[硕士论文精品]无线通信基站中的功率放大器研究

摘要摘要射频功率放大器POWERAMPLIFIER是无线通信基站发射机中的重要器件，处在发射机的末端，直接连接天线发射功率，而PA又是基站BASESTATION中非线性失真最高的器件，因此其线性度直接影响基站的发射性能和用户的通信质量。同时PA也是基站中消耗电能最高，产生热量最多的器件，其工作效率也会影响基站整体的功耗、稳定性以及温度。在无线频谱资源日益拥挤和全球倡导绿色通信的今天，PA的线性化技术和效率增强技术也已经成为无线基站的关键。但是目前在这两大类技术中，还有很多的实际问题需要解决。本文紧密围绕着功放系统电路的实际应用，就现有的三类功放电路中的线性度和效率问题，展开了相关的分析和探讨。论文首先对PA常用的分析方法，包括线性度和效率，进行了叙述和归纳。功率放大器在设计时区别于小信号放大器的关键是功率匹配，在此基础上，分析了满足PA最大输出能力时的最优匹配阻抗和晶体管电参数的关系。然后阐述了晶体管由非最优负载阻抗引出的牵引特性等高线，这也是功放在设计匹配方法时的重要工具。最后分析了功放的非线性失真分析时采用的数学模型。论文的第三、四、五章分别针对两大类“效率增强技术”中的三种功放模式，即LINCLLNEARNONLINEARCOMPONENTS、DOHERTY和ETENVELOPETRACKING，进行了分析和研究1、LINC功放属于第一类“效率增强技术”一负载调制类。LINC功放的效率关键是合路器的设计。在LINC的各种合路器中，CHIREIX合路器由于不存在隔离电阻，没有损耗，可以带来较高的效率，因此作为讨论和设计的对象。文中对CHIREIX合路器中的有源相位负载牵引进行了详细的分析，利用功放的负载牵引等高线分析得到了CHIREIX合路器的输入阻抗特性，并在此基础上提出了一种连接PA和CHIREIX合路器的匹配方法，可以达到输出功率和回退效率的最佳。实际的设计和测试结果也证明了该方法在改善效率方面的有效性，同时匹配的方法也较为简单。2、DOHERTY功放也属于第一类负载调制类，和LINC功放不同的是，DOHERTY的负载牵引属于功率类牵引。DOHERTY虽然是现在无线基站中的主流，但是实际的设计却存在较多的问题。本文针对一般的DOHERTY功放在设计时没有达到足够回退量的问题，分析了开启电压VKNC。的影响，并在分析的基础上，提出了一种改进的方法，通过提高主功放在功率临界点以前的阻抗，来达到足够的回退量，同时电路参数也做了相应的变化。仿真的结果显示新方法的简单和有效摘要性。3、ET功放属于第二类“效率增强技术”一电源调制类，和负载调制类技术不同的是，ET功放是通过改变小信号时的电压来实现效率的改善。ET特殊的时变漏压工作模式，造成了其线性度的恶化，并且使得传统的记忆多项式MEMORYPOLYNOMIAL模型的数字预失真DIGITALPREDISTORTION算法校正存在一定的困难。文中首先分析了时变漏压对PA工作时的电路参数产生的影响，尤其是处于功率管管脚根部的漏源寄生电容，随着漏极静态电压而变化，使得匹配发生改变。然后在此分析的基础上对传统的记忆多项式模型进行了相应的改进，加入了当前时刻和记忆时刻的交叉项。仿真结果显示，新模型在高功率、低功率以及多载波状态下都可以有效的改善DPD校正的效果。关键词功率放大器效率增强线性化技术LINCCHIREIXDOHERTY功放ET功放数字预失真NABSTRACTABSTRACTPOWERAMPLIFIERLSANIMPORTANTDEVICEINTHEWIRELESSCOMMUNICATIONBASESTATIONLOCATEDATTHEENDOFTHETRANSMITTER,ITCONNECTSTOTHEANTENNAANDTRANSMITSPOWERSIGNALPAPRODUCESMOSTOFTHENONLINEARDISTORTIONINTHEBASESTATION，SOTHELINEARITYOFPAWILLAFFECTTHEEMISSIONPERFORMANCEOFBASESTATIONANDCOMMUNICATINGQUALITYPAISALSOTHEDEVICETHATCONSUMEMOSTPOWERANDPRODUCEMOSTHEAT，ANDITSWORKINGEFFICIENCYWILLAFFECTTHEPOWERCONSUMPTION、STABILITYANDTEMPERATURESOTHELINEARIZATIONANDEFFICIENCYENHANCEMENTARETWOKEYTECHNIQUESINTHEBASESTATIONBUTTHEREAREMANYPROBLEMSINPRESENTDAYTECHNOLOGICALDEVELOPMENTSOFPABASEDONTHEPRACTICEAPPLICATIONSOFPASYSTEM，THISDISSERTATIONISFOCUSEDONTHELINEARITYANDEFFICIENCYOFTHREETYPESPAFIRSTOFA11，GENERALANALYSISMETHODSOFPA，INCLUDINGLINEARITYANDEFFICIENCY,AREPRESENTEDANDSUMMARIZEDTHERELATIONSHIPOFOPTIMALIMPEDANCEANDELECTRICALCHARACTERISTICSOFTRANSISTORSATMAXIMUMOUTPUTPOWER,ISANALYZEDBASEDONTHEPOWERMATCH，WHICHISTHEKEYDIFFERENCEBETWEENPAANDSMALLSIGNALAMPLIFIERTHENTHELOADPULLCONTOURSOBTAINEDFROMTHENONOPTIMALIMPEDANCE，ANDTHEMATHMODELFORNONLINEARITY,AREANALYZEDINTHISDISSERTATION，CHAPTERTHREE，FOURANDFIVEAREFOCUSEDONTHREETYPESPAINTWOCATEGORIESTECHNIQUESOFEFFICIENCYENHANCEMENT，WHICHISLINC，DOHERTYANDET,RESPECTIVELY1、LINCPABELONGSTOTHEFIRSTCATEGORYTHATISCALLEDLOADMODULATIONTHEKEYDESIGNOFLINCEFFICIENCYISITSCOMBINERAMONGVARIOUSKINDSOFCOMBINERFORLINC，CHIREIXCANBRINGHIGHEREFFICIENCYSINCETHEREISNOISOLATIONRESISTORANDTHERELATEDPOWERCONSUMPTION，SOITWILLBEDISCUSSEDANDDESIGNEDINTHISDISSERTATIONTHENTHEPHASELOADPULLINCHIREIXCOMBINERISANALYZEDINDETAILSTHEINPUTIMPEDANCEOFCHIREIXCOMBINERISOBTAINEDBASEDONTHELOADPULLCONTOURSBASEDONTHECHARACTERISTICOFIMPEDANCE，ANOVELIMPEDANCEMATCHMETHODBETWEENPAANDCOMBINERISPROPOSED，TOIMPROVETHESATURATEPOWERANDTHEEFFICIENCYINTHEBACKOFFREGIONOFOUTPUTPOWERTHEVALIDITYTOIMPROVEPERFORMANCEANDTHECONVENIENCETOCIRCUITTUNINGOFTHISMETHODAREPROVEDBYIMPLEMENTATIONANDMEASUREMENT2、DOHERTYPAALSOBELONGSTOTHECATEGORYOFLOADMODULATIONBEINGDIFFERENTFROMLINC，THELOADPULLTYPEINDOHERTYISPOWERPULLALTHOUGHDOHERTYISTHEIIIABSTRACTMAINSTREAMPAINMODEMWIRELESSBASESTATION，THEREAREMANYPROBLEMSTOBESOLVEDINTHISDISSERTATION，THETHRESHOLDVOLTAGEOFTRANSISTORDRAINTHATCAUSEDDOHERTYCANNOTACHIEVEIDEALPOWERBACKOFF,ISANALYZEDBASEDONTHIS，ANOVELIMPROVEMENTMETHODTOREACHTHEDESIREDPOWERBACKOFF,ISPRESENTEDBYINCREASINGTHEIMPEDANCESEENBYMAINPOWERAMPLIFIERINTHEPOWERBACKOFFREGIONTHEVALIDITYOFTHISMETHODTOIMPROVEOUTPUTPOWERBACKOFFANDEFFICIENCYISPROVEDBYSIMULATIONRESULTS3、ETPABELONGSTOTHESECONDCATEGORYTHATISCALLEDPOWERSUPPLYMODULATIONTHISKINDPACANIMPROVEEFFICIENCYBYMODIFYINGTHEDRAINSUPPLYACCORDINGTOTHEAMPLITUDEOFINPUTSIGNALTHELINEARITYOFETPAISDETERIORATEDBECAUSEOFTHEDYNAMICSUPPLY,SOTHEPERFORMANCEOFDPDLINEARIZATIONWITHTRADITIONALMEMORYPOLYNOMIALMODELOFPAHASSOMEDIFFICULTIESINTHISDISSERTATION，THEIMPACTTOTHECIRCUITPARAMETERCAUSEDBYTHETIMEVARIEDSUPPLYISDISCUSSEDESPECIALLYTHEDRAINSOURCEPARASITICALCAPACITORATTHEPINOFTRANSISTORISVARIEDWITHTHEPOWERSUPPLY,ANDTHEMATCHISALSOCHANGEDBASEDONTHEANALYSIS，THEIMPROVEMENTOFTRADITIONALMEMORYPOLYNOMIALMODELISPRESENTED，BYADDINGCROSSTERMOFCURRENTANDMEMORYSIGNALSTHEVALIDATIONOFTHISNEWMODELTOIMPROVEPERFORMANCEOFDPDINETPAISPROVEDBYSIMULATIONRESULTS，FORBOTHHIGHANDLOWPOWEROUTPUTWITHSINGLECARTIERANDMULTIPLECARRIERSKEYWORDSPOWERAMPLIFIER,EFFICIENCYENHANCEMENT，LINEARIZATION，LINC，CHIREIX，DOHERTYPA，ETPA，DIGITALPREDISTORTION图目录图目录图11功放系统技术发展框图2图12无线基站功放的发展趋势3图2。L共轭匹配与负载线匹配10图22相同晶体管在共轭匹配和功率匹配下的输出增益曲线11图23一般放大器电路示意图12图24一般场效应管的输出特性曲线族12图25A类放大器在低阻和高阻阻抗下的负载线分析。13图26以电抗和电阻串联形式为负载的放大器电路和等效电路图15图27低阻下的功率等高线族16图28A类放大器的“功率等高线”示意图17图29一般LOADPULL测试系统示意图18图29裸芯片和封装的阻抗变换关系A电路模型B等高线随着CDS的变化趋势。19图31LINC放大器系统原理框图22图32LINC分解解析式的几何表达关系23图33单载波和两载波WCDMA信号SI。和异相分量ET的频谱24图34两条支路存在一定失平衡下的输出频谱。24图35常见的两种合路器AWILKINSON合路器；B正交耦合合路器。25图36采用“隔离匹配”类合路器的LINC整体效率26图37有源负载牵引分析A等效电路B牵引出的电抗27图38负载牵引出的附加电抗分析A并联等效电路；B加入补偿电抗的等效电路。28图39CHIREIX合路器28图310采用微带线的CHIRIEX合路器29图31LCHIREIX合路的效率曲线31图312两种CHIREIX合路器的补偿微带线实现方式32图313串联微带线CHIREIX合路器等效电路分析33图314在不同的补偿角度下6两路功放看到的阻抗86万6B67“4；C6尼334图315功放和CHIREIX直联时的效率和平衡式AB类效率的对比35图316等高线分析参考面36图317单管功放的等高线和功放看到的阻抗的比较37图318加入调节微带线的LINC放大电路38图319扫描调节线角度T时，两个交点在BB面显示出的阻抗38图320选择合适的T后，功放的等高线和功放看到的阻抗的比较39VII图目录图321单管功放匹配到功率顶点之后的LINC阻抗比较40图322采用新匹配方法的LINC和平衡式AB类效率仿真结果对比40图323功放和CHIREIX合路器电路版图42图324LINC和平衡式AB类的效率测试结果对比42图41幅度有源负载牵引原理图46图42一般双路DOHERTY电路结构47图43在对称DOHERTY中，小信号时的负载线分析49图44负载分别为ROPT和2ROPT时的增益和效率对比49图45DOHERTY大信号阶段的等效电路分析50图46理想条件下，DOHERTY中主功放和辅功放的电流电压随着输入信号的变化趋势53图47主功放看到的阻抗Z1和辅功放看到的阻抗Z2变化趋势示意图53图48理想条件下DOHERTY和B类的连续波效率对比55图4。9理想DOHERTY和B类的连续波效率，以及输入信号为PAR10DB的WCDMA信号时的调制信号效率对比56图410导通角模式的直流、基波、二次和三次谐波的幅度，随着导通角度C【的变化61图4“具有相同功率等级的DOHERTY和平衡式的增益和效率对比62图412主功放和辅功放输出的基波电流和电压幅度，随着输入电压幅度的变化趋势63图413主功放和辅功放的负载阻抗随着输入电压信号幅度的变化63图414DOHERTY辅功放的栅压分别设定为13V、17V和21V时的效率和增益曲线64图415MRF7S21170的漏极输出特性曲线66图416VLCIL。对于负载线的影响66图417功率回退量随着归一化开启阻抗RX的变化关系68图418MRF7S21170在IBPT和2ROPT下的增益曲线69图419功率面积分析70图419在不同高阻下主功放的输出增益压缩曲线70图420新匹配方式的DOHE啊电路阻抗分析7L图422新方法和传统方法的效率和增益对比73图51一般EER电路框图76图52一般ET电路框图76图53ET的负载线分析78图54晶体管在漏极电压VDD扫描时的效率和增益曲线，其中箭头方向是VDD由5V增加到28V的方向80图55在最优效率下的效率、增益和VDD随着输出功率的变化，以及VDD随着输入信号电压的变化80II图目录图56图57图5图5图5图5O1图512图513图514图515图516图517图518图519图520图521图5。22VDD的最优选择和线性选择两种条件下的效率对比8L输出相同平均功率的ET和AB类功放，归一化增益、相移以及频谱对比，其中左列三张图是ET功放特性，右列三张图是AB类功放的特性83ET和AB类功放的邻道泄露比随着输出功率的变化趋势84一般数字预失真的原理框图85单载波输入时，AB类功放的统计特性A增益；B丰FL移。88单载波输入时，建模误差的变化曲线A记忆深度为1时，建模误差随着非线性阶数的变化；B非线性阶数为5时，建模误差随着记忆深度的变化。89四载波输入时，AB类功放的统计特性A增益；B才FL移。90四载波输入时，建模误差的变化曲线A记忆深度为3时，建模误差随着非线性阶数的变化；B非线性阶数为6时，建模误差随着记忆深度的变化90传统记忆多项式建模下的数字预失真和直通下的增益和相移统计特性92传统记忆多项式模型下，DPD校正前后功放的ACPR和NMSE性能随着输出功率的变化93漏源电容CDS随着漏极电压的变化趋势94动态漏压引起的额外漏源电容E。95传统记忆多项式模型和新模型下的数字预失真校正效果对比97ET在低功率左图和高功率右图时的增益校正效果98某个时间区间里的输入信号和预失真后的信号对比98DPD对于平均效率的影响99双载波信号下，新模型的数字预失真校正效果100IX中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用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研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文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也遵守此规定。劢纱年多月乙日作者签名第1章绪论11引言第1章绪论现代无线通信正处于飞速发展的时代，有限的频谱资源上需要承载越来越高的数据流量。在2G时代，如GSM只有10KBPS的传输速率，到3G时代，如WCDMA拥有384KBPS的传输速率，以至未来的4G时代中，LTE将要达到100MBPS的传输速率。在这种数据量指数增长的需求下，无线基站的设计和工作承受着巨大的压力。2009年底世界首个4G网络在瑞典和挪威的正式运行，标志着全球的无线通信即将进入一次革命化的进程。在国内，三大通信运营商在进行了重组之后，为了发展自己3G的服务，需要对现有2G基站进行技术改进和更新换代。因此现在无线基站正处于一个发展较为迫切的阶段。无线基站作为无线通信系统中的发射端，需要更高效更有效的发射信号，而作为发射机末端的功率放大器，位于无线网络金字塔的底层，数量最多、成本最高、能耗也最大。其性能的好坏直接影响基站的工作状态，主要表现在功率、效率和线性方面【2巧J。在功率方面，功放是基站放大发射信号的主要部件，其输出功率会影响信号的发射距离，同时功放在无线网络静态能耗中占据了大权重，功放还是无线网络动态能耗最主要的部分，射频功放、电源等硬件，是能耗的具体载体。同时网络规划、信道功率资源调度算法等软特性，直接影响发射功率的大小。功放能耗的这个特征，是无线网络区别于有线网络能耗的主要差异部分。同时高功率的要求也是功率放大器设计的基本要求和出发点I2刁儿6I。在效率方面，作为基站中消耗功率最大的模块【2】，功放的效率提高也是基站中的关键技术，不仅可以使基站在更低的能耗下工作，同时也可以降低基站的运行成本，并提高基站工作的稳定性。效率的提升不仅有利于基站的工作，同时也是全球环保的要求。在刚刚结束的“哥本哈根全球气候大会”中，中国政府已经向世界承诺到2020年，中国的单位国内生产总值二氧化碳排放量比2005年下降40到45，为了达到这个要求，国内的三大电信运营商相继给出了相应的承诺中国移动承诺到2012年底，相比2008年单位业务量耗电下降20；中国电信承诺在“十一五”期间，单位业务收入能耗降低16；中国联通同时承诺在2010年底，能耗降低20。这些都对基站中功放的效率提出了要求和期望，因此如何提高功放的效率也成为了一门专门的学科方向。在线性方面，由于功放处于发射端的末级，它是基站发射信号失真的主要来源。在大功率功放下，功放通常具有非常强烈的非线性效应和记忆效应，因此会第1章绪论影响发射信号的质量。这些影响包括两个方面，即带内和带外。带内的失真影响通信质量，带外的失真会影响邻道。由于无线通信频谱资源的日益拥挤，需要在一定的带宽内无失真地实现更多的业务量，而功放本身的失真又不可避免，因此就产生了又一类学科方向，即功放线性化技术，以此来保证基站的线性度。从以上的叙述中可以看出，功放的技术发展就是在一定的功率等级上，实现更高的效率和更高的线性度。因此，本文的主要内容也是在这个范围内，针对无线基站中的几种常见功放类型，即LINC，DOHERTY和ET，分别进行分析和研究。12功率放大器的技术发展功率放大器从最早只具有放大功能的简单AB类电路，到现在的大规模应用和产业化，已经包含了电路、算法和结构等多方面的系统化技术，研究领域也越来越开阔，研究课题也越来越广泛。关于功率放大器以及周边的技术可以由图11所示DOHERTY优化功率器件选择高效率功放卜，F峰平比抑制图11功放系统技术发展框图限幅法压缩扩展法图11中所示的功放系统可以分为两大类，第一类是功放系统电路，主要研究电路级的应用，包括了高效功放、功放结构以及大规模生产技术；第二类是信号处理部分，主要配合功放系统，研究功放输入输出信号的特征，包括了数字预失真记。ILDPDDIGITALPREDISTORTION平LL峰均比抑制CFRCRESTFACTORREDUCE。2|一一一一一一差一第1章绪论这两大类技术中，核心部分是功放系统电路，信号处理部分可以对功放的性能进行改进。本论文的主要研究对象是功放系统电路，其发展流程可以由图12所示。而功放电路中最为核心的部分是具有放大功能的晶体管，其也是功放设计和发展的基础；其次是单管电路的发展，主要包括传统导通角模式AB类和开关类等最后是功放系统的发展，主要包括功率合成、效率增强和线性化技术。图12无线基站功放的发展趋势121功率晶体管工艺的发展从最初第二代通信时代的GSM900MHZ蜂窝电话技术开始，无线通信基站功率放大器所用的晶体管类型一直被LDMOSLATERALLYDIFFUSEDMETALOXIDESEMICONDUCTORL型所主导。相对于更早的双极型晶体管，LDMOS在很多方面存在着优势，如可以经受住3倍的驻波比，能在较高的反射功率下正常工作，同时它也更能承受输入信号的过激励，以及更适合发射数字信号，这些都是归因于它可以承受相当高的瞬时峰值功率，而且LDMOS增益曲线一般也较为平滑并且允许多载波数字信号放大且失真相对较小。LDMOS型的功率管有一个较低的互调饱和区，而且走势也比较平坦，而双极型晶体管互调较高，并且随着功率电平的增加而变化较为剧烈。互调好的特性可以使LDMOS晶体管的工作功率高于双极型晶体管二倍之多，并保持较好的线性，这种特性使得LDMOS型功率管频率范围宽，线性度高，使用寿命也较长，因此特别适和CDMA、WCDMA、TETRA、以及数字地面电视等的应用。当然它也存在着一些缺点，如功率密度低和容易受第1章绪论到静电的破坏等等。随着半导体技术的发展，第三代材料有望能够突破输出功率和耐压的限制，其中研究和进展最多的是GAN材料，这是一种高电子迁移率晶体管HEMTHIGHELECTRONMOBILITYTRANSISTOR，已经成为第三代半导体技术领域发展和竞争的焦点，其主要优势是【LI】1、较高的二维电子气2DEG密度。由于GAN加强了对2DEG二维限制，使得电子迁移率也得到很大的提高，这样可以使得晶体管具有高跨导、高饱和电流和高截止频率的优势2、较高的温度。由于GAN的禁带宽度为34EV，达到了硅材料的3倍之多，因此可以在相当宽的温度范围内，都可以很精确的控制自由载流子的浓度，很适合高温的工作，同时高的热导率也可以有效的改善器件的散热特性，提高功放工作的可靠性；3、较高的功率特性。GAN材料的击穿电场通常可以达到4MVCM，这样可以使得晶体管工作在相当高的偏压下，同时输出的功率密度可以达到10WRAM2，可以有效的减小器件尺寸。如现在的常见的大功率LDMOS型功率管通常的工作漏压都在28V左右，而现有的GAN功率管通常都可以工作在50V左右。同时，GAN还有漏源寄生电容较低等优点。但是目前GAN的发展还处于起步阶段，价格昂贵，而且性能提升尚不明显，还没有进入商业应用领域。122单管功放电路的发展单管电路的发展以传统的AB类降低导通角模式为基础，发展出了很多种开关电路，如D12131、E14181、F19221和逆F类23261，以及最近提出的J类271等等。这些电路的主要目的都是达到较高的饱和效率。而实际上，单管开关电路是不适合用于基站功放的。原因主要有以下2个方面1、较窄的带宽。无线信号通常具有一定的带宽，而且随着通信业务量的增加，所需要的带宽也在增加，因此如F类需要对谐波进行控制的电路，当频率偏离中心频率时，效率会降低。2、功率回退时的效率仍然较低。现代无线信号为了充分利用频谱资源，通常都是需要进行幅度调制，因此信号通常具有一定的峰均比PARPEAKTOAVERAGERATIO，尤其对于越来越多的多载波信号，峰均比会更高。在放大这样的信号时，为了保证信号的峰值不会被过分压缩并保证一定的线性度，功率放大器的平均输出功率通常处于较多的回退状态下，这时候功放输出的平均效率相对于饱和峰值效率要更重要一些。单管开关类功放虽然具有较高的峰值效率，但是在小功率的时候的效率仍然较低，提升并不明显。4第1章绪论虽然单管电路的单独应用具有一定的局限性，而在实际的基站中，如果将其用于功放系统结构中，可以利用开关类功放较高的饱和效率来实现功放系统电路整体更高的回退效率。如有用开关类作为DOHEW主功放的设计【192831】，也有用开关类作为ET功放的设计【321。123功放系统电路的发展在实际的基站中，用的最多的还是功放系统电路。所谓功放系统电路，就是利用两个或者更多的晶体管来实现功率放大功能，同时可以实现一些关键性能的提高，如效率增强类技术【3卅，主要可以分为两大类L、负载牵引类。负载牵引类主要有LINC和DOHEW，这也是本论文其中两个研究内容，他们都是通过改变负载阻抗的方式来增强效率。LINC中最关键的两个问题是效率提升陋391和支路平衡【404卯。在效率提升方面，QURESHI461等人通过独立控制两条放大支路的调制器，在大回退功率时，将两路功放的异相角度保持恒定，使得LINC在低功率时工作在B类，以此来改善小功率时的效率，并通过调节设计参数来优化增益、效率和线性化。还有在传统的L玳C基础上提出了多层LINCMMLINC的概念并加以实现【35471，通过设定功率从高到底时的最大信号点，来分级进行异相处理，可以有效的改善小信号的效率。在改善效率方面最多的还是利用CHIREIX合路器的形式148。53J，方法简单，也不需要添加额外的器件和电路。DOHEN，功放从上个世纪末到现在一直是功放领域的研究热点，由于其设计简单，效率改善明显，已经成为了无线基站中应用最为广泛的一种功放形式体61】。但是传统的DOHE啊功放形式仍然存在很多可以改进的空间，有将多个DOHEN，并联形成N路分布式功放的形式【6玉邱J，可以改善高增益和高效率，同时带宽也有所增加有将DOHEW的峰值功放采用包络跟踪的形式，以随着输入信号的变化，动态改变峰值功放开启的形式来改善整体效率；也有将开关类类功放和ET功放作为主功放来提升DOHEW效率的形式【1928。31】。在提升回退功率方面，为了满足现代通信信号越来越高的峰均比，在传统对称DOHEW的基础上，又衍生出了非对称DOHENV【钵65】以及三路和多路DOHEW形式【66。681，这几种电路形式，都可以增加回退功率，在输出功率回退更多的时候提升效率。2、电源牵引类。电源牵引类的功放主要是EER和ET，其中ET也是本文其中一个研究对象。EER和ET的工作形式类似，都是通过跟随输入信号动态的改变漏极供电，来使得功放在每个输入功率点上都能达到饱和，实现大功率范围的高效。由于EER的诸多问题U869。，如相位对准困难、小功率效率低下、调相信号带宽过宽等，又衍生出了HYBRIDEER类型【7卜陀】。HEER的工作机制非常接近ET，因此本文也主要以ET作为研究对象，近期ET成为功放领域的个研究第1章绪论热点，是最有希望取代DOHERTY，成为下一代主流的功放模式【731。在ET功放中，研究的热点问题是时变漏压【32,7374鬟J产生和线性化【54,7576，而实际上这两个问题是需要同时解决的，因为宽带调制信号的幅度带宽通常是较宽的，一般的电源模块很难进行宽带的放大，针对这个问题，JINSEONG77等人提出了对包络信号降低带宽再进行自适应数字预失真的办法，信号首先经过低通滤波器，降低带宽，然后再利用数字预失真的办法进行校正，得到了较好的效果。在线性化方面，ANDINGZHU78】等人根据动态漏压的变化范围过大，提出了一种幅度分阶预失真的办法，对于信号不同幅度等级的区域分别进行预失真，这样可以更精确的模拟ET的大幅度范围变化，可以比传统的方法得到更好的效果。124线性化技术的发展随着无线通信的信号带宽越来越宽，基站发射功率越来越高，传统的功率回退方法不仅效率非常低下，而且已经不能满足线性度的要求。而线性化技术不仅可以改善功放的线性度，改善基站发射信号的质量，同时也能使得功放工作在更高的功率等级上，这也就意味着间接提高了功放的效率，可谓是双重改善，因此线性化技术也成为近期功放系统发展的热门课题。功放的线性化方法分为两大类，电路类和信号处理类，传统的电路类主要有功率回退法，前馈法、负反馈法以及电路预失真法2356】。这些方法在早期的电路中都有广泛的应用。而后来随着数字信号处理技术的发展，将预失真方法从电路域转换到信号域，也就形成数字预失真技术。数字预失真是目前无线通信基站中广泛采用的一种线性化的技术，也是本论文的一项研究内容。DPD技术通常只在在数字域内完成信号预失真处理的技术，既可以应用在数字通信的基带部分，也可以应用在射频部分。在DPD技术中，有通用的方法，即可以满足多种功放的线性化要求7985】；也有专属类，即满足某一特定功放模式的线性化要求4771，78，婚9，总体来说，实现方式一般有两种1、基于射频功放的非线性参数模型【78841。对于功放的建模，有很多方式，如VOLTERRA、记忆多项式以及级数模型等。其中VOLTERRA模型可以完整的表达功放的模型，但是建模较为复杂，也很难求得反函数，记忆多项式模式是非线性和记忆模型的通用模型，因此成为了研究的热点。2、基于查找表方式9293】。这是NAGATA在1989年提出的映射预失真技术【94】，通过采用两张二维预失真表，通过以输出信号查表得方式来实现预失真功能。除了这两种预失真的实现方式以外，最近还有采用神经网络NNSNEURALNE咐ORKS模拟功放行为95母71，如RAWATM等人采用了延迟神经网络对功放进行建模98】，通过对AB类和DOHERTY的测试，达到了很好的效果，同时这也是第一6第1章绪论次采用自适应神经网络的预失真方法。总之，PA线性化技术己成为下一代无线通讯基站发展的关键技术之一。不仅可以提高未来无线通信系统的性能，同时也可以提高功率效率，节约能源，实现绿色通信，具有非常重大的意义。因此近年来各大通信设备供应商以及各种研究单位都已经积极投入研究，并且技术也更加多样化，针对的功放也更多元化。第2章射频功放电路设计方法研究第2章射频功放电路设计方法研究21引言射频放大器主要分为两类，即小信号放大器和大信号放大器【2。】。虽然它们的用途都是用于放大信号，但是由于工作环境和状态的不一样，使得理论分析、关注指标和设计方法都有比较大的差异。小信号放大器，顾名思义，就是用于放大极其微弱的信号，通常工作在接收机的前端，其工作功率通常是微不足道的，较为关注的指标包括增益、驻波、信噪比以及稳定性系数。而大信号放大器，即功率放大器，通常工作在发射机的末端，用于提供较大的功率输出，在大功率工作状态下，较为关注的指标包括输出功率、效率以及线性度。本论文主要讨论的是基站中的功放系统，系统的设计也是建立在单管功放的基础上，因此在本章中，主要讨论和分析单管功放的设计方法和理论。在22节中阐述功放独有的“功率匹配”的概念，这也是功率放大器区别于小信号的匹配方式，在23节中介绍放大器的“负载线理论”，以及晶体管的“负载牵引”特性。最后在25节对本章的工作进行总结。22功率匹配如前所述，放大器的工作环境和状态决定了其设计方法的差异性。对于小信号放大器，为了更有效的放大较为微弱信号，获取较高的增益，通常采用的是共轭匹配的方式CONJUGATEMATCH，即放大器的负载阻抗值和晶体管的输出阻抗值成共轭关系。但是在用于方法大功率信号的功率放大器中，共轭匹配方式不再适合，需要采用功率匹配POWERMATCH。如图21所示，将晶体管等效成电流源IGEN，具有输出阻抗RCEN，这里简化分析，设为实数，也就是输出阻抗为纯组状态。那么根据共轭匹配的要求，当输出匹配负载RLOAD等于IKEN的时候，晶体管可以产生最大的增益。上述的分析都是在理想情况下，晶体管的物理电参数限制并没有考虑在内。实际上每个晶体管在输出信号时，都存在最大电压VM积和最大电流IM。在大信号功率放大器系统中，功放晶体管的功率等级是昂贵的资源，为了不造成浪费，负载阻抗的选择不能根据最大增益，而要根据最大输出功率的要求。如果采用共轭匹配，输出形式如图21中RGENRLOAD的负载线，当电压己经达到饱和VM。X时，电流并没有达到最大值IM戤，因此在共轭匹配的条件下，晶体管的最大输出能力降低。为了更有效的利用最大电流和最大电压，需要降低匹配电路的负载阻第2章射频功放电路设计方法研究抗值，这样可以根据晶体管电参数V呦X和IM瓠，在功率匹配方式下负载RLOAD的最优值IBPT【35】埤譬2IRGENROPTL徽、IIGENRLOADVM4X图21共轭匹配与负载线匹配以上简单分析了共轭匹配和功率匹配在实际设计中的区别。简单的来说，共轭匹配只适用于器件没有极限电流电压性能限制的情况，或者说对输出功率没有限制的环境中，而功率匹配适用于大功率下电流电压输出存在较多限制的情况。为了观察晶体管在两种匹配方式下的表现差异，下面对某一款功率管分别进行共轭匹配和功率匹配两种方式的仿真验证，AMAM特性结果如图2。2所示。图中横轴表示输出功率，纵轴表示增益，蓝色曲线代表的是在共轭匹配方式下的增益曲线，红色曲线代表的是在功率匹配方式下的增益曲线。通过比较可以发现，功率匹配的方式在相同的输出功率等级下，虽然增益较低，但是具有较高的饱和输出能力，即PIDBPIDB是放大器一分贝压缩点功率，表征放大器的输出功率的能力。实际上，非最优阻抗也存在一定的应用环境，虽然在非最优阻抗下不能够达到晶体管的某些特性，但是可以利用这种输出功率随着阻抗变化的特性来实现一定的功能，如第四章中的DOHERTY功放就是利用了晶体管在非最优阻抗下可以实现饱和功率回退的现象来实现回退效率提升。从图21和图22中，我们也看出了晶体管存在着这样一种特性，就是饱和输出功率会随着阻抗的变化而变化，这种现象被称为负载牵引特。T牛LOADPULL，就是晶体管的输出特性被负载阻抗所“牵引“着变化。下面就来分析晶体管的这种特性。10第2章射频功放电路设计方法研究刁C门。图22相同晶体管在共轭匹配和功率匹配下的输出增益曲线23负载线理论和负载牵引特性在上一节中，定性地分析了功率放大器设计时的基础出发点，即功率匹配，也可以发现功放的输出性能随着负载阻抗有着一定的变化关系，在这个基础上，本节再通过定量地分析功率放大器负载线理论，导出放大器的负载牵引特性，这也是放大器设计的一个重要的工具。利用场效应管FETFIELDEFFECTTRANSISTOR建立的放大器电路模型如图23所示。场效应管是一个强烈的非线性器件，在一般情况下可以等效成一个“压控电流源”，这种等效的方式是由FET的输入输出特性决定的。图24所示的是FET的输出特性曲线族，实际的FET在漏极具有一定的开启电压VKNE。，这里先忽略其影响，即假设VKNEE亏年50Q900万一卜354Q9050QTO一L年50Q900占H卜_B，A图318加入调节微带线的LINC放大电路图319扫描调节线角度T时，两个交点在BB面显示出的阻抗50Q第3章LINC功放匹配方法研究在图320中，代表回退功率的阻抗点ZM2BB仍然离效率顶点较远，效率并没有得到最大的改进，因此这里需要进一步的优化。通过上面的分析，我们知道ZMLBB代表的是饱和输出功率点的阻抗，对于用来放大具有一定峰均比信号的功放来说，功率回退时的效率通常要比功率饱和时的效率重要，而饱和点所关注的通常只是饱和功率的大小。在图320中，ZNL2BB离效率顶点较远的一个原因，就是ZML的位置，由于两路功放在设计匹配电路时，需要综合考虑了输出功率和输出效率两个指标，因此就必须把匹配电路匹配到效率等高线顶点和功率等高线顶点中间的位置【4巧】。那么如果能改变单管功放的匹配电路，使得匹配到最大输出功率，而忽略效率，也就是可以将图320中的ZMLBB移动到功率等高线的顶点，也就是图中两条阻抗相交线整体往左上移动，这样，ZIIL2BB就会更加靠近效率顶点，如图32L所示。可以发现，当单管功放匹配到了功率顶点，即ZMBB移动到功率等高线的顶点时，ZM2BB离效率顶点也更近了。图320选择合适的T后，功放的等高线和功放看到的阻抗的比较第3章LINC功放匹配方法研究图32L单管功放匹配到功率顶点之后的LINC阻抗比较输出功率DBM】图322采用新匹配方法的LINC和平衡式AB类效率仿真结果对比40第3章LINC功放匹配方法研究以上述的方法为指导，加入调节微带线和改变单管功放的匹配，再仿真连续波的效率，和平衡式AB类对比，可以得到如图322所示的结果。和图315所示的结果相比，LINC在功率回退的时候，效率得到了较大的提升。344测试结果和分析以上述的分析和仿真为基础，为了验证新方法的有效性，这里设计并加工了一套LINC的功放模块，如图323所示。其中功率管模型采用EUDYNA公司的EGN21090型号，功率频率在21GHZ，饱和输出功率为90W。基板采用ROGERS4350材料，介电常数为348，厚度为30MIL。在测试过程中，为了更精确的设定两个功放输入信号的相位差，这里使用一种特殊的信号源，可以产生两路射频输入信号，而且输入信号的功率和相对相位差是可以人工调节的，然后扫描这个相位差，就相当于扫描输入信号的功率等级，通过这样的方法来实现功率扫描。测试的频率基于功率管的工作频率，选择WCDMA频段的3个频点，即211GHZ、214GHZ和217GHZ。这三个频点的效率测试结果如图324所示，测试结果和图322的仿真结果比较接近，证明了这种方法的有效性。观察图324所示的效率曲线，当输出功率从饱和状态回退过渡时，经历了2个过程，首先是效率有略微的上升，然后再开始下降。这种现象可以结合图321中的负载牵引图来分析。首先图321中的ZMLBB，是功率饱和点，Z1112黜B是功率回退点，当输入信号从饱和开始回退时，两路功放的负载阻抗都会经过效率等高线的顶点位置，而这附近是效率较高的，因此也就形成了图324中的效率顶点处于一定的功率回退位置上。然后随着输入信号更多的回退，功放看到的阻抗离效率顶点越来越远，因此效率再持续下降。345新匹配方法的优势一易实现性对于功放工程师来说，在功放的设计和制作中，较难的一步是调试的过程。在调试匹配电路的时候，通常要兼顾很多指标和因素，最重要的是效率和功率。在一般的AB类功放中，既要达到最大的功率输出，又要达到较高的效率，就要把功放的匹配阻抗匹配到功率和效率等高线顶点的中央位置，如图319中的ZMLBB位置，这个过程是比较难以控制的，因为对于大功率器件来说，随着功率等级的上升，功放的最优阻抗ROPT会越来越小，只有几个欧姆的量级，匹配略微的变化也会使得匹配阻抗发生较大的飘移。在本节提出的新方法中，在这个问题上实现了一定的简化，也就是功率匹配4L第3章LINC功放匹配方法研究图323功放和CHIREIX合路器电路版图输出功率D8M】图324LINC和平衡式AB类的效率测试结果对比第3章LINC功放匹配方法研究和效率匹配的分离，作为两个步骤调节，而不需同时满足最优，这两个步骤为1、调节每个功放的匹配电路，使得功放输出最大功率，无需兼顾效率。也就是将单管功放的匹配电路匹配到功率的顶点位置，如图321中的ZMLBB位置；2、调节附加的调节微带线，使得LINC在输出功率回退的时候，达到最优的效率，而这一步就是将回退功率的阻抗匹配到图321中的ZM2BB位置。从以上的过程描述可以看出在调试的过程中，不用兼顾效率和功率，这样的分离过程可以使得调试更容易理解，也更简单。35总结本章对“负载调制”类效率增强技术中的第一种功放LINC功放提升效率的方法进行了研究，在分析了CHIREIX合路器的阻抗特性的基础上，提出了一种改善LINC回退效率的方法，本章的工作可以总结为1、分析并建立了LINC中功放和CHIREIX合路器联合时的阻抗模型，通过分析其等效电路，得到了在合路时的相位负载牵引特性；2、提出了改善LINC回退效率的匹配方法。通过对相位负载牵引特性的分析，得到了当两路功放在扫描初始相位差时，看到的阻抗特性，即存在两个交点，一个是同向合成点，是由50欧姆通过匹配电路变换得到，代表着功放饱和时的负载阻抗，一个是异相合成点，代表着功放回退时的负载阻抗。通过引入一段50欧姆的微带调节线，既可以不影响饱和功率的匹配过程，也可以通过调节这段微带线来将第二个交点移动到离效率顶点较近的位置，来改善回退效率。3、验证了新方法的有效性和简易性。根据理论分析和仿真模型，制作并测试了新方法电路，测试结果证明了新方法的有效性，同时调试过程也得到一定的优化，和传统的调试方法，降低了一定的调试的复杂度。43第4章DOHERTY功放回退功率优化的匹配方法第4章DOHERTY功放效率优化的匹配方法41引言和第三章中的LINC功放一样，DOHERTY功放也是最早在1930S1031被提出来，由贝尔实验室的WHDOHERTY提出来并以他的名字命名，电路最初应用于真空管中，可以提高传统振幅调制的效率。之后一直到上个世纪末，DOHERTY技术都没有引起关注，直到近些年将其引入微波领域之后，其简单的电路模式，明显的效率提升，都体现出了较高的潜力，因