[硕士论文精品]基于预失真的功率放大器线性化技术研究

摘要摘要功率放大器是无线通信系统中一个关键的组件，其线性度和效率一直是被关注的焦点。在第三代移动通信系统中如WCDMA，CDMA2000，线性调制技术被广泛采用。然而，峰均比高的非恒包络信号经过线性度较差的功率放大器后会产生非线性分量，造成频谱扩展，干扰相邻信道。虽然通过功率回退，可以得到较好的线性度，但是对于峰均比高的信号而言，效率就会很低。因此，需要采用线性化技术来提高线性度，减小邻道干扰，同时提高效率。功率放大器线性化技术主要包括反馈、前馈、交互抵消、预失真等，本文主要针对预失真技术中的模拟预失真技术进行研究和分析。首先介绍功率放大器的一些非线性特性和指标，并对功率放大器记忆效应的产生原理进行分析。随后就不同的线性化技术进行了扼要的原理分析与比较，指出模拟预失真技术的优越性。然后针对模拟预失真器进行了专门研究，分别就基于肖特基二极管和基于场效应管的预失真器进行了理论分析及仿真，比较两者的不同之处。同时，对环路模拟预失真器结构进行了研究，包括单环结构、双环结构和多环结构。通过分析比较，最终采用基于双环结构和场效应管相结合的模拟预失真模块方案。最后在对模拟预失真系统详尽理论验证的基础上，通过设计16WWCDMA直放站功率放大器来验证所设计的预失真模块的特性。测试结果表明，输出功率为42DBM时，在60MHZ带宽内ACPR指标不同程度的改善了5SDB，效率达到15以上。功率放大器的线性度和效率均得到了一定的改善。关键词功率放大器，线性化技术，预失真，双环结构，ACPRABSTRACTABSTRACTPOWERAMPLIFIERSAREKEYCOMPONENTSINWIRELESSCOMMUNICATIONSYSTEMS，WHOSELINEARITYANDEFFICIENCYAREALWAYSTHEEMPHASESLINEARMODULATIONTECHNOLOGYISWIDELYADOPTEDINTHETLLIRDGENERATIONMOBILECOMMUNICATIONSYSTEMSEGWCDMA，CDMA2000HOWEVER,THEDISTORTIONWILLBEGENERATEDWHENTHENONCONSTANTEVELOPESIGNALS、ITLLHIGHPEAKAVERAGERATIOPARAREAMPLIFIEDBYANONLINEARPOWERAMPLIFIERTHESEDISTOREDSIGNALSWILLRESULTINTHESPECTRUMGROWTHANDINTERFERE、访吐1ADJACENTCHANNELSIFWESIMPLYBACKOFFTHEINPUTSIGNALTOACHIEVETHELINEARITYREQUIREDFORTHEPOWERAMPLIFIER,THEPOWERAMPLIFIEREFFICIENCYWILLBEVERYLOWFORKGHPARSIGNALSTHEREFORE，THELINEARIZATIONMETHODSARENEEDEDTOIMPROVETHELINEARITY,THUSREDUCINGTHEINTERFERENCEANDIMPROVINGTHEEFFICIENCYTHEREARESEVERALPALINEARIZATIONMETHODSAVAILABLEWHICHCANBECLASSIFIEDMAINLYASFEEDBACK，FEEDFORWARD，CROSSCANCELLATIONANDPREDISTORTIONTHISDISSERTATIONDEALSMAINLYWITHANALOGPREDISTORTIONMNONLINEARI够CHARACTERISTICSANDPARAMETERSOFPOWERAMPLIFERSAREFIRSTLYINTRODUCEDTHEPRINCIPLEOFMEMORYEFFECTOFPOWERAMPLIFIERISANALYZEDTHEN,SEVERALLINEARIZATIONMETHODSAREANALYZEDANDCOMPAREDINSIMPLEWAYMEANWHILE，THEADAVANTAGESOFANALOGPREDISTORTIONAREPRESENTEDCOMPARED、析TLLOTHERMETHODSTHEANALOGPREDISTORTERSARESPECIALLYDISCUSSEDFORTHESYSTEM，THESCHOTTKYDIODESBASEDPREDISTORTERANDTHEFETBASEDPREDISTORTERAREANALYZED，SIMULATEDANDCOMPAREDFORSYSTEMSCHEMEMEANWHILE，THELOOPSTRUCTURESOFANALOGPREDISTORTIONAREANALYAED，INCLUDINGSINGLELOOP，DUALLOOPSANDMULTILOOPSTHROUGHTHEANALYSISANDCOMPARISON,THEFETBASEDANALOGPREDISTORTERWITHDUALLOOPSISADOPTEDFORTHISDESIGNBASEDONTHEDETAILEDANALYSISOFTHEANALOGPREDISTORTIONSYSTEM,THE16WATTSPOWERAMPLIFIEROFWCDMAREPEATERSISDESIGNEDFORVALIDATINGTHECHARACTERISTICSOFTHEDESIGNEDANALOGPREDISTORTERTHERESULTSINDICATETHEACPRISIMPROVEDBY58DBWITHIN60MHZBANDWIIDTHTODIFFERENTEXTENTSANDTHEEFFICIENCYISOVERTHAN15INAABSTRACTWORD，BOTHTHELINEARITYANDTHEEFFICIENCYOFTHEPOWERAMPLIFIERAREIMPROVEDBYTHISADOPTEDPERDISTORTERKEYWORDSPOWERAMPLIFIER,LINEARIZATIORT,PREDISTORTION,DUALLOOPS，ACPRI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。签名日期如年R月圹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垄墅导师签名日期加。7年R月圹日第一章绪论11研究背景第一章绪论第三代移动通信技术3G在语音和数据传输的速度上比前两代技术有所提升，它可以在全球范围内更高地实现无缝漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。国际电信联盟ITU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四种WCDMA、CDMA2000、TDSCDMA和WTMAX。这四种标准，其RF信号都具有多载波和信号功率谱动态范围大等共同特点。中国从2009年起将全面开始3G的商用，由中国移动负责TDSCDMA，中国联通负责WCDMA，中国电信负责CDMA2000，这更加促使通信设备商加大力度投入生产与研究，以提供优质的网络服务质量。WCDMA已经在全球100多个国家商用，共铺设了258张网络。全球用户占到32亿，市场占有率达到77。全球的主要设备商有爱立信、诺基亚西门子、华为、中兴、阿尔卡特朗讯等。它的产业链最广，全球用户最多，技术也是最完善的。WCDMA的下行速率可达到144MBPS，上行速率达到576MBPS，可实现可视电话、高速数据上网、WAP等业务。从技术层面上讲，WCDMA的下行通道，即基站到用户终端通路，采用QPSKIE交相移键控数字调制方式，而QPSK信号是非恒包络信号，当其经过线性度较差的功率放大器放大后，信号会产生失真，并且造成频谱扩展，对相邻信道造成干扰。在现代移动通信系统中，特别是3G，对功率放大器的线性度提出了较高的要求。通常要求基站功率放大器输出信号的临信道功率比小于45DBC。传统改善功率放大器线性度的方法是采用线性度较好的A类或AB类功率放大器，通过功率回退使得功率放大器尽可能的工作于远离饱和点的线性区域。这样做的不足之处在于它会很大程度的降低功率放大器的效率。为解决这个问题，要求功率放大器除具有良好的线性性能外还必须要有较高的效率，这样就对功率放大器提出了线性化处理的要求。所以本文就线性化技术中的预失真技术展开探讨，寻求一种既简单又实用的预失真方法。电子科技大学硕士学位论文12射频功率放大器线性化技术的发展及研究现状对功率放大器的线性化技术研究始于上世纪二十年代。美国人HSBLACK发明的前馈和负反馈技术对放大器的非线性失真的改善非常明显，可以说他开创了功率放大器线性化技术的先河。JRMACDONAL通过设计相应的补偿电路来减小非线性失真，里面提到了预失真的思想【L】。HELMUTKVLOTSCH详细分析了二极管中所存在的非线性失真【2J。GABFIELLA将最小均方误差预失真技术用于OFDM系统中【3】。SESTAPLETON通过一个工作在中频的自适应预失真器和简单的反馈支路减小了发射机输出信号中的互调失真【4。5】。BEMARDINI详细分析了用于五阶模拟预失真技术中的不同控制方案与优化标准【6】。EGJECKELN将数字接收机技术应用于功率放大器的线性化技术中，并设计实现了自适应基带预失真器【71。近10年来，对模拟预失真技术的研究也越来越多。MICHAEL提出自适应方法来提高多载波功放的线性度和效率，其模拟预失真器的传输特性基于一个奇次的复多项式【8】。LAI提出新的基于多项式的功放模型，与传统的预失真器相比，在非线性失真改善上具有更好的一个特性【9】。STONIC提出一种新的用于表征无记忆功放非线性的结构【L们。KANG设计了一个用于V盯跳频系统中的线性功放，采用自适应预失真器实现，实验结果表明频谱扩展减小了10DB11J。RAHKONEN研制了基于复值多项式的五阶预失真器的芯片。该预失真器可用于基带和低中频，它对A和AB的放大器的线性度改善量分别达到20DB与30DB12】。BANELLI研究了模拟数字相结合的预失真技术对OFDM信号非线性度的改掣13】。LEE研究的预失真器能独立控制三五阶非线性失真分量【141。YOUNGKIM提出了一种新型的模拟预失真器，它能够独立产生和控制三阶和更高阶的失真产物，测试结果表明对CW信号而言，功放的三阶和五阶分量可以分别改善至少40DB和20DB。对于4载波的CDMA信号ACPR可以改善至少10DB【L51。SEUNGYUPLEE提出了一个用于直放站的全自动的自适应模拟预失真功率放大器，其通过检测RF功率放大器输出频谱，再利用DSP来控制主功放的栅极偏置电压和矢量调制器的电压。结果表明对于单载波和四载波的WCDMA信号，它们的ACPR可分别改善22DB和205DB16J。WANGMYONGWOO提出了一个RF包络预失真系统，它采用模拟包络预失真和数字查找表相结合的方法。结果表明对于一个90W峰值包络功率的功率放大器，其ACPR可改善6DB17】。SUNGCHARTJUNG提出一个包含了包络延时抽头和控制电路的包络预失真器，其可以补偿记忆效应。最终结果表明对于一个30W峰值包络功2第章绪论率的功率放大器，用间隔为20MHZ双音信号进行测试，仅用一个延时抽头，低IM3和高IM3可分别改善2084DB和1817DBTL8J。JAEHYOKYI提出了用于CDMA基站的基于模拟预失真的高功率放大器。为了有效抑制相邻信道的频谱扩展，应该消除奇次互调分量。为此，研制了用于消除三五阶分量的预失真器。其设计的预失真功率放大器在23724GHZ时，输出功率为45DBM。对于码片速率为8192MCS、带宽为30MHZ的CDMA信号，其ACPR改善了9DB191。CHARTWANGPARK提出了用于3G系统的基于LDMOS的L强预失真器。通过使用一个与功率放大器相同的晶体管作为预失真器，可以得到一个准反向的AMAM和AMPM曲线。通过均衡有着同样器件的线性支路和非线性支路的群延时，可以获得一个宽带的特性。将此线性器用于CDMA2000基站中的310W功率放大器，ACPR改善了65DB，在同样的线性度指标下，增益提高了2DB，效率为8T20J。JEONGHYEONCHA等人对设计线性功率放大器提出了一个设计导向。定量的分析了三个影响线性度的因素，即高阶项、幅度失配和相位失配。设计了一款基于WCDMA的线性功率放大器，其峰值包络功率PEP为30W。一个简单的三阶预失真器用于测量谐波的相位，同时也用于产生预失真分量。实验结果表明，对于一个4载波的下行WCDMA信号，预失真功率放大器在输出功率为36DBM时的ACPR为46DBC，改善了134DBT2。近几年来，国内的科研院所和通信设备公司也开始重视对功率放大器线性化技术的研究。电子科技大学、浙江大学、西安电子科技大学等院校在这方面有了相关的研究22241。华为、中兴、大唐等通信设备公司也进行了线性功率放大器的研制，并取得不少成果。但由于国内相关研究起步较晚，而且相关研究人员较少，在学术研究论文数量、专利申请和产品性能上，与国外存在着一定的差距。为了改善这一局面，就需要国内的科研院所及通信设备提供商在功率放大器线性化技术研究上投入更大的研发力量。13论文的内容安排及主要工作成果本文的研究工作主要围绕模拟预失真功率放大器的理论研究、仿真和设计实现来展开。模拟预失真功率放大器，包括射频功率放大器和模拟预失真模块两部分。功率放大器是研究的基础，模拟预失真线性化技术是改善线性度的手段。本文先对功率放大器的非线性特性等进行研究，接着展开对模拟预失真技术的研究，电子科技大学硕士学位论文最后两者结合进行综合系统的研究。本文除第一章绪论外，主体部分为五章，其主要内容如下第二章首先对功率放大器的非线性失真特性进行研究，主要为AMAM失真和AMPM失真；然后简要介绍了功率放大器的一些非线性指标，如输出功率LDB压缩点、输出三阶交截点等接着就功率放大器的记忆效应结合实际进行了分析；最后简要的介绍了当前主流的射频功率放大器的线性化技术，从前馈技术、交互抵消技术到本文使用的预失真技术，分析了各技术的特点，并对这些线性化技术进行了比较。第三章着重对射频模拟预失真器进行了研究。分别对基于肖特基二极管和基于场效应管的模拟预失真器进行了理论研究和仿真，比较两种方法的优缺点。然后对模拟预失真器的环路结构进行了研究，从最简单的单环结构到复杂的多环结构，用数学推理验证了其可行性，最后通过综合考虑确定本设计中使用的模拟预失真器结构。第四章就采用的模拟预失真结构，结合具体项目进行了设计与仿真。此章中设计实现了模拟预失真器，并对两级功率放大器进行了仿真，最后进行了级联仿真。同时针对系统的实际应用需要设计了控制和监控电路。第五章对模拟预失真功率放大器系统进行了测试与调试，并对测试结果进行了分析。第六章对本文进行总结，并就存在的不足及下一步工作进行扼要的说明。本文的主要工作成果是研究了基于场效应管和双环结构相结合的模拟预失真器。其优点在于体积小，结构简单，易于调试，能对功率放大器的线性度起到一定的改善作用。该模拟预失真器可应用于WCDMA直放站功率放大器系统中。4第二章功率放大器的非线性特性和线性化技术第二章功率放大器的非线IL生特性和线性化技术一个理想的放大器具有线性的传输特性，输入与输出的关系可表示为TOOK1圪R21其中KL为放大器的电压放大倍数。在输出信号中，带内和带外没有新的频率成分，仅仅是输入信号的一个无失真放大。但是，当一个系统中存在非线性元件时，就有可能有其他的失真出现。在这种情况下，不能够用一个简单的转移函数来描述传输特性，输出信号通常是输入信号的非线性函数，这种信号失真常称为“非线性失真“。21功率放大器非线性失真特性功率放大器的非线性失真特性主要由幅度幅度AMAM失真、幅度相位AMPM失真这两个特性来表征。AMAM，AMPM的特性图如图21所示【2熨。五MPMDEGL妒J160O巴L1。J，弋一_一一IAMAMID瓮INPUTPOWER12DBLFDIVI图21功率放大器AMAM，AMPM特性图OO衢加O一之电子科技大学硕士学位论文211幅度一幅度AMAM失真在以F的分析中，假设功率放大器是无记忆的。所谓无记忆是指输出电压是输入电压瞬时值的函数，那么功放的传输特性可以描述为KF厂【VF】22其中VIT和VOT分别为功放的输入和输出电压。将此函数以泰勒级数的形式展开，便于分析，只取前3项。VOTLQV,TK2VJ2F坞_3F23当输入信号为单音信号时，即MACOSCO。T，则输出信号为。，三乞彳2毛彳号岛彳3COSCOLT乏1KA2COS2CO。T丢坞彳3C。S3Q，C24，从上式中看到，由于功放的非线性，输出信号中不仅包含有输入信号频率分量，还出现了新的直流分量、二次谐波和三次谐波等谐波分量。其中，基波分量的振幅为Q1075K3墨42】彳，其中KL为线性增益，075K3A2是非线性失真项。当K3O时，KA1075K3白彳2】毛，此时增益呈现扩张特性；反之当K3O的增益扩张特性，可以利用这一特性来将之设计成预失真器【24】。212幅度一相位AMPM失真幅度一相位O蝴P旧失真，是指输出信号的相位随输入信号幅度的变化而变化。对于一个理想的放大器，它的输出信号的相位可表示为圪T2KO256第二章功率放大器的非线性特性和线性化技术其中，KM是常数，PI。T是输入信号。也就是说，输出信号的相位与输入信号的幅度无关。然而，在实际的放大器中，输入信号的幅度调制会导致输出信号的相位调制，所以式25会变成为圪TKMJ,AMCOSCO。MOMT26ROO其中JN是N阶贝塞尔函数，吐是载波信号的角频率。实际表明，当输入为小功率信号时，功率放大器的非线性主要以幅度一幅度AMAM失真为主，而当输入为大功率信号时，幅度相位AMPM失真较之前者对功率放大器线性度的影响更为明显。22功率放大器的非线性指标221输出功率1DB压缩点P，棚图22为用MATLAB对功率放大器的输入和输出关系的仿真图。图中有三条曲线非常重要，分别是理想增益曲线，实际增益曲线和三阶交调失真曲线。图22功率放大器输入与输出关系图7电子科技大学硕士学位论文从图中可以看出，理想的功率放大器，其输出与输入呈线性关系，其增益与输入功率大小无关，如理想增益曲线所示。而实际的功率放大器，当输入功率较小时，输出功率与输入功率呈线性关系，而随着输入功率的增大，输出功率与输入功率的比值将减小，即出现增益压缩现象，如实际增益曲线所示。当功放的实际增益比理想线性增益低LDB时，对应的输出功率值为输出LDB压缩点，即PL曲。当输入功率继续增大，输出功率会达到一个最大点，这一点就称为功率放大器的饱和输出功率点。放大器工作在饱和点附近时，虽然效率可以达到最大，但是线性度会变得非常的差。222输出三阶交截点0IP3三阶交截点表示线性输出功率和三阶互调干扰的功率随输入功率增长而最终相交与某一点，此点的输出功率为OIP3。图22中，三阶交调曲线与理想增益曲线的相交点即为输出三阶交截点OIP3。三阶交截点和三阶交调的关系如下PA厕O，四2置，跏一只，D，锄27PI，DBM是输入功率，P3RD,DBM是三阶交截点，PINTO，DB是三阶交调系数。例如，当一个功放的P1，DBM和P3RD，DBM分别为0DBM和10DBM，其三阶交调系数为20DBE。此外，当一个功放的非线性可以用幂级数展开时，OIP3和PLDB的关系有OIP3日四1063DBM28223三阶交调系数IMD对功放进行双音测试时，输入为两个等幅的不同频率的信号FL和F2。因为功放存在非线性失真特性，所以输出信号的频谱上会有新的频率成分产生，最靠近基频分量的分别为2F1和2龟FL，这就是三阶互调失真分量，如图23所示。由于三阶互调分量与基波频率FL和龟非常接近，即使在窄带系统中也很难把它们从信道中滤除。定义三阶互调系数IMD3为DD3101G之等GIMD0LOG10LOG等等29业二兰生NN8第二章功率放大器的非线性特性和线性化技术其中P表示功率。互调失真分量会造成频谱再生，对相邻信道产生影响。因此对于一个功率放大嚣而言，输出信号的三阶互调失真越低越好。越馨3捌作恶硼频率图23三阶交调系数功放的三阶交调系数指标与输出功率之间的关系如下当输入功率超过P1皿后，如果继续增加输入功率，输出功率增加量会很小，而且三阶互调失真分量也会变得很差。虽然通过回退可以改善三阶交调系数指标，但功放的效率就会变差。因此，在线性度要求不高的场合，通过功率回退是可以达到所需的线性度指标的。但是在线性度要求很高的场合则必须采用合适的线性化技术来实现。224邻信道功率比ACPR在现代数字通信系统中，由于使用数字调制和多载波技术，载波调制带宽会对临信道造成干扰。因为双音信号是未经过调制的信号，所以仅仅通过三阶互调指标来衡量功放的非线性程度是有局限性的。邻信道功率比ADJACENTCHANNELPOWERRATIO，ACPR是用来衡量由于功放的非线性导致的信号功率扩散到临近信道的程度。定义为相邻信道功率与主信道功率之比，如图24所示。图24相邻信道与主信道功率9电子科技大学硕士学位论文ACPR指标对于一个用于WCDMA直放站中的功率放大器而言是相当重要的，因为WCDMA单载波信号的带宽为5MIIZ，当功放的线性度较差时，输出信号的频谱就会拓展，这样原本在5MHZ带宽内的信号功率就会泄露到相邻信道，对相邻信道造成干扰。在WCDMA中，就单载波信号而言，相邻信道是指偏离中心频率5MHZ处的左右两个信道，对这5MHZ带宽内的信号进行积分运算就可以得到相邻信道的功率值。3GPP规定，ACPR需低于45DBE5MHZ。ACPR指标与IMD指标存在一定的近似关系【26】3彳呱CIMD2一胍610109石N万210在式210中，A与B的值可由下面两个表达式计算。彳2N33N22NMODN2211以一十一LZ一，BN2MODN24其中N为信道个数，MODXY是取余函数。225误差矢量幅度EVM212误差矢量幅度EVM定义为误差矢量信号平均功率的均方根和参考信号平均功率的均方根的比值，以百分数形式表示。EVM定义如图25所示。图25误差矢量幅度10第二章功率放大器的非线性特性和线性化技术假设XN是实测信号，RN是参考信号，11为取样序列。则EVM可表示为EVMM213根据3GPP25104RELEASE8规范，当基站系统发射仅为QPSK调制的信号时，EVM应小于175；而包含16QAM调制信号时，EVM应小于125。23功率放大器的记忆效应根据产生机理的不同，记忆效应可以分为两类【27J电记忆效应和热记忆效应。电记忆效应是由于频带内变化的节点阻抗造成的。而其中包络阻抗变化是主要原因，包络频率变化会导致偏置网络的阻抗变化。它的主要表现是在输出信号的频谱中，左右非线性失真分量呈现非对称性，更直观说是ACPR的改善量不一致。所以说偏置网络设计的好坏影响到电记忆效应的程度。热记忆效应是功率放大器的结温造成的。结温会随着包络频率变化，而且放大器的电参量也会受到温度的影响，这样就会造成增益波动和互调失真分量的产生。由于耗散功率引起的温度升高通常与调制信号频率相关，它们决定了互调失真分量的幅度。所以说功率放大器的散热问题影响到热记忆效应的程度。产生记忆效应的来源主要有以下两个方面1偏置网络。偏置网络的作用是给功率放大器供电，不影响射频信号的传输，同时也隔离射频信号馈送到偏置电源，避免功率放大器的不稳定。在设计偏置网络时，偏置网络须被设计成对射频呈现高阻抗。当输入信号为非恒包络信号时，偏置网络的阻抗特性会发生变化，这样就会造成记忆效应的产生。VUOLEVI等人281通过研究发现基频分量阻抗与偶次谐波分量阻抗在带内基本保持不变，而包络分量阻抗特性会随着频率的变化而变化。为了减小由于这个原因所造成的记忆效应，偏置网络的阻抗可以设计成对包络频率呈短路，对射频频率呈现开路状态。2场效应管的耗散功率。场效应管的热记忆集总元件模型如图26所示【2引。场效应管的芯片温度是包络频率的函数，可表示为乃Z衄尽掰E出Z南Q一呸E盥Q一呸214电子科技大学硕士学位论文图26场效应管的热记忆集总元件模型TAMB是周围环境的温度，RRN是直流耗散功率导致的直流分量热阻抗，ZTN是直流耗散功率导致在包络频率下的热阻抗，PDISS是直流耗散功率。从上式的第三项可以看到，芯片表面的温度变化与信号的带宽也有关。如果场效应管的电参量受到温度的影响，那么热记忆效应是不可避免的。所以只能尽可能的去减小场效应管的热记忆效应。改善记忆效应的措施有以下一些1偏置网络的优化设计【291。偏置网络设计在功放设计中非常重要，它应该对射频通路开路，同时保证直流馈电。在实际设计中，可以在合适的位置适当添加一些去耦电容，理论上增加了一些传输零点，使得在包络频率点呈现短路，如前面分析可以有效的减小电记忆效应。但是也要使得偏置网络的阻抗分量在应用频段上保持恒定。2通过双音测试可以观察到三阶分量左右呈不对称，这也是记忆效应的表现。所以从对称性上考虑，电路设计的对称性有助于改善这一点，对称的偏置电路和对称的匹配电路可以用于实际的设计中。3通过算法也可以改善记忆效应问题，现在很多公司通过数字预失真技术来解决这个问题，效果比模拟预失真技术要明显。对算法要求比较高，结构相对复杂，成本也相对高。24功率放大器的线性化技术功率放大器的线性化技术有很多种，从原理上可以分为两大类一类是通过12第二章功率放大器的非线性特性和线性化技术获得相反的非线性失真来抵消功率放大器内部的失真，主要包括有前馈技术、交互抵消技术和预失真技术等；另一类是通过对输入信号进行处理，产生恒包络信号来避免功率放大器产生非线性失真，如LINC技术。241前馈技术图27是前馈技术的系统框副261。通过观察图中双音测试信号的频谱，可以清楚的知道前馈系统的工作原理。输入信号被功分器分为两路，两路分离信号的功率并不一定是相同的。上支路的信号通过主功放，信号被放大，产生了互调失真和谐波失真，同时也产生了噪声。定向耦合器C1对主功放的输出信号进行取样，然后送至相减器180度电桥，而下支路信号则通过一段延时被送至相减器。相减器出来的信号中，即误差信号，在理论上，主信号被完全抵消，只留下了由主功放产生的一系列非线性分量。通过C1的主信号，经过一段延时，延时时间与信号通过A2的时间相同，在输出耦合端与误差信号耦合，它们两者的信号相位相差180度。误差信号经线性功放放大，并送至输出耦合器，与主信号的输出信号进行耦合，以此来抵消非线性分量。输出耦合器存在插入损耗，所以在实际应用，应考虑到这点。图27前馈系统框图目前，已出现了自适应前馈系统【30】，目的在于根据输出特性自动调整系统中的各个控制电压，以达到最佳性能。前馈是开环系统，所以是无条件稳定的，在众多的线性化技术中，前馈能够对线性度提供最大限度的改善。但是前馈系统相对比较复杂，对器件的精度要求相对较高，而且成本相对也大，所以在实际应用中需综合考虑。山吾电子科技大学硕士学位论文242交互抵消技术交互抵消技术是基于平衡放大器的原理实现的。两个功率放大器通过功分器和合路器连在一起，这种结构通常用于高功率输出的场合。如果我们使用相同的功率管、偏置和匹配电路，那么这两个放大器就拥有相同的电气特性。从原理上说，其中一个功放产生的非线性失真用于抵消另一个功放产生的非线性失真。出图28交互抵消原理框图而交互抵消技术是基于上述结构的改进。图28为交互抵消技术的结构框图【3L】。它包括了3个环路载波抵消环路第一环路、平衡放大器环路第二环路、误差信号注入环路第三环路。第一个环路利用一个等群延时的信号相减器，从PAL的输出信号提取误差信号。第二个环路对输入信号进行放大。第三个环路接收来自第一个环路的误差信号，并将这些失真信号通过幅度和相位的调整注入到PA2的输出。这一结构的主要优点是不需要任何诸如预失真器那样的非线性失真信号产生器，因为预失真器对功率放大器的传输函数估计带有局限性，这样会导致线性化效果的降低。另一方面，由于平衡式放大器的两个放大器具有相同的非线性，所以有可能在宽带范围内实现完美的失真抵消。243LINC技术LINC发射机的基本原理如图29所示【321。输入信号通过信号分离器，分成两路恒包络的相位调制信号，分离后的常数包络信号各自经过工作于饱和状态的非线性功率放大器，放大后的信号再进行矢量求和得到原始信号的放大输出，理14第二章功率放大器的非线性特性和线性化技术论上由于恒包络信号经过功率放大器，所以只会产生极小的信号失真。_、WCDMAST娜一、L信号分离一基带信号SCS一图29LINC系统结构框图S尹PP7。烈S1FS2P；O，氲丢即P呦等砷MFS2归三S叫呦等似FPRJSF乡FARCC。S塑K215216217218219其中RT是输入信号包络，RMAX是输入信号包络的最大值，伊F是基带信号相位，臼F是附加相位调制角度。图29中的S1T和S2T为上变频后的射频信号，后再矢量叠加得到最终输出信号SOT。S1FS1FP脚S2FS2TE掣两个信号经过功率放大器SOTS10S2TSLTS2TEJ。TSTE叫220221222电子科技大学硕士学位论文理论上合成器输出信号S0T经过下变频后可以得到原始信号的无失真输出。LINC技术理论上具有100的效率和极高的线性度。244预失真技术在射频功率放大器的线性化技术中，预失真技术的原理相对来说是较简单的。将预失真器与功放级联，通过预失真器产生的预失真信号，来抵消射频功率放大器的非线性失真信号，使得输出信号无失真。这种技术的实质就是预失真器使得输入信号在幅度和相位上产生反失真去抵消功放内部的非线性失真。预失真技术结构框图如图210所示，其工作原理如图211所示。AMAM增益AMPM相位图210预失真技术结构框图AMAM增益AMPM相位出图211预失真技术工作原理预失真系统的效率依赖于以下一些因素1261需被线性化的功放类别。2预失真器的功耗。3在预失真的情况下，为了满足指标，功放输出所需的回退量。4输入信号的包络特性。当输出功率减小时，一般的线性放大器A类、AB类或B类的效率就会下降。一个经过预失真线性化后的放大器，当其对一个非恒包络信号进行放大时，它的平均效率会大大的低于它的峰值效率，当然也会低于未经过线性化时的效率，因为预失真器本身也会消耗功率。然而，效率的减小量主要取决于输入信号的包络特性。为了满足一定的线性度，牺牲效率是在所难免的。对于一个给定了ACPR或EVM指标的系统来说，在很多情况下，它的效率会高于未经过线性化的系统。16第二章功率放大器的非线性特性和线性化技术在某些系统中，仍然会有必要通过功率回退来满足线性度指标。在这些情况下，所需的回退量会降低系统的整体效率。在相同的线性度指标下，预失真系统的效率都要比通过回退来实现的系统的效率要高。因此，当线性度是系统中一个重要的指标情况下，预失真是一种有效的效率提高的技术。预失真技术主要可以分为射频模拟预失真与数字基带预失真技术两类。射频预失真一般采用模拟电路来实现。图2。12为其中一种常见的模拟预失真结构【3引。DELAYLINEATT3DBCOUPLER图212一种模拟预失真技术框图模拟预失真技术的主要优点是1易于实现。模拟预失真系统通常只需要少量的元器件，所以成本相对较低。2无条件稳定。通常模拟预失真技术是开环的，因此它不存在诸如反馈系统的稳定性问题。即使需要自适应系统用于调节增益或相位，它们的更新速率通常也相对较慢与线性带宽相比，所以稳定性容易达到。3易于用在高频段。模拟预失真系统相对的简易性，不需要特别严格的延时单元，这意味着他们可以通过微带电路来实现。特别是基于二极管的预失真器，可以很好的用于微波领域。4较宽的线性带宽。一个模拟预失真器的瞬时带宽通常是很宽的，在这个方面，与前馈系统相似。图213为数字基带预失真的原理框图。它通常应用于改善基站或基站子系统中的功率放大器的线性度，通过FPGA和DSP对基带信号进行消峰，并采用合适的自适应收敛算法来减小临信道干扰。通常的数字预失真系统是一个闭环系统，它通过对输出信号进行采样和下变频，将其转化为基带信号，然后在数字域与输入信号进行比较，通过DSP算法来更新FPGA中的LUT值，所以说数字预失真技术对环境的应变能力较好。17电子科技大学硕士学位论文基图213数字基带预失真系统结构将预失真技术与自适应算法相结合，就成为了自适应预失真技术。图214为一种自适应模拟预失真的结构框图【341。图214一种自适应模拟预失真结构框图从图中可以看到，预失真器由矢量调制器实现，矢量调制器内部由一个可调衰减器和移相器组成。通过DSP算法来控制其偏置电压，达到调节幅度和相位的目的。DSP主要对输入信号和输出信号进行比较，以更新LUT中的查表值，从而实现控制电压的变换。这种结构通过实时监控，克服了数字预失真技术带宽受限问题，同时改善了模拟预失真技术中不能实时监控的问题。245线性化技术的比较在各种线性化技术中，前馈技术具有较宽的矫正带宽和较好的线性度改善量，但是效率很低，自适应前馈技术更是增加了成本。交互抵消技术在成本上也相对18第二章功率放大器的非线性特性和线性化技术较高，而且对器件的精度要求较高，给实际应用与调试都带来很多不便。LINK技术具有极高的效率和线性度，但是它对两条支路的对称性要求很高，同样给实际的应用带来不便。预失真技术具有无条件稳定、成本低、适中带宽等优势。预失真中的模拟预失真系统结构简单、成本低、线性度改善较好、带宽适中。然而模拟预失真的工作带宽受限于模拟预失真器和功率放大器本身的增益和相位平坦度。基带预失真技术显得更为复杂，但这种技术提供了更好的互调失真抑制和自适应性能。从矫正带宽、线性度改善、效率和成本这四个方面综合分析这几种线性化技术。分析情况如表21所示表21线性化技术的综合比较线性化技术矫正带宽MHZ线性度改善DB效率成本前馈25603035低两交互抵消10201520低高模拟预失真1530510中低自适应预失真101510也O中中数字预失真15201520高高从表中可以看到，模拟预失真的矫正带宽较好，成本相对较低。虽然在线性度改善上，与其他线性化技术相比，有一定的局限性。但是在本设计中，通过后面的分析可以知道，模拟预失真技术在线性度改善上可以满足本设计的要求。在效率上，模拟预失真技术处于中等水平。根据上述分析并结合本设计中对线性度的具体要求，经过综合考虑，选择模拟预失真技术作为本设计的线性化方法。19电子科技大学硕士学位论文第三章射频模拟预失真器的研究模拟预失真技术具有电路简单、成本低廉、工作频率高、带宽大、无条件稳定等优点，一直是功率放大器线性化技术的研究热点。模拟预失真器中最重要的是非线性失真分量的产生与控制。本章首先对基于肖特基二极管及场效应晶体管的两种模拟预失真器的特性进行研究与仿真，然后研究模拟预失真器的环路结构。最后通过归纳总结，针对本系统采用了合适的模拟预失真器结构。31射频模拟预失真器基础在模拟预失真系统中，最为重要的是预失真信号的产生。此预失真信号应与功放产生的非线性失真分量幅度相同，相位相反。理论上可以完全抵消功放产生的非线性分量，但由于实际系统中幅度与相位偏差、带宽、平坦度等原因，对线性度的改善效果产生了影响。在功放产生的非线性分量中，三阶交调分量是最主要的失真信号，如果能够将此三阶分量尽可能的抵消至与其他高阶分量幅度相同或更低，那么就可以得到较好的预失真效果。因此，通常的预失真器是基于抵消功率放大器的三阶非线性分量设计的。所以三阶模拟预失真器是预失真器的研究重点。三阶模拟预失真技术结构简单，往往应用简单的模拟器件如二极管就能实现，因此在移动通信的基站和直放站系统中得到了广泛应用。NOJIMA等就是应用二极管实现了一个三阶的模拟预失真器【351。32基于二极管的模拟预失真器研究本节主要针对基于肖特基二极管的模拟预失真器进行研究。首先对肖特基二极管的非线性特性进行仿真，然后研究基于肖特基二极管的串联型和反向并联型两种形式的模拟预失真器，并进一步研究了改进型的反向并联二极管模拟预失真第三章射频模拟预失真器的研究器，它能够减少二阶非线性分量对其他奇次非线性分量的影响。321肖特基二极管的特性研究肖特基二极管的小信号等效电路模型如图31所示【361。CG图31肖特基二极管模型对流过肖特基二极管的电流，可以列出肖特基二极管方程，如式31所示。，LEV41VR_131其中，IS为反向饱和电流或漏电流，VT是热电势，近似值为26MV。图32表示了肖特基二极管电流与电压的关系，两者呈现非线性的特性。可以利用这一特性来设计预失真器。J一V图32电压一电流特性曲线在ADS中对肖特基二极管的非线性特性进行仿真，如图33所示。图34与图35为AMAM与AMPM仿真结果。从图34中可以看到当输入功率较小时，增益基本保持恒定，随着输入功率的增加，增益呈现先扩张后压缩的特性，与功率放大器的AMAM特性相似。从图35APING看到当输入功率较小时，相位基2L电子科技大学硕士学位论文本保持不变，当功率增加到一定值后，相位开始偏移，而且相位偏移量随功率增加而增大。22一。2号2一焉2O222；豢R，二9R。B。喱圉瓷茉，。D基LNACP1TLMRFNUML50OHML。EASFQFREQ214GHZOUTDB州V01UT1QONENINDFLI毒一URI；LI；劬删R，川圈，“曲MLOHARMONICBALANCEI圆燃1ARRNONIC臼A旧NCERFHBM15FREQ1L214GHORDER13SEEPVAR“RF口旷START20STOP10STEPL图33肖特基二极管非线性特性仿真图一一7、1、一I168一O_L2015105O510RFPOWERDBM图34肖特基二极管AMAHT曲线图35肖特基二极管AMPM曲线322串联二极管式预失真器利用肖特基二极管的非线性特性，可以将之设计成预失真器。如图36所示，预失真器由一个肖特基二极管和一个并联电容组成137。3引，输出信号的幅度和相位与输入信号以及偏置电压有关。在固定的偏置电压下，不同功率的输入信号对应的输出信号的幅度和相位也不一样。所以可通过调节偏置电压和并联电容来改变预失真器的特性使之和功率放大器的非线性特性相抵消。虽然它可以应用于宽带射频系统中，但是它对线性度的改善非常的有限，一般只能改善几个DB。对于线性度要求不高的场合可以采用，而且电路结构简单，易于控制。例如在前馈系统中的主功放之前加上基于串联二极管的预失真器，对整个系统线性度的改善可起到辅助作用。第三章射频模拟预失真器的研究V图36串联二极管预失真器323基于反向并联二极管对的预失真器目前使用较多的是基于反向并联二极管对的预失真器【3941。图37为此类预失真器中的非线性产生器。IM3失真分量的产生是通过并联反向二极管对来实现，采用180度的电桥来实现主信号的注入与非线性分量的回注。输入180度电桥输出图37非线性失真分量产生单元根据肖特基二极管的电路模型，通过二极管对的电流IT可表示为ITLOEXPADVTEXPADVT】32将其用泰勒级数展开，可得到砸M【盖警一，妻警笋】2LOA,嵋1ADVRT31AAVRT5】33因为三阶非线性分量是对放大器非线性特性影响最大的因素，为了分析方便，电子科技大学硕士学位论文只取3次方项。这时二极管对可以看成是单端口网络，则二极管反向平行对的导纳YDT可表示为YDT器2IOADA3弦V2】34移向器O度支路的上的线性阻抗可以用来消除二极管对所产生的线性分量，串联电容可以用来补偿二极管对的电抗分量。输出端口上的电压可表示为KA扩F35这样，便可实现三阶分量的产生。在此结构中采用了180度电桥，可以保持对输入和输出之间阻抗特性的良好匹配。在二极管支路中还加入了一个可变电容【421，可用来调节对称三阶分量的相位差别。这一预失真结构实现简单，易于微带电路实现。324仿真结果就基于反向并联二极管对的非线性产生器在ADS中建立模型进行仿真，如图38所示。肖特基二极管模型采用ADS库中的模型。谐波仿真时，双音输入信号功率设置为1LDBM，并相应设置基频分量对消后的IMD优化指标，采用梯度优化。优化前后的结果如图39和图310所示。匝臣匦互固回FQ11P嗍M十OHO呻MT押目州HQF十QDEMFOML2OM巾15MMFLLLRPL2柏旧畸R帕NN_B叫。互EIEO亳PHM”GOA。融OLXMG叫OLT2。“”“”。普。”“”“”圈温RFVNM11401MLHSWM0JO吨2“。P一，一MP，吨L_Q一帅LDI11田口HRP吐ULT扣PL卅却RTR“TL哪40_喊0010_1LO啊图38基于反向并联二极管对的非线性产生器仿真图从图310中可以看到，基频分量经过对消后，IMD3可达到417DBC，对消前的IMD3为245DBC，从而基频信号分量被对消66DB。当输入信号为WCDMA第三章射频模拟预失真器的研究调制信号时，主通道信号对消前后的仿真结果分别如图311和图312所示。对比这两个频谱图，可以看到主通道信号被大量抵消。虽然主通道信号未被完全抵消，但这也符合实际情况。从仿真结果可以看到，此非线性产生器可用于产生三阶非线性失真分量，将其结合其他电路可构成预失真器。言量L13FREQ、GHZ图39基频分量对消前的双音输出信号FREQGHZ图310基频分量对消后的双音输出信号图3一11主信号对消前的调制输出信号图312主信号对消后的调制输出信号325改进型非线性产生器从图37的结构图中可以看到，在这种预失真结构中，二极管对性能的对称性直接影响到非线性分量的成分问题。当二极管对在性能上相同时，只有三阶非线性分量会被注入到主信号之路中。然而在实际应用中，同一型号的肖特基二极管总存在着特性上的差别。这样，预失真器虽然产生了所需的三阶非线性分量，同时也