[硕士论文精品]毫米波模拟预失真技术的研究

摘要摘要现代数字通信系统的快速发展日益朝着增大信息容量，提高信道的频谱利用率以及提高系统线性度的方向发展，研究功率放大器的线性化技术对提高系统的线性度具有重要意义。本文首先介绍了功率放大器的非线性特性及模拟预失真技术的工作原理，对基于三阶交调分量产生器的S频段预失真器进行了非线性电路仿真。仿真结果表明，该模拟预失真器可以有效改善功率放大器的三阶交调指标，在功率放大器的饱和功率输出处，三阶交调分量改善效果达10DB以上。同时本文采用MAX2010芯片设计了L频段模拟预失真器，文中对模拟预失真器的主要部分MAX2010电路、控制部分电路等做了详细的分析、设计和调试。实测结果表明在工作频段内功率放大器的三阶交调指标得到了显著的改善，在功率放大器的饱和功率输出处，三阶交调分量改善效果达5DB以上。在此基础上，本文对毫米波模拟预失真器电路进行了非线性仿真研究，并对上变频发射机中毫米波预失真和中频预失真两种方案进行了比较。仿真结果表明，毫米波预失真器和中频预失真器都能对毫米波发射机的线性度起到明显改善的效果。关键词模拟预失真器，功率放大器线性化，三阶交调分量，毫米波预失真器ABSTRACTABSTRACTTHERAPIDDEVELOPMENTOFMODEMDIGITALCOMMUNICATIONSISINCREASINGLYTOWARDSINCREASINGTHEINFORMATIONCAPACITY,IMPROVINGTHESPECTRUMUTILIZATIONOFTHECHANNELANDLINEARITYSTUDYINGONPOWERAMPLIFIERLINEARIZATIONTECHNOLOGYHASGREATSIGNIFICANCEINIMPROVINGTHELINEARITYOFSYSTEMTHISTHESISINTRODUCEDTHENONLINEARITYCHARACTERISTICSOFPOWERAMPLIFIERANDTHEPRINCIPLEOFANALOGYPREDISTORTION，ANDTHENSIMULATEDTHESBANDPREDISTORTERINADSSOFTWHICHBASEDONTHEIM3GENERATORTHESIMULATIONRESULTSSHOWEDTHATTHEANALOGPREDISTORTERCOULDBEEFFECTIVEINIMPROVINGTHETHIRDORDERINTERMODULATIONCOMPONENTSWHENTHEPOWERAMPLIFIEROUTPUTTEDSATURATIONPOWER,THEPERFORMANCEIMPROVEDOVER10DBTHISTHESISALSODESIGNEDALBANDANALOGPREDISTORTERBASEDONMAX2010，THEMAINPARTOFTHEPREDISTORTERSUCHASTHEMAX2010CIRCUITANDCONTROLCIRCUITARECAREFULLYANALYZEDANDDESIGNEDTHEMEASUREDRESULTSSHOWEDTHATTHETHIRDORDERINTERMODULATIONCOMPONENTHADBEENSIGNIFICANTLYIMPROVED，THEPERFORMANCEIMPROVEDOVER5DBWHENTHEPOWERAMPLIFIEROUTPUTTEDSATURATIONPOWERINADDITION，THISTHESISSTUDIEDANDSIMULATEDTHEMILLIMETERWAVEANALOGPREDISTORTER,COMPAREDTHEPREDISTORTERSWHICHOPERATEDONMILLIMETERWAVEANDIFINUPCONVERSIONTRANSMITTERTHESIMULATIONRESULTSSHOWEDTHATBOTHTHEPREDISTORTERSPLAYEDASIGNIFICANTROLEINIMPROVINGTHELINEARITYOFTHEMILLIMETERWAVETRANSMITTERSKEYWORDSANALOGPREDISTORTER,LINEARIZATION，IMD3，MILLIMETERWAVEPREDISTORTERM目录目录摘要IABSTRACTHI目录V第1章绪论111课题研究背景L12国内外发展状况及趋势L13本文的主要工作2第2章功率放大器的非线性特性521功率放大器非线性特性的表现形式5211AMAMAMPM特性5212交调失真和交调失真522功率放大器非线性特性的描述指标72211DB压缩点7222三阶交调点823本章小结9第3章功率放大器的线性化技术研究1L31功率回退法1L32负反馈法1L33前馈法1234模拟预失真法12341基于三阶交调分量对消的预失真器原理。14342三阶交调分量产生器电路仿真。15343功率放大器的非线性特性仿真。16344基于三阶交调分量对消的预失真器电路仿真1635本章小结18第4章基于MAX2010芯片的L频段模拟预失真器设计1941MAX2010简介。1942模拟预失真系统方案2L43模拟预失真系统设计22431预失真器模块设计22432控制模块设计23433功率放大器模块设计25434模拟预失真系统设计2644模拟预失真系统测试27441功率放大器模块的测试28442预失真器模块调试29443双音信号测试。3245本章小结。35V东南大学硕上学何论文第5章毫米波模拟预失真技术研究3751中频预失真再上变频至毫米波预失真器电路仿真3752毫米波直接预失真器电路仿真3953两种预失真器的比较4254本章小结42第6章结束语43致谢参考文献47VI线高传输功率和利用效率，这是因为甲乙类功率放大器其效率较高，但使用甲乙类功率放大器也会带来负面作用，即其非线性特性比较严重；另一方面，有源器件及无源器件的引入，多载波配置技术的采用等，都将导致输出信号的交调欠真【2】。一般来说，在2PSK和不限制边带的MSK调制方式的系统中，由于通过信道的信号是恒包络调制信号，系统的主要指标对信道的非线性失真不敏感。为了获得高输出功率和高电源效率，微波功率放大器通常工作在饱和状态。但是，在数字微波通信和多载波传输等系统中，通常都要采用正交调制技术和多电平调制技术。为了保证输出信号质量，系统对信道的非线性指标有严格要求【3】。系统的频谱利用率越高，对信道的非线性指标要求越高。为了很好地解决信号的误差矢量幅值和频谱再生问题，就必须提高功率放大器的线性度。解决此问题通常有三种方法一是选用能够满足系统线性度要求的器件，这就需要设计者在功率管的半导体材料和功率管的制造工艺上进行研究，从器件本身上解决非线性问题，这种方法近些年虽然取得了一些成果，如GAN功率放大器管，但其实际效果并不明显。第二种方法就是需要设计者选用饱和功率更大的功率放大器管，使功率放大器工作在不饱和状态，即在设计功率放大器时留有更多余量以容纳峰值功率。回退会造成功率放大器效率的降低，在输出功率相等的情况下，效率的降低往往意味着更多电源功率消耗和更大的发热量，从而又引起新的问题，即对设备的散热构成了一个很大的考验。使用火功率的功率放大器管工作在较低的功率工作点，也会大大增加器件成本，造成设备成本的浪费。第三种方法则是采用线性化技术，即采用适当的外围电路或前置电路对放大器的非线性特性进行校正，从而使发信通道整体上呈现对输入信号线性放大的效果。这种方法避免了难度很大的器件制造技术，又可以采用价格相对较低的器件，不但形式多样，而且器件的选择也较灵洲41。使功率放大管工作在饱和状态而整个通道上不失真。功率放大器的线性化技术是解决这个问题的一个有效的方式，它能使功率放大器在输出功率和效率达到最高的同时具有线性的特性。功率放大器的线性化技术常用的实现方法有前馈法FEEDFORWARD、反馈法FEEDBACK、预失真法PREDISTORTION等。12国内外发展状况及趋势功率放大器的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【5棚，有效的减少了放大器失东南大学倾上宁位论文真，可以认为是功率放大器线性化技术研究的开端。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。国外对此进行了广泛的研究，使功率放大器线性化技术的研究成为当今的一个热点，并且目前国外已有大量的线性功率放大器及功率放大器线性化器产品问世。美国线性器技术公LINEARIZERTECHNOLOGYINC是专业研究线性放大器公司，产品从L、S、C、K、KU、KA波段均有不同功率的固态放大器及线性化器产品，并可根据客户为已有放大器提供附加线性化器。加拿大AMPLI集团是低噪声放大器和功率放大器供应商，产品频率范围1GHZ“30GHZ。该集团1994年开始实施一项研制超线性功率放人器计划，由蒙特利尔大学和NSLLNC合作，己完成L波段至K波段固态放大器，输出功率分别为50W和20W71。由于线性放大器在微波及毫米波通信中有着非常重要的应用，因此近年来许多国内有实力的公司、科研院所和高校，都已投入一定人力物力进行研发，并已经起得了一定的成绩。其中中电成都LO所研制的毫米波功率放大器预失真器已成产品，同济大学的贾建华教授也一直致力于功率放大器预失真的研究，并已发表了一定数量的文章。东南大学毫米波国家莺点实验室、电子科技大学也都纷纷开展了功率放大器预失真方面的研刭纠OL。前几届师兄许勤贤也做了有关模拟预失真方面的仿真设计，提出了一种宽频带模拟预失真器结构，其仿真结果表明在设计频段内预失真器使得功率放大器的IMD3改善10DB左右【111。华为、中兴、大唐等国内通信巨头也都已投入一定人力物力进行功率放大器线性化的研发。13本文的主要工作之前有师兄许勤贤做过模拟预失真方面的仿真设计，提出了一种基于二极管对的宽频带模拟预失真器结构，其仿真结果表明在设计频段内预失真器使得功率放大器的IMD3改善10DB左右，但未对其进行实验验证。本文在研读了师兄的论文基础上，做了以下主要工作。详细介绍了功率放大器的非线性特性的表现形式及其描述指标，在此基础上，本文介绍了几种线性化方法并着重分析了预失真技术的工作原理，结合本课题为使用模拟预失真技术来实现对工作在毫米波频段上的功率放大器进行预失真处理展开了详细的论证。关于毫米波频段上的预失真技术，一般有两种方法，一种方法就是先在中频例如L波段或S波段上进行预失真，产生的预失真信号再经过上变频至毫米波频段，变为毫米波预失真信号，从而完成毫米波频段的预失真；另外一种是直接在毫米波频段上进行预失真。本文采用两种方案相结合的方式来研究毫米波频段的预失真技术。中频预失真技术又从两种方案来研究，第一种方案是基于三阶交调分量对消的模拟预失真技术，就是采用二极管对再加上外围电路构成预失真器，产生和功率放大器幅度相等，相位相2第1章绪论反的三阶交调分最，从而实现对功率放大器的预失真；另一种方案则是基1MAXIM公司的预失真芯片MAX2010，辅助以外围电路，构成L频段预失真器，实现对功率放大器的预失真。针对前种方案，本文给出了在ADS环境下的S频段模拟预失真器电路仿真及仿真结果；对于第二种方案，本文制作了L频段模拟预失真器实物并进行了实验验证，给出了相关的测试结果。在此基础上，本文对毫米波模拟预失真器电路进行非线性仿真研究，并对上变频发射机中毫米波预失真和中频预失真两种方案进行了比较。全文共分为六章。第一章概述了课题的研究背景、国内外发展状况及趋势，论述了研究功率放大器线性化技术的必要性，并简述了本文的主要工作及结构安排。第二章分析了功率放大器的非线性特性，并在此基础上详细介绍了功率放大器的几个主要的非线性特性指标。第三章介绍了功率放大器的几种线性化方法，重点分析了模拟预失真技术，着重对基于三阶交调分量产生器的预失真器进行了研究，并将其应用于S中频，给出了预失真器和预失真系统的设计电路和仿真结果。第四章对MAXIM公司的预失真芯片MAX2010进行了研究，基于此芯片介绍了L中频模拟预失真器的设计，具体分为模拟预失真器MAX2010电路设计、模拟预失真器控制电路部分设计和软件控制界面的设计，制作了L频段中频模拟预失真器实物，并对WJ公司的功率放大器AHL01进行预失真处理，经调试测试之后，给出了测试结果。第五章仿真了中频预失真再上变频至KA波段的模拟预失真器电路和毫米波直接预失真器电路，并对两种实现毫米波预失真的方法进行了比较。第六章对本课题的工作和进展进行了总结。第2章功率放大器的I线性特性第2章功率放大器的非线性特性想要有效减少功率放大器的非线性失真，使放大器能够高效性的工作，提高系统的电源效率和性能，必须了解功率放大器非线性的产生机理以及非线性失真的主要表现形式。本章首先分析了功率放大器的非线性特性，然后给出了描述功率放大器非线性特性的几个主要指标。21功率放大器非线性特性的表现形式211AMAMAMPM特性假设功率放大器的输入是单音信号VATACOSCOTACOS功率放人器的传输函数为FA，中，则输出可表示为VOTFA，将VOT展开成傅里叶级数的形式211212VOTO5AOA彳COS椰BASINNTI,213NLNI其中，AFI，BIL是傅里叶级数的系数，功率放大器最重要的输出，也是最大的输出信号在频率CO附近，即VOLFAIACOSCOT6LSINCOTEACOSCOTC彳214这里FAA，FPA分别就是所谓的AMAM，AMPM转换特性。212交调失真和交调失真在非线性系统中，当有两个输入信号时，其中一个信号为系统有用信号，另外一个为系统无用信号，无用信号经过幅度调制后，由于系统的非线性，调制会转移到有用信号上去，从而使有用信号产生干扰，这种新产生的干扰现象称为交叉调制，如果有用信号也为幅度调制信号，则解调后的信号将含有干扰信号。示意图如图21所示【131，其中有片L信号为连续波，无用信号为已调制的双音信号。下面从数学角度来解释交调失真这一现象141。假设输入信号为5东南大学硕士学位论文一V，F1COSQCOSCO,TECOSCO,T215其中，为调制系数，Q为调制频率，Q和哆为两个载波频率，其中Q为无用信号，心为有用信号，则输出信号为VOT墨形1COSTCOSCOLF气杉COST屯K2【1COSQFCOSQFCOSF】2岛杉31MOCOSDTCOSTOLTCOSC02T3将上式整理后得216输出信号中除了有以Q为载波的调制信号外，还出现了以哆为载波的调幅波，这种现象即称为交叉调制，经过交叉调制后，有用信号的幅度变弱。交叉调制项为2墨K三岛巧3C。S哆F3屯K3C。SQFC。S叫2181MCOSDTCOSC02T其中毛杉；岛3M塾孥坠向言岛巧2219另外当放大器的输入端同时有两个输入信号，和时，放大器还会产生交调失真。假设VF2VUI2LCOSOMLH2COSCOU2T则输出信号为2110VOTQ，哆20V3，2QICOSEULTVU2COSA,U2，哆ICOSCAMIF2COSCOU2F22111LCOS0ML，2COSCAM2，3整理后可发现输出中包含的频率由式2112形式的通式表示的组合频率分量构成。6刀亿力埘物吃S|宝驴K2她O2啪、I，K，I_且加哆S一瞄卟L拿叫2忙卜砂、必一2TR【“0H咤；兮FL、，M吒2铂一2乞一2|，L屹第2章功率放大器的I线性特性ZWI吮。吮I2112其中除了RL，SO和RO，SL的有用频率分量外，还存在众多的寄生分量，从而引起放大器输出射频信号的失真，这种失真就称为互相调制失真，简称交调失真。当R和S值越小，相应产生的杂散频率分量的振幅就越大，因而交调失真也就越严重。特别是当F1，S2和R2，铲1时，产生的交调失真分量2Q一鸱和2吐一Q，非常靠近有用的频率分量，会对相邻信道的有用信号产生非常严重的干扰。幅度UNW锄TEDCNANNELWANTEDCARNERIIIIILII频率图21交调产物和交调产物的区别图21描述了交调和交调的区别。双音调制信号自身产生了交调失真，并将调制转移到了用户所需的连续波上，使其产生了交调失真。22功率放大器非线性特性的描述指标221LDB压缩点当一个单频信号么COS耐输入到一个非线性放大器时，经放大后其输出信号为【15】屹CCTACOSCOTA2A2COS2COTA3A3COS3仞F221经整理后其输出信号可以写为屹102A2一直流分量ALAA3A3C。SCOT一基频分量222三彳2COS2ROTLOT3A3COS300其输出的基波分量幅度为帕OT3A3ALAC昙么27223一查塑奎兰堡兰堂堡堕苎_一一一。如果和的符号相反，则信号的增益将随幅度A的增大而减小。如果用对数功率来表示放人器的输入和输出信号幅度，可以清楚地看剑输出功率随输入功率增人而偏离线性关系的情况。，当输出功率与理想的线性情况偏离达到LDB时，放大器的增益也下降了LDB，此时的输入信号功率值称为LDB增益压缩点1DBGAINCOMPRESSIONPOINT，如图22所示E勺鼍弓色PINDBM图22LDB压缩点示意图222三阶交调点由前节可知，当双音信号M输入到一个非线性放大器后，其输出将产生交调失真，假设输入信号为【16】M彳COSQF彳COS哆F224经过放大器后其输出为VOCROALVJ屹2砖3225经整理为VO彳COSQFCOS吡F口2彳。COSQFCOS吐F么C。SQF彳C。S吐F詈么2C。S2QF1譬彳2C。S2吃F1TZ2A2COSOI2TCT2A2COSOJL哆FA3A33C。SQ，I1C。S3QD彳2石3C。S吃F丢C。S3R226A3A313COS吐F三C。S2Q一吐F署C。S2Q哆，ASA33C。S州；C。S2哆一础言C。S2吐蚂F输出信号中其三阶交调分量的幅度值为丢彳3，随着信号幅度A的增大，输出信号8第2章功率放大器的一啦线性特性中的摹波分量QJ与IM3分量三彳3理论上会在某点处达到相同的幅度，这。点称为三阶交调点IP3。对应的输入信号幅度或功率值称为输入三阶交调点IIP3，而输出点则称为OP3。如图23所示。，23本章小结EK8乱PINDBM图23三阶交调点示意图本章从表现形式和描述指标两个方面介绍了功率放大器的非线性特性，其中表现形式是从AMAM和AMPM特性以及交调失真和交调失真两个方面来描述的，而描述指标则主要介绍了LDB压缩点和三阶交调点。9第3章功率放大器的线性化技术研究第3章功率放大器的线性化技术研究功率放大器的非线性失真会使其产生新的频率分量，这些频率分量如果落在通带内，将会对发射的信号造成直接干扰，如果落在通带外将会干扰其他通道的信号，为此需要对功率放大器进行线性化处理，减小其非线性失真。功率放大器的线性化技术有很多种，如功率回退法POWERBACKOFF、前馈法FEEDFORWARD、负反馈法FEEDBACK、预失真法PREDISTORTION等。本章将详细介绍这儿种功率放大器线性化技术原理，其中着重介绍模拟预失真技术，并对基于三阶交调分量产生器的模拟预失真器进行了仿真验证。31功率回退法功率回退法是最常用的线性化方法，也是最简单的线性化方法。即选用高功率的放大器件，来对小信号进行放大，从而保证放大后输出的功率在所使用的放大器的线性工作区间内【17】。具体来说，功率回退法就是把功率放大器的输出功率从LDB压缩点向后回退610DB，从而使功率放大器工作在远小于LDB压缩点的电平上，即使功率放大器工作在线性区，远离饱和区，达到改善功率放大器的三阶交调分量的目的。这种方法简单而且易实现，不需要增加附加设备，是改善功率放大器线性度行之有效的一个方法IL剐。但是功率回退法实际上是以牺牲直流功耗来提高功率放大器的线性度，因而也就带来了一个最大的缺点就是效率太低，而低效率的功率放大器不仅不经济，还会带来很多负面影响，如散热和噪声等。而且功率回退技术只能有效的改善窄带信号的线性度。此外，当功率回退到一定程度，三阶交调分量和基频分量功率比达至LJ40DBC以下时，继续回退功率放大器的输入功率将不能显著改善功率放大器的线性度。32负反馈法关于负反馈系统的特性，很多教材上都有描述，此处不再赘述。负反馈法的基本框图如图31所示【191。图31负反馈技术原理图由于在微波或更高频段，放大器的渡越时间与信号周期相比，不能忽略，从而使得负反馈技术难于直接应用于微波或更高频段放大器电路。此外，微波功率放大器的增益查堕奎堂堡兰堂堡堡奎有限，如果负反馈用于单级放大器，则增益损失人大，若用丁多级放大电路；则又难于保持链路稳定。所以负反馈技术不适合用。J微波或更高频段。一般情况下只用J较低频率的调制信号。33前馈法近年来人们又逐渐认识到，负反馈系统具有条件稳定和只能消除有限失真分量的缺点，相反前馈技术则是无条件稳定并且理论上可以完全消除非线性失真分量。特别在射频应用情况下，负反馈系统的缺点更加明显，这促使前馈技术又重新得到发展。目前前馈技术己经成为一种主要的线性化技术，在宽带和多载波系统中得到广泛应用【20】。前馈线性化方法的简化模型如图32所示，所有的电路都工作在射频范围，通过消除功率放大器输出端的误差，达到校正非线性的日的。信号源直接输入到主放大器，放大器产生的失真信号被提取后经辅助放大器进行放大，在输出端与已失真的放大信号相减，从而得到所需的放大信号，降低功率放大器输出信号的频谱扩剧21J。图32前馈线性化方法示意图前馈法的优点在于，它可以较大程度地改善功率放大器的非线性失真，且不影响其增益带宽，无条件稳定；缺点是对定位调整敏感，需要两套完全相同的放大器和延时线，整个系统结构复杂，增益和相位的调整相对困难，硬件实现的成本更高。34模拟预失真法预失真技术是一种广泛使用的射频功率放大器线性化技术，它是开环线性化技术最常用的方法，不存在稳定性问题，并有较大的频带宽度。预失真技术又分为模拟预失真和数字预失真，本文研究的主要是模拟预失真技术，故在此重点介绍模拟预失真技术。模拟预失真就是在功率放大器前人为地增加一个非线性模拟电路，使信号通过放大器前已经失真，通过反失真措施来纠正放大器的失真，从而使功率放大器的输出为线性输出。预失真技术的基本框架如图33所示，输入信号通过预失真器，经过预失真器校正成为预失真信号后再经过功率放大器后，输出线性度更好的信号。理想情况下，预失真器将提供一个与功率放大器相反的非线性特性，用于抵消放大器的非线性，使得功率12第3章功率放大器的线性化技术研究放大器最终的输出信号呈现线性特性221。匕匕，匕匕图33预失真摹本框架理想的线性系统为信号的输出幅度和相位随输入功率的增加均为一条直线。但是对于非线性的功率放大器来说，其输出幅度和相位随输入功率变化的关系都不是直线。因此，倘若想得到较为理想的线性效果，可以考虑在功率放大器前面分别加上相位补偿单元和幅度补偿单元，使其分别产生于功率放大器相位和幅度特性相反的曲线。模拟预失真器一般使用两个非线性单元相位控制单元、幅度控制单元来对功率放大器的特性进行校正。具体的工作原理如图34和图35所示【231。羹耋P_D昏帕PGHCOUPR疆嗣0一萋蚕LPDBM图34相位补偿GLHEX隈NS船哪弈耋耋譬差图35增益补偿模拟预失真器一般都需要仔细的调试，调试的主要参数为有两个拐点和斜率。在对功率放大器进行预失真时，需要将预失真器的相位和幅度控制单元的拐点调试至与功率放大器的拐点基本上一致，斜率与其相反，这样才能达到比较好的线性化作用。模拟预失真技术其实现方法有很多种，常见的有单个二极管模拟预失真器、基于包络检测的模拟预失真器等，本文接下来要介绍的是一种基于三阶交调分量对消的模拟预失真器。13霉一叠V。岔；奄善U东南大学倾上学何论义341基于三阶交调分量对消的预失真器原理模拟预失真器日前应用比较广泛的是基于交调分量产生器的技术，本节介绍了基于三阶交调分量产生器的模拟预失真器的原理，另外对TOSHIBA公I|的型号为S8837A的功率放大器管在25GHZ处的非线性特性在ADS环境中进行了仿真，并针对它的非线性特性进行预失真处理，给出了电路原理图和仿真结果。基于三阶交调分量产生器的模拟预失真器其原理框图如图36所示，输入信号被分为两路，一路直接通过延时电路进入输出端；一路通过三阶交调分量信号产生器将主频信号削弱只留下三阶及更高阶的交调分量，然后再通过控制信号控制可控的衰减器和移相器来调节三阶分量的幅度和相位，使其三阶交调分量和上支路的三阶交调分量幅度相等，相位相反后进入输出端，最终两路信号合成后就得到预失真后的信号2425】。图36基于三阶谐波产生器的模拟预失真器框图其中三阶交调分量信号产生器的原理图如图37所示，由2个具有相同特性的肖特基二极管，耦合器、微带线和电容电阻构成，肖特基二极管本文采用AGILENT公司的HSMS2852型号二极管。通过改变电容电阻的值，使二极管工作在不同的非线性区，以产生失真信号，获得所需要的三阶交调信号。另外，电路中的微带线其作用为给电路提供相位变化，以削弱主频信号的幅度，电阻电容则主要吸收一定带内信号的作用【261。弋AT图37三阶交调分量产生器原理图其原理简述如下，假设三阶交调分量发生器的输入端加有等副的双音信号形形ACOSCOJACOST02T14341第3章功率放大器的线性化技术研究其中，A是双音信号的幅值，由第二章中功率放大器非线性幂级数模型可知，VO毛巧乞咋包KLACOSWLTCOSW2TK2A2COSWLTCOSWT2LQ,COSWLTCOSW2T3岛OOS叫F包OOS也F岛COS21嵋一心弦342么COSEW2一WY魄COS3也一2嵋TBCOS3W,一2心Y通过调节二极管的偏置电压，可改变式312中的系数匆，即调节二极管的偏置电压，增大式中IM3的系数，减小基频信号的系数。342三阶交调分量产生器电路仿真基于三阶交调分量信号产生器的电路原理图如图38所示，其中耦合器采用ADS中自带的模块，二极管为AGILENT公司的HSMS2852型号肖特基二极管，ADS器件库中有此二极管对的模型，直接调用即可。调节电容、电阻值和微带线的长度，采用HARMONICBALANCE仿真器对电路进行仿真，仿真结果如图39所示。图38三阶谐波产生器电路图M1IRA2脚EQ2440GHZ|FREQ2480GHZJDBMOUT一2651引BBMFOUTL47781M|亨I。卜FLM参忻2O21222324252鼻272112J30慨GHZ图39三阶谐波产生器仿真结果图从仿真结果来看，通过调节电容、电阻值和微带线的长度，输出信号的基频信号大幅减弱，接近50DBM，从而使得三阶和五阶交调信号与基频信号的功率比较大，其比值大于20DB。可见，此电路可产生很明显的三阶交调分量信号。东南大学顾上学位论文，343功率放大器的非线性特性仿真奉节中的模拟预失真器是针对TOSHIBA公司的型号为8837A的功率放大器管的非线性而设计，冈此需要首先了解此功率放大器管的非线性特性，故先对功率放大器管的非线性特性进行仿真。参照8837A的DATASHEET，其工作电压吆。10V，珊0J45A，正电源选用15V的电源，则偏置电阻选约为11Q，取10Q。再辅之以负电源、扼流圈、隔直电容和旁路电容，构成如图310所示的电路图。仿真时输入频率设为25GHZ，其仿真结果如图312A、313A和图314A所示。另外，经仿真验证，8837A功率放大器在25GHZ处的双音饱和输出功率为246DBM左右。U巾吖LZL50图310S837A功率放大器电路原理图344基于三阶交调分量对消的预失真器电路仿真清楚了8837A功率放大器的非线性特性之后，就可以单独针对此功率放大器来做预失真处理，下面给出了基于三阶交调分量对消的模拟预失真电路图，如图31L所示。其中虚线框内部分为模拟预失真器原理图，电路的仿真结果如图312、图313和图314所示。图311基于三阶谐波产生器的中频模拟预失真电路图16竺一H济石口AB图3128837A功率放大器预失真前后的相位特性A预失真前B预失真后兰厶南6，厶山岛二O。”U伪OQ若。一P13客一“万茜口【AB图3138837A功率放大器预失真前后的幅度特性A预失真前B预失真后图312和图313为预失真前后系统的AMAM、AMPM特性，从图上可以发现，在预失真前，功率放大器的LDB压缩点输出功率为282DBM，经过预失真处理后，功率放大器的LDB压缩点输出功率为29DBM，改善了O8DBM，并且经过预失真处理后，其AMAM特性曲线也变得平滑了。同时功率放大器的AMPM特性变得更为平滑了，从之前的5DBM下降20。变为15DBM下降20。2022“抽拍3O重善阿貉DELTA叫000E7|悃REQ。，毳等懋擎I辩侵落毯籀“登勤嫂垒噬2苎至组弼舞黼笱籽”LLREQ，GHZ懒。CLZAB图314预失真前后的饱和功率输出点处的交调分量A预失真前B预失真后另外，从三阶交调分量方面来看，前面已仿真验证，8837A功率放大器的双音饱17它S奄芒东南大学颂上学位论文和输卜N功率为246DBM，4从图314，卜可以看出，在功率放大器输出饱和功率的状态下，使用预失真技术后，其三阶交调分最具有10DB左右的改善，相应的五阶变调分鼍也有4DB左右的改善。，35本章小结本章主要介绍了功率放大器的几种线性化技术，包括功率回退法、负反馈法、前馈法和模拟预失真，其中重点介绍了模拟预失真法，此方法也是本论文采用的重要方法。另外本章还介绍了基于三阶交调分量对消的预失真器，给出了三阶交调分量产生器和模拟预失真器的仿真电路和仿真结果，并将预失真器应用于TOSHIBA公司的型号为S8837A的功率放大器管上，仿真结果表明，在预失真前，功率放大器的LDB压缩点输出功率为282DBM，经过预失真处理后，功率放大器的LDB压缩点输出功率为29DBM，改善了08DBM，并且经过预失真处理后，其AMAM特性曲线也变得平滑了。同时功率放大器的AMPM特性变得更为平滑了，从之前的5DBM下降20。变为15DBM下降20。另外在功率放大器输出饱和功率的状态下，使用预失真技术后，其三阶交调分量具有10DB左右的改善，相应的五阶交调分量也有4DB左右的改善，预失真器起到了很好的预失真器效果。前文主要介绍了一些有关功率放大器的非线性特性及线性化技术相关知识，由于本文的目的是要使用模拟预失真技术来实现对工作在毫米波频段上的功率放大器进行预失真。关于毫米波频段上的预失真技术，一般有两种措施，一种就是先在中频例如L波段或S波段上进行预失真，将产生的预失真信号再经过上变频至毫米波频段，从而完成毫米波频段的预失真；另外一种是直接在毫米波频段上进行预失真。本文采用两种方案相结合的方式来研究毫米波频段的预失真技术。第一种方案中关键的部分为中频预失真器，因此下一章将重点介绍基于MAXIM公司的预失真芯片MAX2010，辅助以外围电路，实现对L频段功率放大器的预失真，并给出相关测试结果。18第4章基于MAX2010芯片的L频段模拟预失真器设计第4章基于MAX2010芯片的L频段模拟预失真器设计前文主要介绍了一些有关功率放大器的非线性特性及线性化技术相关知识，由于本文的目的是要使用模拟预失真技术来实现对工作在毫米波频段上的功率放大器进行预失真。关于毫米波频段上的预失真技术，一般有两种措施，一种是采用上变频的方法，先在中频例如L波段或S波段上进行预失真，将产生的中频预失真信号再经过上变频至毫米波频段，从而完成毫米波频段的预失真；另外一种是直接在毫米波频段上进行预失真。本文采用两种方案相结合的方式来研究毫米波频段的预失真技术。第一种方案中的关键环节为中频模拟预失真器的设计，本文第三章中已经在ADS软件中通过仿真验证了基于三阶交调分量对消的S波段模拟预失真器方案的可行性，仿真结果表明预失真器对功率放大器具有线性化效果。本章将利用另外一种方法来实现中频模拟预失真，即基于MAXIM公司的预失真芯片MAX2010，辅助以外围电路，并将其应用于WJ公司的功率放大器AHL01，实现对L频段功率放大器的预失真。重点描述了模拟预失真器的系统结构组成，并对其中的主要部分基于MAX2010的模拟预失真器、模拟预失真器的控制部分及软件控制界面进行了详细的分析和设计，并对功率放大器AHL01的AMAM、AMPM特性进行了详细的研究与探讨。最后给出了功率放大器预失真前后的测试结果。下一章再详细研究毫米波频段的预失真技术。41MAX2010简介MAX2010是MAXIM公司推出的一款射频模拟预失真芯片。其工作频段范围为500MHZ1100MHZ。MAX2010芯片内包含了一个独立的增益调节通道和一个独立的相位调节通道。因此可根据具体需要，仅采用其中的一个通道或两个通道级联使用。增益和相位通道都包含两个重要的调整参数BREAKPOINT和SLOPE，分别用来调整增益和相位传输函数曲线的转折点和斜率。本文研究的模拟预失真器工作频带为900MHZM100MHZ。图41为MAX2010的内部结构图12引。图41MAX2010内部结构图MAX2010的相位补偿曲线的折点和斜率分别由几个独立的端口来控制。其中相位19东南大学硕士学何论文扩展拐点由PBIN端口通过数模转换DAC芯片控制。若要达到最好的改善功率放大器非线性特性性能，MAX2010的相位扩展拐点应设置的和功率放大器的相位J玉缩拐点一样，同时，MAX2010的相位扩展斜率也应设置的和功率放大器的相位压缩斜率相反。另外，MAX2010的相位扩展斜率由PFSL、PFS2、PDCSL、PDCS2四个管脚共同控制。增益扩展拐点由GBP端U通过数模转换DAC芯片控制，GBP端口的输入电压为05V，对应的增益扩展拐点为25DBM23DBM。MAX2010的斜率可由公式411求得MAX2010SLOPE二丝里丝1一LPASLOPE。其中PASLOPE是功率放大器的增益斜率，单位为DBDB，由于功率放大器的压缩特性，PASLOPE为一个负值。通过改变GCS和GFS的值可以改变MAX2010的斜率。需要注意的是，通过GCS来改变增益扩展斜率的同时也会影响预失真器的插入损耗和噪声系数。例如，通过GCS调小增益扩展斜率时，预失真器的插入损耗将变小，而噪声系数则降低。另外GFS则不影响插损。提高功率放大器的相邻信道功率比ADJACENTCHANNELPOWERRATIO，ACPR的最佳方式是先优化MAX2010的相位控制部分的AMPM特性。因为对大多数高频放大器来说，改善AMPM特性将提高放大器的相邻信道功率比。图42为典型的相位调谐电路结构图。图42相位调谐电路结构图通过网络分析仪的功率扫描模式对预失真器进行快速实时扫描，首先调节PBIN端口电压使得MAX2010的相位扩展拐点和功率放大器的相位压缩拐点一样，然后再通过调节PDCSI、PDCS2、PFSL、PFS2来获得最佳的AMPM特性。若要进一步提高ACPR，在MAX2010的相位输出端和增益输入端之间加入一个前置放大器，补偿增益扩展所带来的高插损。图43为MAX2010相位扩展部分和增益扩展部分级联在一起的典型应用电路。增益扩展部分的调节和相位扩展部分的调节步骤是一样的。为了使GCS对相位扩展部分的影响最小，应将其设置为LV左右。另外需要注意的是，相位扩展部分的PFSI和PFS2对外部寄生参数很敏感，因此在制作实际电路时，需考虑将变容二极管尽量靠20近端图43MAX2010的相位和增益优化电路42模拟预失真系统方案本文需要设计的模拟预失真器工作频段为900MHZI100MHZ。功率放大器选择WJ公司的AHL01，其工作频段为50MHZ1500MHZ，可以用来和预失真器匹配设计，AHL01功率放大器的LDB压缩点为265DBM。设定系统的输入信号为0DBM。由于MAX2010的相位和幅度扩展模块都有输入功率的要求，如图44所示。IELL咿LL丌懈R_曩日，_一P仉嘲瞳一H叼_积U。ALR。”W；VV口WP022“W；怒1WIP；2温寸2JE俘培丑P叭如嘲I荫时婚WEV口2WB蛐05YF_2WC柚，1W0栅，WD恼，蚪铀5图44增益补偿和相位补偿曲线在不同电压下的功率扫描曲线通常功率放大器的增益和相位是同时往下掉的，因此在设计模拟预失真器时也需要将其增益和相位补偿曲线的拐点调整至同样的功率点，这样可以使得模拟预失真器的特性和功率放大器特性能有更好的对应。由于相位补偿的拐点范围大概在0723DBM，为了使得输入信号在其相位补偿折点的工作范围中间，需要14DBM的输入功率。这样才能够最大灵活的利用MAX2010的拐点范围。但考虑到在测试时需要用到网络分析仪的功率扫描功能，实验室的网络分析仪型号为AGILENT8720，其功率扫描模式的范围为155DBM，达不到所需的输入功率，因此在MAX2010前面需要加入一个前置放大器。由于系统的输入功率只有0DBM，功率并不是很大，所以此处我们使用MINICIRCUITS公司的ERA6功率放大器先对输入信号进行放大，ERA6放大器其输出LDB压缩点为18DBM。从图44中可以看出相位补偿部分有插损，在5DB一7DB之间，而实测为6DB8DB。因而在相位扩展部分的输出和增益扩展部分的输入之间需要增加一个增益放大器，来补偿相位部分的插损，以使增益扩展部分的输入功率在其工作拐点范围的中间。MAX2010的增益扩展部分的输入功率最佳为14DBM左右，此处对放大器的输出功率要求比较高，2L乐F；J大宁坝上学位论J之前使用的ERA6已不能满足要求，故而使用AHL01。但其增益为135DB，大于所需要的增益，因此存放大器之后增加一个衰减器来减弱信号强度，此处所用的衰减器为普通的丌型电阻衰减器，其衰减值可通过改变电阻的阻值来控制。另外由于MAX2010的幅度控制部分衰减比较大，导致输出信号的功率比较小，因此需要在MAX2010的输出端加入一个驱动放大器，以便驱动主功率放大器。此处驱动放大器为ERA6。由于MAX2010的相位扩展部分和增益|，展部分的衰减变化较大，因而在第一级驱动放大器之后加入一个可调衰减器，以便调节功率，此处可调衰减器为MACOM公司的ATL08，其调谐电压范围05V，可调衰减范围为340DB。增加可调衰减器之后，还需增加一个驱动放大器来推动主攻放，此处的驱动放大器采用AHL01。综合考虑各个方面考虑之后，首先给出整体设计方案的功率分配示意图，如图45所示黑嚣煳意鬣热荔一节节妙一豳一图一妙。瞥杪杪躬蕊稻12一713，5_L121251支5135R1R1，1R1R1RR1R功马杖删A1213，5剪图45模拟预失真系统功率分配示意图根据图45的系统功率分配图从而可以给出整个系统的结构框图，如图46所示。图46模拟预失真系统结构框图43模拟预失真系统设计上节介绍了模拟预失真系统方案的描述，本节将按照模拟预失真系统的结构框图来逐个介绍，主要包括预失真器模块、控制模块和功率放大器模块。431预失真器模块设计参考MAX2010的DATASHEET上的推荐应用电路，如图47所示。结合上节描述内容，22第4章基于MAX2010芯片的L频段模拟预失真器设计前置放大器采用MINICIRCUITS公司的ERA6放大器，其工作频率为DC4GHZ，增益为12DB，输出LDB压缩点为18DBM，满足此处要求。而相位扩展输M端和增益扩展输入端则插入AHL01，并串联一个型电阻衰减器。图48给出预失真器模块的电路原理图。图47MAX2010应用电路图图48预失真器模块的电路原理图432控制模块设计MAX2010模拟预失真控制部分需要完成以下功能从PC串口上读取控制界面上的控制电压存储到单片机中；将单片机中存储的电压通过数模转化为模拟电压输送给MAX2010预失真器；给自身和MAX2010预失真器供电。本文中单片机选用ATMEL公司的MEGA88型号单片机。MAX2010模拟预失真控制器最主要有以下单元，MEGA88单片机及其外围电路，TLC5628数模芯片及其周边电路。MEGA88是ATMEL公司推出的高性能、低功耗的八位AVR微处理器。AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算数逻辑单元相连接，使得一条指令可以在一个时间周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。MEGA88有如下特点8K字节的系统内可编程FLASH，512字节EEPROM，1K字节SRAM，23个通用IO口线，32个通用工作寄存器，三个具有比较模式的灵活的定23东南大学硕上掌位论义时器比较器TC，片内外中断，可编程串行USART，面向字节的两线串行接口，一个SPI串行端口，一个6路10为ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，以及五种町通过软件控制的省电模式。TLC5628是TL公司推出的DA芯片，有8个8位的DA转换器。5V供电，串行借口，可以选择一倍或者两倍输出。通过12位的控制字来写命令，其中8位为数值，3位为地址，L位为范围控制字，在TLC5628的输出后再增加个运放跟随器作为BUFFER如图49所示。预失真器的供电形式采用单独供电，控制部分的供电电压为5V，功率放大器的供电为9V。TLC5628L1DACADAC8DACHVO图49TLC5628输出BUFFER电路图模拟预失真器控制部分的原理图及版图如图410所示。图410模拟预失真器控制部分的版图247。，。，澎固ABI馨誓。第4章基于MAX2010芯片的L频段模拟预失真器设计为了能够灵活的调节参数，本文使用VB语言编程设计了PC控制界而，如图41L所示。各个DA与MAX2010的对应关系如图中所示。图41L模拟预失真器控制部分的PC控制界面433功率