[硕士论文精品]射频功率放大器线性化技术研究

摘要摘要随着无线通信技术的飞速发展，出于对更高频谱利用率和更高功率效率的追求，线性调制技术和高效率的射频功率放大器得到了广泛应用。但包络变化的调制信号经过非线性射频功率放大器后会产生互调失真，造成严重的码问干扰及邻近信道干扰。为保证通信质量需要使用高线性的功率放大器，而高效率的功率放大器通常是非线性的。要解决这个问题，必须采用线性化技术来改善高效率功率放大器的非线性特性。本文首先从理论上分析了功率放大器的非线性特性，介绍了目前各种线性化技术的原理和优缺点。然后针对射频预失真和前馈这两种最有发展潜力和实用价值的线性化技术进行了详细的理论分析和计算机仿真。最后，实际加工制作了两种射频RF预失真线性功率放大器电路，实物测试结论与理论分析相一致，可广泛应用于卫星通信、移动通信等设备中，具有较高经济效益和实用价值。本文主要的创造性成果有1、提出RF正交幂级数预失真线性功率放大器方案，可同时改善放大器幅度、相位失真。2、使用查表法和邻道功率最小法建立了两种自适应预失真线性功率放大器，仿真结果表明，采用自适应技术可以提高预失真线性功率放大器功率动态范围3、利用场效应管的栅压可控变阻特性建立了一种新颖的串联FET预失真线性功率放大器，不用增加额外的器件，在线性化的同时还可提供一定增益，克服了常用模拟预失真器插入损耗大的缺点。4、针对以往相关研究中辅助放大器非线性特性对整个前馈系统性能影响分析不全面的问题，在环路失配情况下，全面分析了前馈系统辅助功率放大器非线性对整个前馈系统性能的影响，得出系统性能与电路参数和幅度、相位失配的关系式。5、提出了降低前馈系统辅助功率放大器功率容量的判断条件。在考虑辅助功率放大器非线性对整个前馈系统性能影响的前提下，对于给定的主功率放大器，可以根据系统要求选择功率容量最低的辅助放大器，提高了整个前馈系统的电源效率，降低了成本。6、制作了查表白适应预失真线性功率放大器电路，性能优良，具有很高的实用价值和良好的经济效益。7、制作了串联FET预失真线性功率放大器电路，测试结果与理论分析相一致，可广泛应用于卫星通信、移动通信系统中。2射频功率放火器线性化技术研究关键词射频功率放大器线性化预失真前馈ABSTRACTABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFWIRELESSCOMMUNICATION，INORDERTOMAKEMOREEFFICIENTUSEOFFREQUENCYSPECTRUMANDACHIEVEGREATERPOWEREFFICIENCY，THELINEARMODULATIONMETHODSANDHIGHEFFICIENCYRADIOFREQUENCYPOWERAMPLIFIERSAREWIDELYUSEDSINCETHEENVELOPEOFMODULATEDSIGNALFLUCTUATES，UNWANTEDINTERMODULATIONDISTORTIONSGENERATEDWHENTHESIGNALISAMPLIFIEDBYTHENONLINEARRFPOWERAMPLIFIERSTHEINTERMODULATIONDISTORTIONSWILLLEADTOSEVERELYINTERSYMBOLINTERFERENCEANDADJACENTCHANNELINTERFERENCETHEHIGHLINEARPOWERAMPLIFIERHASTOBEUSEDTOGUARANTEECONUNUNICATIONQUALITYUNFORTTMATELY,POWEREFFICIENTAMPLIFIERSARETYPICALLYNONLINEARFORSOLVINGTHISPROBLEM，VARIOUSLINEARIZATIONTECHNIQUESHAVEBEENEMPLOYEDTOIMPROVELTHELINEARITYOFHIGHEFFICIENCYPOWERAMPLIFIERINTHISTHESIS，THENONLINEARCHARACTERISTICSOFPOWERAMPLIFIERAREANALYZEDINTHEORYATFIRSTTHEPRINCIPLE，ADVANTAGESANDDISADVANTAGESOFVARIOUSLINEARIZATIONTECHNIQUESAREDISCUSSEDTHEN，DETAILEDTHEORYANALYSISANDCADSIMULATIONSARECARRIEDONFORRFPREDISTORTIONLINEARIZATIONANDFEEDFORWARDLINEARIZATION，BECAUSETHESETWOKINDSOFLINEARIZAFIONTECHNIQUESAREMOSTIMPORTANTANDHAVEGREATERPRACTICALAPPLICATIONVALUEATTHEENDOFTHISTHESIS，TWOTYPESOFRFPREDISTORTIONLINEARPOWERAMPLIFIERCIRCUITSHAVEBEENFABRICATEDTHEEXPERIMENTALRESULTSARE4INGOODAGREEMENTWITHTHEORETICALANALYSISITINDICATESTHETWOTYPESOFRFPREDISTORTIONLINEARPOWERAMPLIFIERSHAVETHEADVANTAGESINTHEAPPLICATIONSOFSATELLITECOMMUNICATIONSYSTEMANDMOBILECOMMUNICATIONSYSTEMTHECONTRIBUTIONSOFTHETHESISAREPRESENTEDASFOLLOWS1ARFQUADRATUREPOWERSERIESPREDISTORTIONLINEARIZERISPRESENTEDTHISTECHNIQUECANEFFICACIOUSLYCORRECTFORBOTHAMPLITUDEANDPHASEDISTORTIONOFPOWERAMPLIFIERS2INDIVIDUALLYCONTROLLEDBYLOOKUPTABLEANDADJACENTCHANNELPOWERMINIMIZATION，TWOKINDSOFADAPTIVEPREDISTORTITMLINEARIZERAREFORMEDANDSIMULATEDWITHCOMPUTERSIMULATINGRESULTSSHOWTHATADAPTIVECONTROLTECHNOLOGIESCANEFFICACIOUSLYEXTENDDYNAMICRANGEOFLINEARPOWERAMPLIFIERS3ANOVELSERIESFETPREDISTORTERISDEVELOPEDBYUTILIZINGTHEGATEVOLTAGECONTROLLEDVARIABLERESISTANCECHARACTERISTICOFFETUNLIKECOMMONPREDISTORTERSTHATHAVEGREATINSERTLOSS，THISTECHNOLOGYCANOFFERSOMEPOWERGAINWHILE34射频功率放人器线性化技术研究LINEARIZETHEAMPLIFIERWITHOUTADDITIONALCOMPONENTS4UNDERTHECONDITIONOFLOOPIMBALANCEINFEEDFORWARDLINEARIZATIONSYSTEM，INVESTIGATIONSAREMADEONTHEEFFECTSOFTHEFURTHERNONLINEARDISTORTIONPRODUCEDBYAUXILIARYAMPLIFIERONTHEOVERALLLINEARPERFORMANCETHESYSTEMPERFOMANCEISPRESENTEDASAFUNCTIONOFCIRCUITPARAMETERS，PHASEANDAMPLITUDEIMBALANCE5CRITICALCONDITIONSFORREDUCINGTHEPOWERLEVELOFAUXILIARYAMPLIFIERAREPRESENTEDFORGIVENCIRCUITPARAMETERSANDREQUIREMENTOFSYSTEMPERFORMANCE，THEMINIMUMPOWERLEVELOFAUXILIARYAMPLIFIERCANBEVALIDLYPREDICTEDITCANIMPROVETHEPOWEREFFICIENCYANDMINIMIZETHECOSTOFFEEDFORWARDLINEARIZATIONSYSTEM6ANADAPTIVEPREDISTORTINGLINEARAMPLIFIERBASEDONLOOKUPTABLEMETHODISFABRICATEDTHERESULTSOFMEASUREMENTSHOWTHATTHETECHNOLOGYCANGREATIMPROVETHELINEARITYOFAMPLIFIERTHISCIRCUITISVALUABLEINPRACTICE7ASERIESFETPREDISTORTIONLINEARIZERCIRCUITISCONSTRUCTEDEXPERIMENTRESULTSAREINGOODAGREEMENTWITHTHEORETICALANALYSIS，SOITCALLBEWILDLYUSEDINSATELLITECOMMUNICATIONSYSTEMANDMOBILECOMMUNICATIONSYSTEM。KEYWORDRFPOWERAMPLIFIERLINEARIZATIONPREDISTORTIONFEEDFORWARD本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导卜进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，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西安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做了明确的说明并表示了渤意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名到竖R期呈竺箜Z关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即研究生在校攻读学位期白J论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电予科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文学校町以公如论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权一瞰R本人签名导JI|J签名刻猩IJLJJ堑堕Z第章绪论第一章绪论11课题研究的目的及意义随着2L世纪的到来，人类社会已步入信息时代，社会信息化极大的改变了人类社会的生产、工作、学习和生活方式，人们对信息的依赖与需求越来越大，随时随地、迅速可靠的与通信的另一方进行任何方式的信息交流成为人们不断追求的目标。移动通信作为现代通信技术中不可缺少的一部分，最近几十年更是发展迅速【“。由于第一代移动通信系统使用模拟式频分多址FDMA技术，系统容量小，业务类型单一主要是语音服务，在经历过80年代的辉煌后，很快被20世纪90年代推出的数字式第二代移动通信系统所替代。虽然使用至今的第二代移动通信系统由于采用了数字化处理方式及时分多址TDMA、码分多址CDMA技术，系统容量和性能比第一代移动通信系统有明显提高但是仍只能提供语音及低速率数据业务服务，远远不能满足人们对图像、语音与数据相结合的多媒体业务和高速率数据传输业务的需求，而且随着移动用户的迅猛增长，现在的系统容量也不能满足未来发展需要。使用QPSK正交相移键控、QAM正交幅度调制等线性调制技术，数据传输速度更快、频带利用效率更高的第三代移动通信系统进入市场已经指日可待【2_“。国际电信联盟OTU确定的第三代移动通信系统主流无线接口标准主要有以下三种WCDMA、CDMA2000和TDSCDMA。无论采用哪种标准其RF信号都具有多载波，信号谱动态范围大的共同特点。由于功率放大器存在非线性通常可由放大器的AMAM和AMPM变换特性来描述，非恒定包络的线性调制信号通过非线性放大器后将会产生互调失真，造成频谱扩展，落于信道带内的失真增加了误码率，而带外再生的频谱对于邻近信道用户来说又是一个潜在的干扰源【5。J。为满足通讯质量的要求，地面蜂窝系统及PCN基站由于受远近效应及多径衰落的影响。要求互调失真产物至少低于有用信号60DB，即载波一互调功率比大于60DBC。卫星通讯系统虽然没有远近效应和多径衰落的问题，也要求至少40DBC的载波一互调功率比。因此，在第三代移动通信系统即将投入实用的今天，高线性的功率放大器的研究越来越为人们所关注。除了移动通信系统和卫星通信系统，采用QAM调制的SDHSYNCHRONOUSDIGITALHIERARCHY同步数字微波传输系统【89】和使用COFDM编码正交频分多路体制的HDTV高清晰度数字电视也对放大传输过程中的线性度提出了苛刻的要求M。51；以软件无线电为代表的新兴无线通信技术从本质上也要求线性、宽带射频功率放人器线性化技术研究的发射机技术LL6”J。而在各种通信系统中，射频RF功率放大器是发射机系统中非线性失真的主要产生源。RF功率放大器的非线性失真不但会消除由于线性调制方法的应用而得到的频谱效率的任何优点，还会导致波束宽度、旁瓣抑制、零位深度等一系列天线性能指标变差【】”。因此，线性功率放大器设计技术已经成为线性化发射机系统的关键技术。虽然A类功率放大器线性度较好，但效率低下，电源利用率一般仅为15，而且难以把功率放大到几十瓦量级IL。为了解决这个问题，只能通过合理设计外围电路，使已有的高效率功率放大器AB或C类线性化，同时尽量提高系统效率，降低供电系统的能量消耗这一点在移动通信的便携端及卫星通信中是尤为重要的，这就是本文所要研究的重点RF功率放大器线性化技术。12RF功率放大器线性化技术的发展及研究现状功率放大器线性化技术研究始于上个世纪二十年代。1928年贝尔实验室的HSBLACK发明了前馈和负反馈技术并应用到放大器设计中，有效的减少了放大器失真，可以认为是功放线性化技术研究的开端【20捌1。但那时主要是从器件本身的角度来提高功率放大器的线性度，所研究的功率放大器频率也较低。随着无线通信技术的兴起和发展，从上个世纪七八十年代开始，射频功率放大器的线性化技术得到飞速发展【2M引。射频功率放大器的线性化方法有笛卡尔环、极性环、模拟预失真、前馈法、LINCLINEARAMPLIFICATIONUSINGNONLINEARCOMPONENTS、EERENVELOPEELIMINATIONANDRESTORATION等许多种，但按其基本技术原理大致可以分为反馈、前馈、预失真三大类。反馈线性化技术应用最早，它的发明虽然晚于前馈法，但由于其电路简单，在线性化技术发展早期是最主要的线性化技术，目前仍广泛应用于音频功率放大器线性化领域。然而在射频领域，因为稳定性及延时等因素，RF反馈回路构造困难，直接反馈很少使用，多采用间接反馈技术改进形式，如笛卡尔环、极性环反馈，其中笛卡尔环直接对基带I、Q信号进行控制，是数字线性化技术的切入点12圳。尽管由于受视频带宽限制及稳定性的影响，反馈法工作带宽窄，处理多载波信号能力较差，但由于其结构简单，控制方便，是闭环自适应线性化技术必须的组成部分31331。预失真技术起源较晚，1959年MACDONALD提出用相反的非线性特性来补偿三极管自身非线性的方法，这就是基本的模拟预失真思想【M1。早期的模拟预失真技术主要应用于有线电视和卫星通信系统中38】。19世纪80年代以后，预失真技术开始飞速发展出现了数字预失真技术和自适应控制预失真技术，主要的应用对象第一章绪论也转变为移动通信系统P”。RF模拟预失真属于丌环线性化技术，其校准精度不如闭环系统，线性改善度有限。它的优点在于不存在稳定性问题，频带宽，电路简单，成本低廉，是目前应用最广泛的功率放大器线性化技术。特别是在一些对体积、电源效率有严格要求的应用场合如手持移动通信设备、卫星通信设备，预失真法仅用少量额外元件就可以降低互调失真产物几个DB，但这是关键的几DB。前馈技术起源最早，发展最晚。早在HSBLACK发明反馈技术大约9年前，他就发明了前馈线性化技术120川。虽然前馈线性化技术具有无条件稳定，线性度高，线性度与增益无直接关系，噪声系数好等优点但是由于当时器件工艺水平所限，前馈技术所要求的相位、幅度和延时匹配较难实现，在问世后的二十多年旱一直被人们所忽视，直至LJMCMILLANL461和VANZELSTL471将反馈技术与前馈技术用于同一系统中才引起人们的关注，并出现了一系列相关文章148,49T。现代意义上应用于RF放大系统的前馈线性化技术是1968年贝尔实验室的SEIDEL等人开始并发展的50,5Q，但其发展步伐远远落后于预失真线性化技术，直到近几年，以码分多址CDMA技术为基础的25G和3G通信技术迅速进入应用领域，对线性放大技术提出了更高的带宽要求和更高线性度要求，反馈法和预失真法已不能满足要求。与此同时，电子器件制造和数字信号处理技术的不断进步，使得实现前馈线性化技术所需要的精确相位、幅度和延时平衡控制成为可能，前馈技术才得到重视，成为目前最热门的线性化技术【5。”J。虽然前馈技术结构复杂，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，系统内不同元件的增益、相位跟踪特性也必须保证，而且要稳定，但它是目前唯一能满足宽带、多载波系统功率放大器的线性化指标的技术，因此也是线性化技术研究的焦点。上面仅是一个大致的分类，许多线性化技术并不能简单的归为上面哪一类，而是多种技术的组合，如自适应基带预失真线性放大器158”J、二次谐波反馈预失真线性放大器160就是将反馈技术与预失真技术相结合。预失真技术与前馈技术相结合也是常用的方法161,621。另外随着数字处理技术和电路技术的发展，使用DSP的数字式线性化技术也越来越为人们所关注，由于信号的预失真处理全在基带频率上进行，无需处理复杂的射频电路，系统控制非常方便，但是系统所能处理的最高信号速率受制于DSP的运算速度16”，同IJ,JDSP系统所消耗的功率也非常大，成本也比较高。现在使用DSP的线性化技术的研究重点不在于具体的RF电路上，而是多集中于环路延时的估算方法，及自适应优化迭代算法的研究上【4、6466。目前在国际上，无论学术界还是工业界对射频功放的线性化技术研究都非常重视。每年发表在IEEE直接相关论文多达四、五十篇，同时每年都有上百个相关专利被申请，仅在2001年批准的相关专利就超过150个【6“。由于线性化功率放大器是3G系统中至关重要的组成部分，BELL、POWERWAVE、ANDREW等专业技术公司及摩托罗拉、爱立信等系统供应商均已丌发了针对3G系统的线性功率放大器组件或元4射频功率放人器线性化技术研究器件。近几年来，国内对功率放大器线性化技术研究已经开始重视，东南大学、西安电子科技大学、电子科技大学、浙江大学、华中科技大学等院校已经丌始了这方面的研究168”】，华为、中兴等通信设备公司也进行了线性功放的研制。但由于国内相关研究起步晚，学术研究论文数量与国外相比相差很远专利申请更不乐观，产品性能与国外也有一定差距。据估计，出于性能与成本考虑，我国3G基站使用的线性功放将主要从国外进口，为了改变这一局面，就需要国内的科研院所对功率放大器线性化技术研究投入更大的研发力量。本论文的所做的工作也是希望能够为国内线性功率放大器研究尽一份绵薄之力。13论文的内容安排及主要工作成果131论文的主要工作及内容安排本论文的研究主要围绕射频预失真和目百馈这两种最有发展潜力和实用价值的线性化技术展开，内容大致分为四部分篼一部分是放大器非线性的理论分析及线性化方法介绍，主要为后面的分析研究提供理论基础，由论文的第二、第三章构成。在第二章中，首先将RF功率放大器看作一个无记忆非线性系统，用AMAM转换、AMPM转换、谐波失真、互调失真和交调失真等描述其非线性特性，引入放大器增益、LDB压缩点、三阶截止点等相关技术指标的定义，并得出这些指标之阃的近似转换公式。然后介绍了放大器各种数学模型，针对不同应用场合使用适当的数学模型可以在保证一定精确性的前提下简化分析过程。如果要分析的系统实际工作带宽相对于系统内所使用器件的带宽是非常窄的，则认为系统非线性特性是和频率无关的。可以使用相对简单的无记忆非线性数学模型如TAYLOR级数模型、SALEH函数无记忆模型。若需分析宽带功率放大器系统，频率依赖效应就不可忽略，AMAM、AMPM失真特性将随着频率的改变而变化，这时就要采用VOLTERRA级数模型、广义幂级数模型等记忆效应非线性模型来分析。第三章早详细分析了目前各种线性化技术的线性化原理、系统构成和各自的优缺点，介绍分析了放大器线性度的各种测量方法。双音测试得到的载波与三阶互调功率比是简单信号环境下理想的放大器线性指标度量单位，但对于复杂的多载波数字调制系统双音测试就不能准确的反映系统的线性指标，这种情况下，ACPR邻道功率比替代载波一互调功率比成为描述非线性的度量单位。论文的第二部分是对RF模拟预失真技术的研究，位于论文的第四章。预失真4射频功率放火器线性化技术研究器件。近几年来，国内对功率放人器线性化技术研究已经开始重视，东南大学、西安电子科技大学、电了科技大学、浙江大学、华中科技大学等院校已经丌始了这方面的研究【68。”】，华为、中兴等通信设备公司也进行了线性功放的研制。但由于国内相关研究起步晚，学术研究论文数量与国外相比相差很远，专利申请更不乐观，产品性能与国外也有一定差距。据估计，出于性能与成本考虑，我国3G基站使用的线性功放将主要从国外进口，为了改变这一局面，就需要国内的科研院所列功率放大器线性化技术研究投入更大的研发力量。本论文的所做的工作也是希望能够为国内线性功率放大器研究尽一份绵薄之力。13论文的内容安排及主要工作成果131论文的主要工作及内容安排本论文的研究主要围绕射频预失真和前馈这两种最有发展潜力和实用价值的线性化技术展开，内容大致分为四部分第部分是放大器非线性的理论分析及线性化方法介绍，主要为后面的分析1研究提供理论基础，由论文的第二、第三章构成。在第二童中，首先将RF功率放大器看作一个无记忆非线性系统，用AMAM转换、AMPM转换、谐波失真、互调失真和交调失真等描述其非线性特性，引入放大器增益、LDB压缩点、三阶截止点等相关技术指标的定义，并得出这些指标之问的近似转换公式。然后介绍了放大器各种数学模型，针对不同应用场合使用适当的数学模型可以在保证一定精确性的前提下简化分析过程。如果要分析的系统实际工作带宽相对于系统内所使用器件的带宽是非常窄的，则认为系统非线性特性是和频率无关的，可以使用相对简单的无记忆非线性数学模型如TAYLOR级数模型、SALEH函数无汜忆模型。若需分析宽带功率放大器系统，频率依赖效应就不可忽略AMAM、AMPM失真特性将随着频率的改变而变化，这时就要采用VOLTERRA级数模型、广义幂级数模型等记忆效应非线性模犁来分析。第三章早详细分析了目前各种线性化技术的线性化原理、系统构成和各自的优缺点，介绍分析了放大器线性度的各种测量方法。双音测试得到的载波与三阶互调功率比是简单信号环境下理想的放大器线性指标度量单位，但对于复杂的多载波数字调制系统，双音测试就不能准确的反映系统线性指标，这种情况下，ACPR邻道功率比替代载波一互调功串比成为描述非线性的度基单化。论文的第二部分是对RF模拟颓失真技术的研究，位于论文的第四章。预失真论文的第二部分是对RF模拟颓失真技术的研究，位于论文的第四章。预失真第一章绪论线性化技术电路简单、成本低廉，是功放线性化指标要求不高时理想的线性化技术，在卫星通信设备、移动通信设备中有着广泛的应用。对于常用RF模拟预失真器存在的一些缺点，本文提出三种新颖的RF模拟预失真方案，并采用AGILENTTECHNOLOGIES公司的电路仿真软件ADSADVANCEDDESIGNSYSTEM验证了分析结论是正确可行的。这三种RF模拟预失真方案分别是一、RF正交幂级数预失真放大器。常用幂级数预失真器如反向并联二极管预失真器等的线性化原理是基于非线性系统的幂级数即TAYLOR级数模型基础上的，而放大器的幂级数模型仅表示出放大器的AMAM失真特性，不能体现出AMPM失真，因此单个幂级数预失真器存在不能同时改善放大器幅度、相位失真的缺点。本文根据放大器的AMAM、AMPM失真数据使用两路正交幂级数构建放大器带通模型，将放大器的幅度、相位失真特性用两个不存在相位失真只存在幅度失真的正交信道来表示，进而使用两个简单的反向并联二极管幂级数预失真器构建一个RF正交预失真器，仿真结果表明采用RF正交幂级数预失真器对放大器的AMAM、AMPM失真均有较好的改善效果，且具有模拟预失真器不受信号速率、调制方式限制，电路简单，成本低、功耗小的优点。二、自适应RF预失真放大器不加自适应控制的预失真线性功率放大器有一个很大的缺点是功率动态范围小，仅在很小的功率范围内有线性化作用，因此在实际使用中有很大局限性。为了克服这个缺点，分别采用开环查表法和闭环邻道功率最小法设计了两种自适应RF预失真线性功率放大器。针对应用于室内无线分布系统的线性干线放大器设计实例，比较仿真结果并从工程实用性考虑，查表自适应预失真方案电路简单、成本低、功耗小，更具实际应用价值。三、串联FET预失真放大器仍然从工程实用性考虑，常规预失真器插入损耗较大，需要增加额外线性功放补偿增益损失，这样降低了效率，增加了成本。而场效应管FET放大器在偏置于一定状态下可产生变阻作用，相当于一个栅压控制可变电阻器。因此可以利用场效应管放大器构成一种新颖的串联FET预失真器，应用于放大器前级，不需要增加额外的器件，便于集成，并能在线性化的同时提供一定的增益。论文的第三部分着重研究了前馈线性化技术。前馈线性化技术是目前唯一能满足宽带、多载波系统功率放大器线性化指标的技术，但由于工作机理所限需要附加辅助功率放大器，对相位、幅度匹配要求严格，且对辅助功放再次产生的非线性失真无法补偿，因此在设计时必须很好的选择器件参数，尤其是对辅助功放的选择。在论文的这部分内容中首先分析了环路中幅度、相位、延时失配对整个前馈系统性能的影响，针对以往相关研究中辅助放大器非线性特性对整个前馈6射频功率放人器线性化披术研究系统性能影响分析不全面的问题，全面分析了辅助功放非线性对系统性能的影响，得出了系统性能与电路参数和幅度、相位失配的关系式。然后分析了辅助功放效率对整个前馈系统效率的影响，发现降低辅助功放功率容量对提高前馈系统整体效率和降低成本大有帮助。考虑辅助功放非线性对前馈系统性能的影响，提出了降低辅助功放功率容量的判断条件，从而可以根据电路参数预先估算出系统最终性能，或在保证整体性能并提供一定安全余量的前提下，选择功率容量最小的辅助放大器，以减小系统成本、提高系统效率。仿真验证了分析结论正确可行，具有一定工程指导意义。以上内容在论文的第五章给出。第四部分内容就是论文的第六章。这一章主要是根据前面的仿真，完成了功率查表自适应预失真和串联FET预失真两种线性功率放大器电路的实物加工和测试。测试结果表明查表白适应预失真放大器在输出功率10DB动态范围内，载波与三阶互调失真功率比改善达到了10DB以上，在LDB压缩点回退07DB至回退6DB范围内，载波与三阶互调失真功率比改善达N25DB以上。与前馈线性化技术改善量相当；串联FET预失真线性功率放大器使用WCDMA信号测试邻道功率比ACPR改善5DB，双音测试三阶互调改善9DB，在线性化的同时还提供了7DB的增益。实物测试与理论分析相一致，可广泛应用于卫星通信、移动通信等设备中，具有较高经济效益和实用价值。132本论文的主要工作成果本论文的主要创造性成果有L、提出RF正交幂级数预失真线性功率放大器方案，由两路J下交的模拟幂级数预失真器构成，克服了单路幂级数预失真器不能同时改善放大器幅度、相位失真的缺点，适用于对相位失真要求较高的场合。2、针对一个实际功率放大器，使用查表法和邻道功率最小法建立了两种自适应预失真线性功率放大器。预失真线性功率放大器有一个很大的缺点是功率动态范围小，仅在很小的功率范围内有线性化作用，因此在实际使用中有很大局限性。为了克服这个缺点，分别采用开环查表法和闭环邻道功率最小法设计了两种自适应RF预失真线性功率放大器。仿真结果表明，采用自适应技术可以提高预失真线性功率放大器适用的功率动态范围。并针对应用于室内无线分布系统的线性干线放大器设计实例，比较仿真结果并从工程实用性考虑查表自适应预失真方案电路简单、成本低、功耗小，更具实际应用价值。3、提出一种新颖的串联FET预失真线性功率放大器。常规预失真器插入损耗较大，需要增加额外线性功放补偿增益损失，这样降低了效率，增加了成本。而场效应管FET放大器在偏置于定状态下可产生变阻作用，相当于一个栅压控笫一章绪论制可变电阻器。利用场效应管的这利，特性可以构成一种新颖的串联FET预失真器，不用增加额外的器件，在线性化的同时还可提供一定增益。与国外相关文献报道的串联二极管预失真器相比，线性改善度相当，但克服了常用模拟预失真器插入损耗大的缺点。4、全面分析了前馈系统中辅助功放非线性对整个前馈系统性能的影响，得出系统性能与电路参数和幅度、相位失配的关系式。在国际上以往的相关研究中，要么忽略了辅助放大器非线性特性对整个前馈系统性能影响要么仅考虑了残余载波信号之间产生的非线性失真的影响，但忽视了残余载波与主功放互调分量之间再次产生的与载波信号同频的非线性失真信号的影响。本文详细分析了信号对消环失配时辅助功率放大器再次产生的互调失真分量对整个前馈系统性能指标的影响，并推导出极端情况下的系统输出载波一互调功率比与电路参数的关系式。使用本文推导的关系式可以根据器件参数估计出系统最终性能，或根据系统性能要求，计算出所需器件的最低指标要求。仿真结果与理论分析相一致，具有一定的实践指导意义。5、提出了降低前馈系统辅助功率放大器功率容量的判断条件。以前的相关研究中均忽略了信号对消环不平衡条件下辅助功放非线性效应对整个前馈系统性能的影响。本文分析了辅助功放效率对前馈系统整体效率的影响，在考虑辅助功率放大器非线性对整个前馈系统性能影响的前提下，对于给定的主功率放大器，可以根据系统要求选择功率容量最低的辅助放大器，提高了整个前馈系统的电源效率。降低了成本。仿真验证了分析结论是正确可行的，具有一定的实践指导意义。6、实际制作了应用于室内无线分布系统干线放大器的查表自适应预失真线性功率放大器电路。测试结果表明在10DB输出功率动态范围内，载波与三阶互调失真功率比改善10DB以上，在LDB压缩点回退07DB至回退6DB范围内，载波与三阶互调失真功率比改善达至JJ25DB以上，与前馈线性化技术改善量相当，但电路复杂度和成本远远低于前馈线性化系统。达到了设计目的，可在实际工程中应用，具有很高的实用价值和良好的经济效益。7、制作了串联FET预失真线性功率放大器电路。使用WCDMA信号测试邻道功率比ACPR改善5DB，双音测试三阶互调改善9DB。与国外相关文献报导中的串联二极管预失真技术线性改善量相当。但本电路在线性化的同时还提供了7DB的增益，克服了常用模拟预失真器插入损耗大的缺点，适合级联放大器前级使用，不增加额外器件，便于集成，具有很高的工程应用价值和良好的经济效益。射频功率放人器线性化技术研究第二章射频功率放大器非线性特性分析21射频功率放大器非线性失真特性通信系统中，信号带宽是有限的，而且存在噪声与干扰。如认为系统为线性系统，它的特性可用传递函数HJMLHJCO【EXPJCO】表征。当IHJCOI或与频率有关时，这种失真称为“频率失真”，有时又称为“线性失真”。例如，假定输出信号Y，是一延迟信号XF按比例改变的模型，则出现无失真传输，即有YTKXTRO。如果认为系统为非线性的，不能简单地用传递函数来描述。这时输出信号是输入信号的非线性函数YTR【工州如图21所示。从图21可见，YT和X，仅在工F小的时候是线性的，XF大的时候则偏离线性，这种偏差称为非线性失真。RF功率放大器属于非线性系统，其非线性特性可以用AMAM转换、AM，PM转换、谐波失真、互调失真和交调失真等来描述这些就是本节讨论的内容。只地211非线性振幅失真图21系统的非线性特性工F为简化分析，将功率放大器看作一个无记忆非线性系统电压的瞬时值函数，放大器传输特性可以表示为V。，FV，】即输出电压是输入21其中V。，为放大器输出电压Q，为放大器输入电压。如果该函数各阶导数均存在，则可以展丌幂缴数形式V。，KLV，KZV2，3V，22第一章射频功率放人器1F线性特性分析若K0I2，3，则认为放大器系统是线性的，对于弱非线性系统，可以取式22的前三项，近似表示为V。，KTV，女2V2，女，V，3，231、单频输入当V，ACOSI，则V。，为V，KLACOSCOLTK2A2COS2IH七3A3COS3甜L，毛彳C。S出，T爿2。LLCOS2C02T屯爿3三COS01L1C。S，。，LK2D叫弓K3A3COSCOITIKZA2COS2COD1州3COS，州2A上式说明，由于系统的非线性，输出信号中除输入信号外，还出现了新的直流分量和二次谐波2埘。、三次谐波3CA。等分量。基波分量振幅为尼一珥L言如KT，为线性增益，第二项言也KT是由于非线性产生的附加项。若K，0，则七，I1导也K。彳2】K。，这一特性称之为增益扩张；反之当K，0增益扩张效应，并可以用来作为预失真器件。由于功率放大器的增益压缩效应，随着输入功率的增加，放大器进入非线性区后，输出功率不再随着输入功率的增大而线性增大。从而引入一个放大器关键的技术指标LDB增益压缩点。通常把增益下降到比线性功率低IDB时的输出功率定义为输出功率LDB压缩点，用只。表示见图21。基频出的增益G可表示为。G20LGK。T，A2DB25定义G。为线性增益GO20IGKLDB26IDB增益压缩点可定义为信号电平的增益TK线性增益小LDB，即0射师功率放人器线性化技术研究UFM2UO一1DB或等效地认为女1I。3爿2O89LITJ讴H冲GIG2G3GNIP3LIP32IP33IP3。图24级联二阶截断点计算射频功率放人器线性化技术研究实践中经常遇到要计算级联非线性系统截断点的问题，如多级放大链路、完整的接收机前端等，通用示意框图见图24。这时整个系统的三阶非线性可用下式计算P3F228特别需要注意的是式228中的增益G、三阶截止点，P3都是线性单位，不是DB，如果各级的截止点是输出输入的，那计算出的总截止点也是输出输入截止点。G。10吒“，P3。LO峨。212交叉调制失真如果同时有两个输入信号，一个是未调制信号，一个是调幅信号，经过非线性系统后，调制被转移到了未调制信号上，对其产生干扰，这种新产生的调制干扰称为交叉调制。令输入信号为V，F一1MCOSEA。TCOS0L，ACOSTA2T229其中，M为调制系数，珊。为调制频率，脚。、珊为两个载波频率，代入式23得输出信号为VOUJ咒L以LI十朋COSOL，COS倒IL十KI以COS112T爿2FC，ZMCOSOL1M2；M2C。SZ脚。，C；三COS2COD，三1。COS20211吖COSOM【COSOI02OSCOT02，】T，爿3，MCOSCO3M2C三1吉C。SZ。，M3C；C。S珊。，I1C。SS。，；C。SM，ILC。S，珊，12，COSCAT1M2；N，2C。SZM。，三LCOS2AOTTC。SZ，第二章射频功率放人器竹线性特性分析。CMCOSA,O；吉COS2021COSO。L；C。S珊，I1C。S，RCZ一，。，输出信号中除了有以Q为载波的调制信号外，还出现了以甜为载波的调幅波这种现象称为交叉调制。交叉调制项为铲“丢K3A3COSC02T3K3A3S刚COS吲其中UCM1MCOSJ。TCOS02U。“三七，爿3M反映了转换为载波频率的调幅波的调制系数。交叉调制系数定义为一生M苇31，J2在非线性较弱的区域，三屯一3，上式可近似为洲。丝生KL23I2322粥若用分贝表示，将上式与式216、218比较后可得CMP2COL一珊2一只一12DB234幅度。一交凋J物L频率且渊I“物幽25交凋火真和互凋火真的区别图25举例说明了交调和互调的区别。图右边用户不需要的信道有一个双音调制带JL膨要号I【，L_1需信ILILIF不的IIIILFL_一要号一需信LLL_射频功率放人器线性化技术研究信号，左边是一个用户需要的单音信号，将调制转移到了用户所需的单音信号上，213非线性相位失真双音调制信号自身产生了互调失真，并使其产生了交调失真。由于系统传递函数砌出NB圳【EXP矿烈珊】的相位与频率阳J的非线性关系，使输出信号产生了群时延差异和AMPM转换失真。群时延定义为O一譬235AO当系统相移特性是线性的，意味着对信号所有频率分量有着固定的时延，群时延是一和频率无关的常数若系统是非线性的，则信号的各个频率分量将受到不同的延迟，导致相位失真，群时延是和频率有关的函数。图26是线性、非线性系统相移与频率的关系图。TADORADSF,0MDSA线性系统BTE线性系统图26相移与频率关系AMPM转换效应，即输出信号的相位随输入信号幅度的变化而变化。直到现在，测量AMPM转换仍是一个复杂的问题，用老一代的矢量网络分析仪测量时必须校准在非常低的功率电平下。一旦电平发生变化，仪器产生的相位测量误差将大于被测量器件AMPM的变化，现代的仪器对这种变换的敏感性小得多，已经可以在P。一凡，相同的功率范围内对转移特性的相位进行扫描测量，但仍缺乏精确的校准点。这类似于三阶截断点或只。，它仅能提供幅度失真的粗略估算。要准确地分析AMPM产生的原因仍很困难。简单的供电线路的寄生调制无法合理解释限幅，而且不能解释相位失真来于何处。图27是一个放大器的实测数据，它们分别工作与甲类、甲乙L类和甲乙2类峭。甲类偏置下线性指标最好，相位特性几乎保持常数。驱动电平使之达到只。时，丌始爬升，最大的AMPM转换约为250，这时已是全饱和状态。放大器偏置在甲乙L类在低电平下就出第一二章射频功率放人器非线性特性分析现了相位偏移。在深甲乙类甲乙2类偏置时，相位改变与分贝驱动电平之问是线性的，直到压缩点，然后迅速反向变化。相对相位卜输入功率图27I9GHZIW功率放大器实测AMPM变换一般而言，AMPM效应可以追踪到晶体管模型中关键的几个依赖于信号电平的元素，特别是FET中的输入电容及栅源二极管中耗尽区的结电阻非线性电阻引起的AMPM效应并不亚于非线性电抗。双极晶体管的非线性基集电容是引起电平相位移的关键元件。所有这些效应的相互作用非常复杂，用具体模型来仿真其物理过程几乎是不可能的。T，中，F幽28包络振幅变化和对应的AMPM相位变化图28在概念上图示了器件在不同的振幅包络激励下AMPM行为的重要特性。包络激励最大值时发生的相位移引起二倍基频的双边带调制，如图上虚线波射频功率放人器线性化技术研究形所示。为了简化处理，口假设最切的RF输出信号有如R彤式V巾，COSFORECOS卜LCOS2COT，亿，S，式中，是在此条件下AMPM相移的峰值妒K，则有KA。A，因此V。，_肌。，了KDT35山式35可以看出功放失真分量已经衰减为未加反馈前的KA，但放大器的增益也同时衰减为K。假设A10K，那么功率放大器的失真分量将会改善20DB，同时放大器的增益也损失了20DB。射频功率放人器线性化技术研究为了提高反馈线性放大器的效率，在降低三阶互调的前提下不牺牲放大器增益，MRMOAZZAM与CSAITCHISON在1996年提出了谐波反馈技术F矧。原理框图见图32。这种技术是将放大器输出的二次谐波信号反馈，由于放大器的非线性，二次谐波信号与源信号相互作用，适当控制反馈信号的幅度和相位就可以消除三阶互调干扰。数学分析如下图3,2二次谐波反馈放大器原理框图放大器采用三阶TAYLOR级数模型K。FKLV。，七2V；，K3V双音输入信号VMFALCOS甜IFA2COS02F反馈信号V，ALLCOS20”IF1A22COS2A2F2合成信号V。，ALCOSL，A2COS02TAILCOS260LT1A22COS20J2T2将39式代入36，则输出的三阶互调分量2珊09项为爿爿2，。820J2TCOT3AIA；K3COSI2OJ2TCO,一T3AIIA22K，COS2C02，一IT妒L2一1。1。1。一2310上式中第二项是输入基波之问相互作用造成的，第一项和第三项是反馈信号造成的，第三项与前两项相比太小可以忽略。为了抑制三阶互调分量就要使第一项与呦忉脚0O0B第二章射频功率放人器线性化技术及测试方法第二项抵消，则反馈回路的幅度和相位要满足如下条件如警，阱180。同理要抵消掉2一甜项，就要满足“警，卅180。调节反馈回路，满足以上两个条件就可以抑制三阶IMD信号而不损失放大器的增益，从而提高了反馈放大器的效率，这就是谐波反馈法的优点。在RF领域，在带宽内实现真正的负反馈很不容易，但这还不是问题的核心。上面的分析中，假设反馈过程是瞬时发生的，输入电压，与反馈合成电压V，F无时间延迟，这种假设在很高频率下显然是不成立的。匹配的RF功率晶体管在信号途径引入了相当大的时问延迟，“大”是与信号周期相比而言的。器件模型中的跨导可延迟几个PS，输入与输出匹配网络组合，使RF功率放大器系统像一个带通滤波器，产生的群时延可以达到一个RF周期量级。由于反馈回路增加的延时，带内工作的稳定性迅速减小，因此，RF反馈法仅适用于窄带功率放大器的线性化。312极性环POLARLOOP极性环是一种间接反馈环，它对信号的振幅、相位的校准同时进行，组成框图见图33【96L。调制功率幅器戳幅器低通滤波器图33极性环线性化系统原理框图耦合器耦合出一部分己调制的放大器输出信号，经过衰减下变频到中频信号。30射频功率放人器线性化技术研究解调器利用限幅器的输出信号去检测未经限幅的信号从而可以得出信号的固有幅度信息，输入信号与输出信号的幅度误差信息通过差分放大器来控制调制放大器，这是一个基本的包络反馈系统。通过对已限幅的输入、输出信号鉴相可得到相位误差信息，再控制VCO来调整因此系统的相位控制部分就是一个简单的锁相环电路。综上所述就可以通过两个独立的反馈环来分别控制放大器输出信号的幅度和相位。极性环