络放大器的动态范围。使用包络跟踪的功率放大器，其线性度比一般具有固定供电电压的功率放大器差，因此可以考虑使用预失真技术减小由此增加的非线性。但另一种方法是使用数字控制的功率放大器包络跟踪【L引，如图221所示。除了根据信号包络对DCDC变换器提供合适的控制电压以外，DSP系统也利用放大器幅度和相位特性，对I、Q信道计算预失真信号，从而使得功放系统的线性度得以大大改善。DAC包络放大器ADC下变频，、图221采用DSP产生包络跟踪信号的ET系统输出电子科技大学硕士学位论文根据DKIMBALL等人的研究结果表明使用飞利浦第五代LDMOS晶体管器件和ET技术的WCDMA基站功率放大器在WCDMA信号源的激励下，在输出功率为27W时可以达到404的平均效率及149DB的增益。在使用无记忆补偿的DPD数字预失真时EVM值为33，在使用有记忆补偿的DPD时EVM值降为1，从而达到了线性度和效率的改善【19】。233包络消除与恢复技术现代无线通信应用中，经过功率放大器的信号通常是非恒包络的。KAHN在1950年发明了包络消除和恢复技术【201ENVELOPEELIMINATIONANDRESTORATION，EER来改善发射机在整个动态范围内的效率水平。传统的模拟包络消除和恢复方案如图222所示图222传统KALM模拟包络分离和恢复方案KAHN的EER发射机在整个输出功率回退范围内具有高效率的特点，其平均效率要比一般的AB类放大器高35倍，在模拟的包络分离和恢复系统中，需要专门的器件来分离振幅包络和射频相位调制信号。一类功率放大器放大包络信号，而另一类功率放大器则负责射频相位调制信号，恒包络信息的高效率放大可以使用B类、E类、或F类等非线性功率放大器。功率放大器最后一级的振幅调制可以恢复相位调制信号的包络，恢复到与输入信号具有一样的幅度变化，同时为了减小相位和振幅的不匹配，必须采用延时线。在无线应用的发射机中，包络和相位调制信号使用数字信号处理DSP技术，很容易被分离出来，如图223所示。这样具有恒包络的相位调制信号就可以通过直接或二次变换的方法上变频到希望输出的射频频率上12。EER系统的一个主要优点就是可以使用非线性开关模式的功放从而达到高效的目的。开关类功放如E类放大器理论上可以达到100的效率。第二个优点是线第二章DOHERTY功率放大器分析性度不依赖于功放本身。相对于功放本身的非线性，系统的高线性是由对电源电压的精确调制来达到的，电源电压和功放输出信号的幅度间存在高度线性的关系。图223采用DSP技术的直接变换EER方案除了上述优点外，EER系统也存在自身的缺陷除了两个通道的时间同步之外，信号被分离成包络和相位部分时展宽了各自的频谱，给设计增加了难度。234E类放大器早在60年代就有人提出了开关功率放大器的概念，但是受当时电子器件开关特性的限制，所以尽管开关功率放大器具有效率高的优点，却并没有得到很大发展。自从80年代以来，随着电子技术的日新月异，出现了许多新型器件，电子器件的开关频率也得以大大提高，人们又开始对开关功率放大器投入极大的热情。E类功率四】放大器由单个功放管组成工作于开关状态的电路，当开关按激励信号的频率周期性地工作时，就把来自于电源的直流能量转换成为了交流能量，交流信号的基波频率等于开关频率。赵坚图224E类放大器的电压、电流波形图从图224可以知道，合理地设计负载网络的参数，可以使得电流I和电压V交替出现在晶体管上。即当开关闭合时，I流过功率管而V为零当开关断开时，I为零而V不为零。这样在任意时刻，电压电流的乘积均为零，开关器件的耗散功率为零，从而使功率放大器的效率达到100T221。考虑到开关损耗和负载网络的损耗，E类高频功率放大器的实际效率可以达到80到90左右。电子科技大学硕士学位论文实际的E类开关放大器存在不足之处非线性现象比较严重，输出端有明显的非线性失真，产生了不需要的频率分量。24DOHERTY放大器的优缺点根据我们对DOHERTY放大器的分析，对比其他的高效率放大技术，总结出以下的优点。高效性DOHERTY放大器是基于有源负载牵引技术的，使用一段四分之一波长阻抗变换线连接主放大器，在回退一定的范围内，效率性能能够保持在较高水平，不会出现快速的下降。易于结合线性化技术因为DOHERTY放大器的复杂程度低，与线性化技术相结合的可实现性高，例如与预失真技术、前馈技术的结合。实现方式简单DOHCRTY放大器基于有源负载牵引技术，并不涉及其他复杂的包络控制技术，比包络分离与恢复、包络跟踪技术更加简单。同时，DOHEFTY放大器也有其自身的缺点，例如带宽较窄、非线性等。带宽较窄是因为使用了四分之一波长线所致，但DOHERTY放大器的工作带宽在商用通信应用中基本满足要求，影响不大。另外一个缺点是非线性现象，这主要是由于辅助放大器在C类状态工作及在大功率输出时主放大器线性度较差的原因。解决这一问题的方法已经在226节中讲到，通过适当选择主、辅助放大器的偏置电压可以适当消除交调产物；同时，可以将常用的线性化技术如预失真技术与DOHE】RTY结合起来提升线性指标。第三章DOHERTY放大器的设计与仿真第三章DOHERTY放大器的设计与仿真在本章中，将详细介绍一个对称式的两级DOHERTY放大器的设计方法。该放大器要求在20W输出功率时，漏极效率大于30，并且在WCDMA下行信号条件下ACLR应该优于45DBE。31选取功率晶体管功放管的选取直接影响到放大设计的优良程度，当今主要有【23】硅SI功率晶体管、砷化镓GAAS功率晶体管、侧面扩散MOSLDMOS功率晶体管以及氮化镓GAN功率晶体管等几种类型。SI功率晶体管价格便宜，增益高，但线性度、噪声性能相对较差；GAAS功率晶体管技术成熟，具有噪声低、线性度好等优点，但价格高；GAN功率晶体管输出功率大，效率高，但技术有待进一步成熟，降低昂贵的价格。本设计将采用LDMOS功率晶体管，其因为增益高，拥有良好的线性度以及较低的生产成本被广泛应用于无线通信系统，特别是在射频应用中，它有着独特的优势1较高的效率，可降低功率消耗与冷却成本。2良好的线性度，可降低放大器自身的非线性影响。3超低热阻抗，可缩减放大器尺寸与冷却需求。4在GHZ频率下拥有高功率增益，使设计更加简单。在设计中，使用的仿真软件为安捷伦公司的电子设计自动化软件ADVANCEDDESIGNSYSTEM，其功能强大，包含有时域电路仿真、频域电路仿真、三维电磁仿真等，可以完成所有类型的射频电路开发。在本设计中，主要使用的是频域电路仿真中的S参数仿真针对小信号下无源匹配网络的设计、大信号S参数仿真和谐波平衡仿真针对在大信号下的设计，谐波平衡仿真是分析系统非线性时最常采用的一种分析方法，对放大器而言主要就是进行谐波失真、互调产物、输出功率、效率等的仿真；所采用的放大器是FREESCALE公司的MRF21030LDMOS功放管，其ADS模型为半经验功放模型，可以从公司主页下载。27电子科技大学硕士学位论文32DC及稳定性分析对于DOHERTY放大器，其主、辅功率放大器处于不同工作类型，所以首先必须了解其直流特性。在ADS中仿真其直流特性如下S蟹AB图31直流特性仿真A仿真原理图B仿真结果根据功率晶体管器件资料提供的静态工作电流值，确定放大器的栅极偏压应为38V，此时功放工作在AB类；当栅压小于3V时，漏极电流接近于0，此时放大器处于C类状态。然后根据KB法则【2卅来判断放大器工作的稳定性，如果KL且B0时则放大器能处于稳定状态，其定义如下后卜IS,。12一陔12I墨LX是一墨S。M2ISL2XS2。I31B1I墨。12一1是12一IS。S2一SSE。1232因为DOHERTY放大器中的辅助放大器处于C类工作状态，偏压较低，所以栅压的扫描范围为15V到4V，频带范围为21GHZ到22GHZ，仿真结果如图33所示1图32稳定性仿真原理图28堇三芏些塑堡盔璺堡堡堕塞STABILITYFACTORKSHOULDBE1TABILEYMEASUREBSHOULDBEO多I噔糊5一JM黼矗二二一L。一糊0NT，T一2102122142”2B2201DG图33稳定性仿真结果33输入输出匹配电路设计331使用负载牵引法，确定最佳负载阻抗微波功率放大器是个人无线通信、雷达、电子对抗中的关键器件，主要作用是将信号放大到一定的功率水平，和小信号放大不同，微波功率放大器一般工作在大信号状态下，表现出很强的非线性特点，传统的基于线性理论的小信号放大器设计己不适用于此种场合。负载牵引法口目是设计微波功率放大器的一种主流方法，该方法可以在没有大信号S参数的情况下，通过不断变化负载阻抗值，找到可以让有源器件输出功率最大的负载阻抗，找到让有源器件效率最高的负载阻抗。搭建实物的负载牵引系统很复杂，有很高的要求，并且造价昂贵。随着当代EDA技术的发展，可以利用有源器件的非线性模型，通过EDA软件进行负载牵引的仿真设计。负载牵引法的思路就是在SMITH圆圈上确定一个圆形的扫描区域，对该区域内均匀分布的负载点进行扫描，根据扫描后得到的数据如效率、输出功率等，兼顾不同指标的要求从几簇等高线的最大值附近选取一点，这点即为最佳负载点。同理改变源阻抗的值，通过测试功放性能的变化，米获得最佳源阻抗值的方法叫做源阻抗牵引。不同的放