[硕士论文精品]预失真技术在射频功率放大器设计中的应用

摘要摘要近年来，随着信息产业的迅猛发展，对现代通信系统容量的要求也越来越大。为了追求更高的数据速率和频谱效率，无线通信领域中广泛采用频谱利用率高的线性调制技术盎NQPSK，64QAM等技术，而这些正交调制信号的包络不是恒定的，会导致功率放大器的输出端产生互调失真，引起输出信号的频谱再生，因而要求放大器有良好的线性特性。然而为了提高功放效率，又要求放大器工作在非线性区内。射频功率放大器的线性化技术就提供了一个折衷的方案，它能够改善功放的频谱再生影响，同时能有效提高功率放大器的工作效率。本文从分析射频功率放大器的非线性特性出发，引出了几种常用的线性化方法如反馈、前馈、预失真方法等，并对几种方法的性能优劣作了比较。接着介绍了射频功率放大器设计的基本要点，并以16W射频功率放大器设计为例分析了其具体实现过程，包括用ADS进行直流仿真、S参数仿真、HB仿真，用PROTEL绘制原理图、印刷电路板图等。在此基础上研究了RF预失真线性化方法，对二极管预失真发生器的基本原理、载波抵消性能、不同频率间隔对预失真信号的影响等进行了研究，并将其用于25W射频功率放大器的设计中。然后分析了忽略五阶互调失真对线性度改善引起的误差，预失真发生器与放大器的互调失真的幅度和相位误差对线性度改善的影响，对该预失真电路实现了最优化设计，达到了很好的效果。最后提出了两种分别改善IMD3和IMD5的预失真线性化方法，一种是双路预失真，另一种是混频预失真，并对二者的性能进行了分析。关键词射频功率放大器，预失真，IMD3，IMD5，双音测试，HB仿真一一一垒塑堕ABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFINFORMATIONTECHNOLOGY，COMMUNICATIONSCHANNELSAREBECOMINGINCREASINGLYCROWDED，WHICHPRESENTSTHENEEDFORLARGECAPACITYTOREALIZEHIGHERDATARATEANDSPECTRUMEFFICIENCY，LINEARMODULATIONSCHENLESAREGENERALLYFAVOREDFORTHEIREFFICIENTUSEOFBANDWIDTH；HOWEVER，THEYEXHIBITANONCONSTANTENVELOPEWHICHWILLCAUSEINTERMODULATIONDISTORTIONINTHEOUTPUTOFRFPOWERAMPLIFIERANDRESULTINSPECTRUMREGROWTH，SOALINEARPOWERAMPLIFIERISREQUIREDINTHEOTHERHAND，THEPOWERAMPLIFIERSHOULDOPERATEINTHENONLINEARREGIONFORHIGHEFFICIENCYBYEMPLOYINGVARIOUSLINEARIZATIONTECLMIQUES，THELINEARITYANDEFFICIENCYOFAPOWERAMPLIFIERMAYBEBOTHIMPROVEDTHEPAPERBEGINSWITHTHENONLINEAREFFECTSOFRFPOWERAMPLIFIER，THENINTRODUCESCOMMONLINEARIZATIONTECHNIQUESSUCHASFEEDBACK、FEEDFORWARD、PREDISTORTIONANDTHEADVANTAGESANDDISADVANTAGESOFEACHTECHNIQUEAREDISCUSSEDTHENTHEMAINPOINTSOFRFPOWERAMPLIFIERDESIGNAREPRESENTEDMADTHEDESIGNPROCESSOFA16WRFPOWERAMPLIFIERISPERFORMEDINCLUDINGSIMULATIONWITHADSANDPCBDRAWINGWITHPROTELTHENRFPREDISTORTIONLINEARIZATIONISANALYZED，WHERETHEANTIPARALLELDIODESPREDISTORTIONGENERATORISUSEDFORATWOTONESIGNAL，THREEPERFORMANCEDEGRADATIONFACTORS，HIGHERORDERTERMS，AMPLITUDE，ANDPHASEMISMATCHESAREANALYZEDQUANTITATIVELYTHERESULTSAREIMPLEMENTEDTOTHEDESIGNOFOPTIMIZEDPREDISTORTION25WPOWERAMPLIFIERANDTWOTYPESOFPREDISTORTIONLINEARIZATIONWHICHINDEPENDENTLYCONTROLIMD3ANDIMD5AREPRESENTED，ONEUSESANTIPARALLELDIODESPREDISTORTIONGENERATOR，THEOTHERUSESLOWFREQUENCYEVENORDERCOMPONENTSKEYWORDSRFPOWERAMPLIFIER，PREDISTORTION，1MD3，IMD5，TWOTONETEST，HBSIMULATIONII学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务，学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名利丽柏W。，年月2日经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。指导教师签名嚏盘岛二W，年3月Z日学位论文作者签名捌丽始仉。S年；月2日同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究_L作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。签名胡函坛训。F年多月第1章引言11课题背景第1章引言近年来，无线通信事业在全世界范围内蓬勃发展，无线通信设备的用户，特别是无线手机用户迅速增长。随着信息产业的迅猛发展，对现代通信提出了更高的要求，特别是第三代移动通信技术，其业务范围不仅仅局限于语音，还包括数据、图像等服务。随着市场的拓展，要求通信系统容量不断扩大，信息的可靠性，安全性不断提高，致使通信频段越来越拥挤。为了改变这种局面，人们应用了各种技术提高现有频段的频谱效率，比如采用减小信道宽度，时变信道预分配、动态及混合信道分配、延迟连接服务等方法来增加信道数采用可变比特率控制、不占用空中通道的呼叫启动、减少未完成的呼叫等方法来减少无效的频谱占用；采用信息压缩的方法在不损失信息量的前提下降低话务量采用低比特率语音编码、降低符号速率等方法实现低数据速率传输采用高效的数字凋制技术如64QAM、74QPSK，以达到更高的用户密度和更广泛的信道空间分配；这些措施都能有效提高频谱的使用效率。因此现代通信的信息传输正朝着大容量、高速度、多载波方向发展。这样，随着信道宽度的减小，频率利用率的提高，随之而来的问题是带外辐射的增加，造成对邻道干扰的增加。出现这种情况的主要原因是在无线通信系统中，存在许多非线性器件，比如放大器、混频器等，特别是功率放大器，它用于放大高频信号，并提供足够高的输出功率以实现最大输出，因此功率放大器常常工作在非线性区甚至工作在饱和区的附近，此时功率放大器呈现出一定程度的非线性响应。因此，随着输入信号功率的增加或者当输入多载波信号时，待放大的载波信号之间相互作用，产生了互调失真IMD产物。这些互调产物会导致对带外信号的干扰，并且会对使用功率放大器的系统性能产生有害影响。而且在线性调制方案中，EH于信号包络是起伏的，故对功率放大器的线性度非常敏感。传统的改进功率放大器线性的方法是采用线性度较好的甲类或者甲乙类放大器，尽量使信号工作于功率放大器的线性工作区，同时结合功率回退等措施第1章引言来避免产生失真产物，满足系统对功率放大器线性度的要求。功率回退法，使功率放大器工作在远离PLDB点，一般回退大于3D13，功率放大器才有较好的线性。这样做将大大地浪费功率放大器的功率容量，降低功率放大器的使用效率，即功率放大器线性的改善是靠系统的效率和增加系统的成本为代价的。当需要较高的发射功率时，往往受到当前功率器件输出性能的局限而无法实现。同时对于一些对互调失真指标要求比较高的系统，使用功率回退法无法达到指标要求。因此为了适应现代通信系统发展的要求，有必要采用线性化技术来对射频功率放大器进行改善，以提高系统的性能，减小系统体积，降低系统的需求功率和系统成本。采用线性化技术可以有效消除系统内的干扰和失真，特别是对于功率放大器来说，可以在给定失真指标的情况下，工作在更高的功率电平上，可以提高功率放大器的最大输出功率、效率，并改善功率放大器的线性度，增加功率放大器的工作带宽，使其符合无线通信系统的指标要求。12国内外研究现状线性化技术由于其在卫星通信、数字化广播发射机、蜂窝基站、直放站、手机等中的广泛应用，已经越来越受到国内外无线通信系统设计者的普遍关注。可以说，只要单元电路输入信号中存在多个频率分量，就必须考虑线性化问题。而在CD淞或WCDMA的基站中，即使是单载频也需要采用线性功放。这是因为CDMA是随机包络的宽带信道，如果采用一般的高功放通常工作于甲乙类将由于非线性的影响产生频谱再生效应。因此，在高功放的基础上必须对其进行线性化处理，它可以较好地解决信号的频谱再生和EVIVL误差矢量幅值问题”。目前国内外各种文献中研究了许多种用于射频功率放大器的线性化技术，其中最重要的是前馈技术和预失真技术。前馈技术比较成熟而且性能稳定可靠，但是这些优点是用高成本换来的，而且在前馈电路的校准环中需要一个辅助功率放大器，使得总效率有所降低。而预失真技术电路结构较为简单，成本较低而性能适中，因而在小功率射频功放的设计中得以广泛应用。在工业界，射频功率放大器的线性化技术也得到了足够的重视。始终走在移动通信前沿的中兴通讯，在WCDMA基站产业化建设的过程中取得了不俗的成绩。据中兴通讯WCDM3产品总经理李迎风先生介绍，中兴通讯在掌握基站核心的第1章引言基础上一方面致力于提供高质量的基站设备，另一方面也不断致力于降低基站的成本。通过在基站中应用自行研制的线性功放，曾大幅度降低设备成本。接下来即将进行预失真线性功放的研制与开发，预计它的应用将更能大幅度的提高系统效率。其它一些移动通信公司，包括华为等知名企业，也都在致力于预失真线性功放的研究与开发，以期待提高系统效率，降低基站成本，适应于移动通信的高速发展。13本文内容安排本文在第二章对射频功率放大器的非线性现象进行了分析，包括单音测试分析、双音测试分析以及ACPR分析，阐述了PLDB、IMD、ACPR等概念以及几者之间的关系。第三章对各种常用的线性化技术作了综述，并对它们性能的优劣作了比较。第四章阐述了射频功率放大器设计的有关概念，如效率与线性度的折衷，匹配和偏置网络的设计等，并用ADS仿真设计16W射频功放，最后用PROTEL绘制原理图、印刷电路板图。第五章讨论模拟预失真的最优化设计并将其应用于25W射频功放的设计中取得很好的效果，并提出了二种预失真线性化方法分别抵消IMD3和IN5，并对其性能作了分析。第2章射频功率放大器非线性分析第2章射频功率放大器非线性分析一个理想的功率放大器应该是输出和输入成线性关系，即VOW02K，其中K为放大器的电压增益，它的值是个常数。这时放大器的输出波形与输入波形一致，两者成正比关系。在频域上看来，无论在放大器的带内还是带外，都没有引入新的频率成分。同时，一个理想的功率放大器应该是无记忆的，即其输出电压是其输入电压的瞬时函数。但是在实际电路中，输出和输入往往不是线性关系。它们总是成一定的非线性关系。此时放大器具有非线性的增益、相位和记忆效应。即当信号通过功率放大器时，输出信号幅度与输入信号幅度之间是非线性的，这种现象称为AMAM效应，而输出信号的相移大小也随输入信号功率的大小而变化，这种现象称之为AMPM效应。从另一个角度来看，如果我们假设功率放大器是无记忆的，并且其非线性很弱这是大多数通信系统的情况，则其输出电压一可用输入电压M的幂级数来表示，如式21所示VO。K1K2V。2K3踞F当输入不同的激励信号时，放大器的非线性分析如下21单音测试分析在研究具有适度非线性的系统时，圪W只需用式21的前三项表示就足够了，即VO。K1V,K2吆局吃22所谓单音测试，就是用单一频率的正弦波信号作为激励，从而观察系统响应的测试方法。令输入信号2。08R，则由式21可得输出响应为圪WKLACOSCO，K2A2COS2。，TK3A3COS3，T12K2AZK彳丢KSA3COSPLZKA2COS2TO1Q刚3COS3唧23第2章射频功率放大器非线性分析由式23可以看到，输出信号中除了有基波分量外，还包含直流信号和二次，三次谐波分量。其中基波分量的系数是墨爿1云墨7K，该系数在蟛O时，大于K爿；而在KS20输入输出驻波比141直流输入电压VDC27电流A20接口型式SMA外形尺寸M20010028432功率输出级设计MRF9180作为功率输出级，是本文设计的16W射频功率放大器的核心器件。其性能仿真如下1、直流仿真直流仿真的目的是选择工作状态，确定静态工作点。首先从ADS的PALETTE面板中选中MOTOROLALDMOSMODELLIBRARY，从中选定MRF9180放置电路图中。然后插入ADS提供的模板TEMPLATEBJTCURVETRACER，再插入直流仿真控制器DC和PARAMETERSWEEP。在直流仿真前，首先在VAREQN中对VD年HVGG初始化，分别在DC中设置变量VD，在PARAMETERSWEEP中设置VGG，并且设置SIMINSTANCENAME1”DCI”，指向DC仿真控制器。仿真后由存放在DATASET中的数据就可以得到关于MRF9045特性的IDVDS曲线，如图4，3所示，从中可以确定静态工作点，VO27V，VGG378V，ID25A。MRF9180的直流偏簧电路比较简单，一般只需要添加各种数量级的滤波电容，滤波电感以及高频扼流圈RFC就可以了，但在设计这一部分的电路时，有两第4章射频功率放人器设计个问题特别值得注意1高频扼流圈RFC对直流信号起到短路的作用，而对射频信号起到开路的作用，由于射频功率放大器处于高频工作状态，为了减小系统损耗，在实际A应用中，往往会将高频扼流圈RFC更换为4其中，兄为信号波长传输线。2在晶体管的栅极直流供电部分及漏极直流供电部分都需要加上铁氧体磁珠FERRITEBEAD。它实际上是一个玎型低通滤波器，放在直流供电部分可以防止射频信号窜到直流部分，从而起到了隔离射频信号，稳定直流状态，防止工作点漂移的作用。旺里五O，图43直流仿真电路及仿真结果2、大S参数仿真通过大S参数仿真来完成输入输出阻抗匹配，使功率放大器的增益达到预一一一第4章射频功率放大器设计定指标。建立如图44所示电路图，加入P1TONE激励信号源，负载端接50欧姆TERM。选用LSSP仿真控制器，将FREQ1，LSSPFREQATPORT1，LSSPFREQATPORT2均设为RFFREQ，使三者保持一致。LSSP1ARGESIGNALSPARAMETERS是用于非线性电路仿真的，所以它仿真时考虑到了电路的非线性特性，如增益压缩等，即S参数会随着输入功率的不同而改变。仿真后可以得到DBS2，1，DBS1，1及DBS2，2的曲线，但由于MRF9180的输出端要接隔离器，以保护放大器受到大驻波的损坏，因此对其DBS2，2性能指标要求不高，而主要以DBS1，1和DBS2，1指标达到最佳为设计的标准。从仿真结果图45可以看出，由MRF9180构成的功放级电路可以获17DB的增益，而此时的输入端也达到了良好的匹配。图44S参数仿真原理图RF舾A图45S参数仿真结果3、单音仿真本文利用谐波平衡法实现单音仿真，从而测定MRF9180的AMAM曲线和AMPM曲线，可得到该功率放大器的可用功率范围。单音仿真的建立与大S参数仿真基竺一第4章射频功率放大器设计本相同，只是采用的仿真控制器不同。本文采用双层SWEEPPLAN的方法进行单音仿真，即在HARMONICBALANCE中设置SWEEPPLAN为COARSE，然后在COARSE的SWEEPPI。AN中设置SWEEPPLAN为FINE，仿真结果如图46N示。从仿真结果图中可以看出，当输出信号的功率在48DBM以下时，增益的线性度很好，当输出功率继续增加时，增益开始急剧下降，即功率管开始增益压缩。从AMPM曲线图中可以看出输出信号的基波分量相位随输出功率幅度的变化。圈GAINDBMVOUT】RPWR8。DBM_OUT图46AMAM和AMPM仿真曲线4、双音仿真双音仿真仍采用偕波平衡法，得至UIMD特性，即三阶交调失真特性。将激励源换为PNTONE，将FREQ1设为RFFREQSPACING2，FREQ2设为RFFREQSPACING2，其中RFFREQ8805MHZ，SPACINGLMHZ。仿真后在DATASET中绘出IMD曲线图，基本达到预定指标。厩磊习慝磊习地血芷型崔壅崮L曼竺芷魁女燕舀1；_|掌妒节甲433整体电路性能仿真TLBN图47IMD仿真结果蕊；习色鱼立生型芝堡型聪磊翮坦墅尘巴坚邕韭二型从以上仿真可以看出核心器件MRF9180的基本性能符合指标要求，可以用来作为16W功放的功率输出级。然后将ECG008、MHL9838和MRF9180级联起来，仿真第4章射频功率放大器设计电路的整体性能，主要仿真有大S参数仿真和双音谐波平衡仿真。仿真器的建立与上述相同，仿真原理图及结果如图48、49所示。从仿真结果可以看出，该16W功放的增益达到了61DB，输入驻波比和IMD性能也都达到了指标要求。图4,816W功放仿真电路原理图愿磊I地旦叠型业二崮薜习世垦面型曼望里J1M21，亨亨I_|罕甲LL图49S参数及IMD特性仿真结果茎雌讣“O乏雌圣OG一一JS1日口忡如O帅一，SE第4章射频功率放大器设计434控制电路简介为使射频主电路能够持续正常工作，必须有一系列的控制电路来监测和控制主电路的工作状态。监控系统主要由外部电路和单片机的汇编程序两个部分组成，所要完成的主要任务有1给单片机和射频主电路分别提供5V和10V的稳定直流电源；2过温度检测及温度补偿功率放大电路工作一段时间后，要耗费大量的电源能量，这些能量一部分会转变为热能释放出来，因此工作温度将会不断上升，为了不损坏功率管，当温度大于85摄氏度时要关功放并报警，当温度回落到60摄氏度时功放自动恢复工作并撤销报警信号。当温度未达到上限值但对射频电路的性能已经产生了影响时，必须采取温度补偿措施来使器件的偏置电流保持恒定。温度补偿电路是通过给功放管在不同温度时提供不同的偏置电压来实现的，通过ADS仿真获得不同温度下功放管正常工作所需要的偏置电压，如图410所示，可见温度升高时所需的偏置电压相应减小。4LL慧囊澳燮浚缀攀粼L蒸凌鬻浚蘩鬻蒙篓IL戮|IL蒸4L熬燃骥躺麟鬣蝥葱懑熬麓瀚鬻鬻鬻戮霖燃燃艨燃爨瓣萎篓麓39攀L|L缫L羹L潮麓黧震黥熬鬻鬻辎戮LL燮糍攀蒸糕蒸潍鬻鬻瓣缝篓巍黼，、38缀瀛LL戮糯燃戮鬟豢L鬻黝照曩鏊燃簿燃逐遴邑37渊攀爨鬻溅鬻蕊黼麟羹鬻麓翁麟溺委蒸蠢蓊荔_ILJ鬻篓嚣鬻爨灞霁鬻霭L妻麟姿36麟燃懑黪勰麓濑粼淄瀚燃鬻辫粼黼蒸麟霹鬻黼糍篷鋈鋈35麟黼燃勰黼粼辫缫燃黼燃I燃鬻燃攀攀燃；34熏瓣I缫；瀛戮燃麓蒸戮溺鳞霪霉燃|然燃燃攀I颡嚣嚣I嚣骥攀燃戮黼戮蕊戮戮懑滚戳躐勰溱蕊L戳渤4020020406080温度摄氏度图410偏置电压随温度的变化特性图3过功率检测，当功率大于45DBM时关功放并报警，当功率小于45DBM但不等于43DBM时，利用衰减器将功率调整蛰J43DBM。4VSWR检测，当负载VSWR大于2时，发出报警信号；功率检测和VSWR检测的实现都需要从功率输出级耦合出功率信号，其中VSWR检测需要耦合出前向功率和反射功率，这些功能是通过微带线耦合器来实现的，原理图如图411所示第4章射频功率放大器设计图411功率耦合原理图微带线的长宽及间距决定了耦合功率的大小，根据检测的需要在ADS仿真得出微带线耦合器的各项参数，仿真原理图及结果如图412和图413所示图412微带线耦合器仿真图413功率耦合仿真结果5偏置检测，当射频电路的偏置出现异常时，关功放并报警6电流检测，当电流过大或是过小时都要关功放并报警。435功放电路原理图及PCB设计对功放电路的射频和控制部分设计好之后，电路模型就完全确定了，但是第4章射频功率放大器设计一个设计要投入到具体的实际使用中，中间还有一个很重要的步骤，那就是必须制版。几乎每种电子设备，只要存在电子元器件，它们之间的电气互连就要使用印刷线路板。印制电路在电子设备中具有如下功能提供集成电路等各种电子元器件固定、装配的机械支撑；实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接或电绝缘；提供所要求的电气特性，如特性阻抗等。为自动焊锡提供阻焊图形，为元件插装、检查、维修提供识别字符和图形。印制电路的设计要采用专门的EDA软件，在本设计中使用的是ALTJUIII公司的电路设计软件PROTEL99SE。1、J6W功放原理图设计对于电子电路设计者来说，如要设计一个电路首先要进行原理图设计，然后再进行PCB设计，原理图是电子电路设计的基础，原理图设计的好坏直接影响到后续工作的进行，如网络表的生成、印制电路板的设计等等。一般而言，原理图的设计工作包括以下步骤1对图纸进行设置。2确定整个电路图的总体布局。3放置好元件并连线。4对元件和连线进行调整和修改。5报表输出。6保存并打印。本文设计的16W功放原理图如图414所示图41416W射频功放原理图第4章射频功率放大器设计2、16W功放PCB设计利用PROTEL99SE进行印制电路板设计的步骤可具体描述如下1绘制原理图。根据设计要求设计电路原理图，并完成原理图的绘制。对于特别简单的电路图，也可以直接进行PCB的绘制。2PCB系统设置。这是印制电路板设计中非常重要的步骤。主要内容有规划电路板的结构，即确定电路板设计的框架，设置系统参数等。比如采用几层板，是单面板还是双面板，零件采用什么样的封装，如何布局。设计系统参数主要是设置元件的布置参数、板层参数和布线参数等。3修改零件封装和布局。射频功放电路中，射频主电路属于模拟电路，而控制电路属于数字电路，所以模拟器件和数字器件要分开，模拟信号的传输路径和数字信号的传输路径要分开，模拟地和数字地也要分开。4殴置PCB布线规则。布线规则包括安全问距、导线形式等。5布线。6存盘、打印、结束。本文设计的16W功放原理图如图415所示划41516W射频功放的印刷线路板图第5章RF预失真线性化方法研究第5章RF预失真线性化方法研究从上一章分析可以看出，在众多射频功率放大器线性化方法中，预失真线性化成本较低性能适中。其优点不仅在于它的电路结构简单，而且功耗相对于前馈技术而言低很多。另外，由于模拟预失真方法是采用的开环控制方法，所以它的放大器频带宽度要比反馈方法宽。通常，为了提高功率放大器的工作效率，其功率管均工作在甲乙类状态。这时，放大器输出信号不仅包含三阶交调失真，而且还存在更高阶的交调失真成分，其中五阶交调失真成分是最为主要的。因此如何抵消三阶和五阶交调失真成分显得尤为重要。51RF预失真技术基本原理上一章已经简单介绍了预失真的基本原理，实现RF预失真技术的具体电路如图5。1所示。射频输入信号通过功分器分为两路，在功率放大器前又合成一路。下面一路包括失真发生器，复矢量调制器，上面一路是延时线。通过调节复矢量调制器，使得上面一路的射频信号和下面一路的预失真信号成180度反相，并使预失真信号的功率幅值能够抵消功率放大器的失真信号。延时线使得上下两路信号的群延迟相等。当两路信号在功率放大器前重新合成时，就会产生这样一个信号，它的失真信号与功率放大器输出失真信号成180度反相。这个预失真信号输入功率放大器时就会抵消功放的失真信号。这种技术相对其他预失真技术较为简单，但要起到好的效果，要求预失真信号幅度能够抵消功率放大器输出失真信号，并且在相位上相差T80度，这既对预失真发生器提出了较高的要求，同时也要求能够很好的控制复矢量调制器。3。图51预失真原理图31第5章RF预失真线性化方法研究XACOSCOITACOSC02，则根据式22可以得出放大器输出信号的带内谐FUND。,P；A3C3AC6萼如，I亍吒1IM3AMP三A3A3警如，1M52“S53设IMD3一一表示放大器的三阶交调系数，即峨，瓦IM3DMP万A3万A32等虿ASA5。，TMD5一表示放大器的五阶交调系数，即一5急2蒋5ASA5，ZACOSCOLFACOSC02TBE“COS2C01一2BE鹏COS2C02一156其中引，2表示预失真发生器产生的三阶交调失真的相位，B是其产生的三。IM3；A3A3I25LLVLAMP如，髓，B一示为肛了2蒋谢G为阶交调失真的幅度，可以表示为44，其中G为第5章RF预失真线性化方法研究调节矢量调节器使得预失真发生器三阶交调失真的相位引，驴2，幅度B选值合理时，放大器的三阶交调失真将得以很好的抵消。52对二极管预失真发生器521基本原理从上面分析看出，模拟预失真线性化电路的关键组成部分之一是预失真信号产生电路。在众多预失真信号发生器中，最简单、应用也较为广泛的一种是用反并联二极管产生预失真信号。本文采用的电路就主要由HYBRID和两个并联的二极管组成，其中并联的二极管是产生预失真信号的，而电阻和电容用来降低载波信号，使之与预失真信号相比不至于过高。本文选用SKYWORKS公司的一系列肖特基二极管来做仿真实验，首先采用SMS3922二极管。由于在不同工作频率和输入功率下，该模拟失真发生器产生的预失真信号不同，所以首先根据给定的工作频率和输入功率在ADS中做HBHARMONICBALANCE仿真，确定预失真信号。当工作频率为880MHZ时，仿真电路图及结果如图52及图53所示。恶嘎已圆三巫四Z50CHRNSMS34922等”。8“VJ0N59“圈溢是一F。05唑赫茹。B目0VZ二。ITM,。1鼬“荦晶杀MR5。OMNOOPT0010MTO“I00NML图52预失真发生器的仿真原理圈一塑至堕塑叁塞垡丝些立鲨婴塞。尹。手了了RI了彳|J蹁一。一J怕8MVOUT1761JP4】E。O上QDBRNVOUT2435一管RI瞪QE83。MHZ毫如D图53预失真发生器产生的预失真信号从上图可以看出，载波信号与失真信号相差很多，于是需要优化电容与电阻值。在ADS中优化的实现如图54所示乓梁飘匿三显夏至互兰黧。，图54优化载波抵消的仿真原理图经过优化后，预失真器的输出信号如图55所示图55优化后预失真发生器的输出信号第5章RF预失真线性化方法研究虽然这个预失真发生器结构简单，但是通过优化选择合适的电阻和电容值，可以很好的抵消载波信号。522不同二极管对预失真信号的影响选用不同的二极管，分别对电阻电容进行优化后，载波信号抵消结果如图56所示图56不同二极管的载波抵消效果从图中可以看出经过优化后，SM3926对载波抵消的效果最好载波抵消效果最差。对SMS3926的优化仿真结果如图57所示愿IDBMEV，090UTMI“8I。912009S黑A880OMHZFRM2Q881OMHZIDBMVOUT2364女DBRNVOUT2331GM5西窜留心节番”“FOMHZREQ882DBMVOUT一18654。FFFRN61|_|DR8EQM8V8。3UT0M一2H4Z20J876A77878879883B81882883884885FREQMHZ图57采用SMS3926产生的预失真信号从上面分析看出，SMS3926产生的预失真信号载波抵消最好，因此本文选用笙雯堕翌叁塞垡生些互鲨型塞SMS3926作为预失真发生器的二极管。523不同的双音间隔仿真当改变双音输入信号的频率间隔时，三阶和五阶交调失真变化不大，如图58所示JIRIJ11IL壬己T己己524应用图58不同频率间隔对互调失真的影响在上一章中，我们设计了16W射频功率放大器。当该功放的输出功率达到25W时，非线性失真明显增大，如图59所示刁I隔二IJ二慝EE仙MHL旧B南、，OUT41028LLMVOU1叫1107FN15M3M4M6LM4I1R11芦丫。I仃0DB铲MV8备掣棒ESEIJJLIBMEEVOSUDBVOUT删。1H4F229图59无预失真技术时放大器的输出信号25W将上述预失真电路用于该25W射频功率放大器设计中，电路原理如图510所一塑芎曼占二堡五芎善粤I磊戛匦甄笙至堕堡叁塞些些些立鲨婴塑图51025W预失真射频功率放大器原理图在ADS中做双音仿真原理图如图511所示，仿真结果如图512所示，从图中可以看出，IMD3和IMD5分别改善了5DB和3DB。图51125W预失真射频功率放大器仿真原理图L材。MHZII嘀。10MHFIDB南VOUT4108阳BMOUT4117IM1RRIZ1R1R1M5髓舔黜M_1HZ975嗲曾雩节M6FREQ0030MHZFILDBRHOUT一1736图5，12采用预失真技术后的仿真结果25W除一懈哥习。墼群第5章RF预失真线性化方法研究53预失真方法的最优化设计531忽略五阶互调失真引起的误差”从上曲理论分枷以及仿真结果口J以看出，该坝失具电路仅对IMD3有较好的改善，而IMD5改善不大，这是由于预失真发生器产生的预失真信号经过主功放时会产生额外的五阶交调失真。具体理论分析如下在该预失真电路中，主功放的输入信号可以由式56表示，则将式56代入22中，可得输出信号总的五阶交调失真为IM5PD删【4B已埔242BEUM】吩I57丢邶一4IA4B】I15BEJ“2A2肌吖；们N，定义肌缈5”为总的五阶交调系数，并设A为1，则此时BIMD3一，将IMD3一用AS表示，则IMD5PDAMP瓦M而5PDAMP争婶2十嘲吗言【如埔4婶吖23925ALI“3了口558综合N3和Z彻5W表达式可以将“，口3用1MD3一，N5一和吒表示，则上式可以化简为IMD5513E鹏32E72卉；3E73如；2已7；一；P照P2破3当A，屯分别等于90。和180。时，N5M一达到最大，为第5章RF预失真线性化方法研究或者用DBC表示为其中TMD5。缸513A32；1351020LOG【10B72。】日一310672。斗2106H71”11T舻“均1L神粥如20HGAA20LOGIMDAAMP屯；20LOGA5一2FTLOG1MD5MJ，511根据上式可以估算出当功放输出功率不同时，五阶交调失真的恶化最大值，如图513所示图513五阶交调失真的最大恶化值另外，该式也限定了可以达到的最好的线性化目标。532幅度和相位误差从预失真发生器的原理可以看出当调节矢量调节器使得预失真发生器三阶交调失真的相位弘，母2，幅度B选值合理时，放大器的三阶交调失真将得以很好的抵消。事实上，当预失真发生器的幅度和相位误差在一定范围内时，仍然可39第5章RF预失真线性化方法研究以达刽于贞定的线性化目标。1幅度误差设预失真发生器的幅度误差为N占，相位没有误差，即相位可以完全与放大器的三阶交调失真抵消，则放大器输出端口未被抵消的IMD3可以表示为1MD，旷瓦GZXBA。，。其中G为放大器的增益。当给定线性化标RDBC时，容许的幅度误差可以用下式表示吲绷WLI将56和59代入上式，可得M鲫脚畿即州彬删鼓设易为预失真发生器三阶交调失真的真实幅度B曰与理想幅度B之比，。跏学；T书警即B。R。1卡矿根据510，可得1一L【一粕J，2。JSE_1十LO一6，20517从上式可以看出，已知放大器的三阶交调失真N3“”和线性化目标拈。时，可以得出预失真发生器的幅度误差范围，如图514FI际第5章RF预失真线性化方法研究鲁删蟛髓壁图514预失真发生器的幅度误差范围对于本文25W预失真功放，IMD3的仿真结果及幅度误差上下限如图515所示。可以看出，当输出功率增大时，对于幅度误差的要求越来越严格。图51525W预失真功放的幅度误差范围2相位误差当预失真发生器既有幅度误差又有相位误差时，放大器输出端口未被抵消的IMD3可以用矢量图5。16表示为41第5章RF预失真线性化方法研究图516幅度和相位误差的矢量图则预失真发生器产生的总的IM3可以用下式518表示岫。卜肛习2可瓦再五F2I习面习五而若需要线性化。扭C，则应该满足式519IMD3F。F化简得518型竺兰生笺竺I竺兰竖兰竺羔。俨。FUND，”J19蚓IMD3。,M,娲抽21MD3。M气E一12101从中可以求出相位误差应满足式52042箍第5章RF预失真线性化方法研究圳I2SINIB10【吖LIMD3。P2如一12EAIMD3MMP2JR5。20将该不等式关系绘制成图517口善利嘟剖里图517给定幅度误差时的相位误差范围从上图中可以看出，幅度误差限定了IMD3的改善能力。而且负的幅度误差比正的幅度误差能够容许更大的相位误差。2给定相位误差时的幅度误差最优值上而分析了给定幅度误差时，若要达到线性化目标相位误差的允许范围。当预失真发生器与放大器之问存在相位误差时，可以通过合适的选择二者之间的幅度误差使得线性化达到最优，如下列矢量图518所示图518给定相位误差时的最优幅度误差矢量图墨I主堕望签塞垡些些查鎏婴窒即OF口十媳露秽一疗CA鳓，汹口|曼9酽。拶嚣。A廖将占。21厂一。1书可代入上式，可得给定相位误差时的最优幅度误差为取ML一。08剑R521从该式也可以看出，当幅度误差为负时，容许的相位误差范围将增大。将式521中幅度误差的优化值和相位误差的关系用图519表示533仿真实验相位谩差DEEREE图519相位误差与最优幅度误差关系图在25W射频功放电路中仿真时，首先固定预失真环路的衰减不变，观察相移的变化对IMD3的影响，仿真结果如图520所示曼坚100O罢罢O；_。O，。一_30405060丁08090PIMD3RDIPQMD3RDU图520相移对IMP3的影响44第5章RF预失真线性化方法研究从上图可以看出相位误差对IMD3改善的影响，即当相位从8L度正向增大或者反向减小时，IMD3性能变差；当相位为81度，IMD3达到最优。于是固定预失真环路的相移8L度不变，观察衰减器的变化对IMD3的影响，仿真结果如图52】所示ZZ山山妄妄PIMD3RDLPLMD3RDU图5，21衰减对IIVID3的影响从该图中可以看出，当调节衰减器即改变预失真信号的幅度时，放大器的输出互调失真会随之改变。当衰减幅度在ODBLDB之间和LDB2DB之间时，三阶互调失真的性能是一样的；衰减幅度在2DB一LDB之L训和一LDBODB之间时，三阶互调失真的性能也是一样的。可以看出当衰减为LDB左右时，IMD3性能最好，也即此时的幅度误差最小。综合上述仿真可以得出结论，当衰减为08DB，相移为8L度时，IMD3性能达到最优，仿真结果如图522所示11M1RI一EI王0MHZDBRNVOUT26083F乒譬IM6辛9TT十DBEQMVSE。AUI0。M1H8Z444图522最优化结果25W45第5章RF预失真线性化方法研究54双路预失真541方案设计如上文所述，对二极管预失真发生器仅对三阶交调失真有效改善，而对五阶交调失真没有明显改善。而当功率放大器输出功率较大时，晶体管工作在甲乙类状态，这时IMD3和IMD5的成分相接近，甚至IMD5有可能大于IMD3，因此需要分别抵消IMD3和IMD5。在对二极管预失真电路的实际运用中，发现IMD3车WIMD5的改善始终处于一种相关的状态，即调节衰减器和相移器时，二者不能同时改善，而是当IMD3失真较小时，IMD5失真变的较大，反之亦然。因此本文基于对_Z极管预失真发生器提出了改进的方法，即将预失真信号支路分为两路，分别控制三阶和五阶预失真信号，从而使IMD3和IMD5同时得到很好的改善，原理图设计如图523所示。其中矢量调节器由可变衰减器和相移器组成。半三舞_侈些；了歹丫7一一I厂1L降画H卜。LL兰兰召一542仿真实验及分析图523双路预失真原理图将该预失真技术用于5W射频功率放大器设计中，以观察其性能，并将其与单路预失真作比较分析。我们采用LDMOS晶体管MRF9045作为5W功率放大器的功率输出级，ECPL00放大模块作为放大器的驱动级，ECG002年NECG008放大模块作为增益级。它的设计方法及过程与16W射频功率放大器类似，在此将基于它对双路预失真的性能进行仿真分析。当采用图51所示的单路预失真技术时，在ADST辛做双音仿真结果如图524所示第5章RF预失真线性化方法研究瞎D蒋溢T削I，5JIBMVOU161Q雩豫DBRNIEVSO裂62JUI_一11Q图5，24单路预失真仿真结果当固定预失真发生电路的相移不变，改变衰减时仿真结果如图525所示可以看出IMD3和IMD5随变化的改善性能。嚣婆幽525衰减变化对IMD3和IMD5的影响单路预失真同理可以观察IMD3和IMD5随相移变化的改善性能，如图526所示。313蓥IL图526相移变化对IMD3和IMD5的影响单路预失真47困必匾。一笙兰堕塑叁塞垡堡些查鲨婴塞当采用图523所示的双路预失真时，分别改变上下支路的衰减和相移，可以得到如下仿真结果，如图527和528。图527衰减变化对IMD3和IMD5的影响双路路预失真图528相移变化对IMD3和IMD5的影响双路预失真对比单路和双路预失真仿真结果，可以看出双路预失真由于可调节量比单路预失真多一倍，因此当调节双路预失真上下支路的衰减和相移时，IMD3和IMD5的改善范围变大。同时可以看出，调节相移对IMD3平HIMD5的影响较大，因此以相移为例分析双路预失真。从仿真结果可见，当调节单路预失真相移时，IMD3变化范围为37DBC54DBC，IMD5变化范围为49DBC57DBC；而调节双路预失真上支路相移时，IMD3变化范围为42DBC60DBC，IMD5变化范围为50DBC67DBC，调节下支路相移时，IMD3变化范围为39DBC57DBC，IMD5变化范围为50DBC58DBC。即双路预失真对IMD3年HIMD5的改善范围要比单路预失真的大，因而可以通过调节衰减器和相移器到合适的值，实现对IMD3和IMD5的同时有效改善。将该技术用于上述5W射频功放设计中，在ADS中做双音仿真原理图及结果如第5章RF预失真线性化方法研究N529和图530所示，可以看出与单路预失真相比，IMD3MMD5黼3DB。图529双路预失真仿真原理图“酲苤T望墨望尘F眨品；834OMHZLS。坦上LA；M而百115OI芏翌竖筮型卜。55混频预失真图530双路预失真仿真结果551设计方案及理论分析F百IFREQB370MHZL旧自MVOUT】2一90661M6FREQ83BOMHZ|D日MCVOU”T17981I由于低频偶次IM产物被基频信号调制时能够产生带内奇次IM产物，所以本文通过基频信号分别调制低频二阶项QQ和四阶项2一血，产，JF_IM3NIM5，从而分别控制三阶和五阶交调失真成分。该混频预失真电路如图531所示，射频输入信号经功分器分为两路，路为主通路，另一路经包络检波电路提取出2”一Q，经乘法器倍频后产生二次项一01，二次项再倍频产生四次项2吐一2以，然后二次项和四次项分别经双平衡二极管混频器与射频输入信号混频产生IM3HIM5。IM3HIM5的幅度和相位可以分别由各自支路E的可变衰减器和相移器调节，从而达到分别控0IM3和49第5章RF预失真线性化方法研究IM5的目的。”图531混频预失真发生器原理图理论分析如下设射频双音输入信号为。FACOSCO】T爿。082，化简为X，24C。S等RC。S力，其中一Q，吐互1V。设包络检波电路的非线性系数为Q，可变衰减器对二次项的衰减系数为以，对四次项的衰减系数为A一，则产生的二次项和四次项分别为民一QGD以2COSC02一COOTF522”2QQA4COS2C022Q阳R523设混频器的混频系数为G。，则一、SZ一M与双音输入信号XO经双平衡混频器后得到的输出信号有虼专4Q以Z瓯。8沏F524；4嘭厶GMC。SF525第5章RF预失真线性化方法研究Y。圭爿Q以Z瓯4瓯以AG卅C。S2092COIF|F526。一；爿Q4G卅爿Q瓯C。S【2Q一明F527乃。；爿嘭A瓯C。S3R022COT川F528啦圭4Q如瓯C。S3COA202FF529从以上式子可以看出，通过调节可变衰减器和相移器，可以分别控制三阶和五阶交调失真。另外由于爿、Q、G卅都是常数，所以，、虼Z是以Z的函数，即调节IM3的幅值时将对主功率信号的幅值产生影响，因此在主通路中加入一个线性放大器，用来弥补预失真支路造成的主功率信号的衰减。“81552仿真实验我们采用LDMOS晶体管MRF9045作为5WS3J率放大器最后一级的输出级，ECPL00放大模块作为放大器的驱动级，ECG008放大器作为增益级。当采用上文中的对二极管单路预失真时仿真结果如图524所示。而将该混频预失真发生器接在驱动级和增益级之问，当输出功率为5W时，仿真结果如图532所示图532采用混频预失真后放人器的输出信号5W从图中可以看出使用该预失真方法比使用对二极管单路预失真时IMD3和第5章RF预失真线性化方法研究IMD5分别改善了6DB和10DB。553延时误差的影响预失真环路中上下支路的延时不匹配将导致相位误差，从而制约放大器线性度改善的程度。为了分析延时不匹配效应，本文采用一个简化的模型如图533所示TN图5。33延时小匹日B