基于数字预失真技术的相移功率放大器非线性分析和修正

1、基于数字预失真技术的相移功率放大器非线性分析和修正摘要：本文提出了一种关于功率放大器相移的的非线性原因的综合理论与实验分析。相移分解产生了重要的负载牵引效应并且第一次研究了Chireix合成器。在LINC系统中关于两个功率放大器行为效应作为一个主要的非线性源头得到了证实。此外，本文建议采用预失真技术来对非线性行为的建模应用。关键词：LINC，相移，非线性，预失真，负载调制，Chireix合成器1、引言无线通信应用的增值和多样化本质上增长了无线网络频谱的利用。结果，移动性成为一个具有条真行的设计标准之一，这个设计标准使电池的使用寿命显得越来越重要。除了世界范围的主动来增加电池容量外，为了延长移动

2、设备中电池寿命和降低基站功率消耗，几个研究实验室聚焦在改进射频发射机的功率转化效率。在过去的二十年，使用回馈和模拟或数字预失真的功率放大器非线性技术是非常流行的，它们能提高在功率放大器的功率转换效率和线性化的权衡。然而，附加效率性能不是尽如人意特别是在最新几代的无线标准中使用的高度不同的包络信号。为了实现高效率，最近的研究集中在使用具有高效率和高线性化功放的先进发射机结构，它们工作在B、C类或开关状态。在别的技术中，基于发射的 调制和非线性器件的放大时最流行的。这些技术都将幅度和县委调制信号转换成常数幅度信号来保证在相位放大中良好的线性度。在 调制发射中，它们实际实现时还是受到了共的数字处理器

3、速度和高的模拟滤波器Q值的挑战。LINC技术在1935年提出，1974年得到了Cox的修正。图1所示即分解振幅和相位已调信号为两个相位调制信号的技术。每个信号都能通过高线性或开关型功率放大器得到放大。在功率放大器的输出处功率合成器将信号垂直相加来回复原始信号的放大调制。图1、LINC结构图和信号分解原理字面上能用LINC技术来区分两种不同的功率合成器：隔离的和非隔离的合成器。隔离合成器或混合隔离器在任何输入输出端口与输入信号的相位和振幅独立地被匹配。因此，当输出信号在相位之外时，所有传送到隔离合成器的能量在匹配电阻中作为热量散失了并且平均功率大大降低。诸如像Chireix非隔离合成器的使用避免

4、了功率的损失。而然，由于这些非隔离合成器的本质特性，由功率合成器在输入端口呈现的负载是输入信号相位和振幅的不同函数。因此，在输入端口之间出现了交错的负载调制，它能产生不同功率放大器行为，比如增益，输出功率和直流损耗。尽管效率得到了改进，但是这种类型的合成器导致了系统线性度的下降。如前所述，制定了几种尝试来分析它的补偿。在这篇论文里，介绍了一种证实和修正这种非线性原因的理论兼霍思燕分析并提出了一种有效的补偿方式。2、希莱克斯合成器理论图1显示了LINC结构图。幅度和相位已调信号Sm分解成为两个恒定包络信号S1和S2。这些信号被工作在开关类状态的功率放大器放大然后用希莱克斯合成器将它们求和。LIN

5、C分解通过以下面的方程实现：式中Vmax是最大的信号振幅，如下给出：V(t和是表达如下的瞬时输入信号振幅和相位：指由每个分支信号频谱引入的相位变化，作为输入信号振幅的函数，如下：S1和S2信号都被两种相同开关类型的放大器放大，它们作为电压源（D或F类功率放大器）。输入信号被希莱克斯合成器结合。这种合成器的拓扑结构如图2所示。它包括两个四分之一波长转换器,特征阻抗值等于R0，与合成器的输出相连。两个段路端可能在牺牲线性度的代价下在给定角度值时加在合成器的两个输入端。本文没有考虑短路末端。图2、Chrieix合成器示意图在文献11里面表明了Chireix合成器的输入阻抗取决角度并它们的表达式如下：

6、式中，为了简化起见，使则在文献9表明，由相移引起的反射系数导致原来的独立的角度变成一个新的角度并在Chireix合成器被赋值。因此，合成器的阻抗将取决于，如下所示：式中和和下边方程有关：在Chireix合成器输入处的反射系数表达如下：式中Rs是理想电压源放大器的输出实阻抗。输出电压Vo是的函数表达如下：式中G是放大器的增益并且作为一个的函数常数。虽然文献11揭示了Vo、和是独立的，它在使用Chireix合成器时在相移系统中作为一个非线性源得到解释，下边的部分将阐明这种可能。3、Chireix合成器的线性化在下面，表达式Vo作为的函数源于文献11。通过表达式（8）取代成（10），能表达如下：式中

7、，通常地，Ro被选成一个能保持良好阻抗匹配的值，这就意味着等于一个整体值。在这种情况下，（12）变成：通过化简，（13）变成：通过（14）里面的表达式，能算出的振幅和相位，如下：式中。因此，的正弦和余弦能通过在（16）式中的复数的振幅来分解实部和虚部提取。结果如（17）和（18）所示：基于（9）式，是的函数并能写成如下：通过用式子（17）和（18）取代和，变成：通过（15），（20）能写成：因此，之前Vo的表达式（11）能写成如下：当使用Chireix合成器时，这证明了LINC系统的线性特性。为了证实这个分析法的分析，我们在ADS软件中使用了谐波平衡解决器进行了仿真。为此，我们执行Chirei

8、x合成器时使用了理想无耗传输线。功率放大器作为具有输出阻抗Rs=50欧姆的的电压源被建模。Rl和Ro分别设成50欧姆和70.7欧姆。在图3中，Chireix合成器输出功率（Pout）变化是输入功率（Pin）的函数图像。如期望的一样，关于不同的Pin变化值Pout也不同地线性化。图3、仿真测量的作为LINC系统输入功率函数的Chireix合成器的输出功率值此外，一个Chireix合成器在Rogers公司提供的一片RO3003基片上得到了框图设计。设计电路的线性化来检测证实基于LINC系统的Chireix合成器的线性度。两个一样的并具有相位一致的信号源（ESG 4438C）同步使用并用来产生合成器

9、的输入信号。在两路之间的增益和相位不平衡也得到了细致的补偿。值在0-90度之间扫描。测试的Pout对Pin的曲线在图3中画出。这说明了预料的线性行为。为了研究功放的关于LINC系统线性化的效应，在ADS中使用用Cree公司的CGH40010晶体管大信号模型设计了一个F级的功放。这个设计目的用于WiMAX应用，具有中心频率值为2.425GHz并且在交错类段之上轻度偏振（AB类）。二次谐波和三次谐波为了得到F类工作状态而得到了细致的调节。这些功率放大器取代了在图4中描绘的LINC系统的理想的电压源和对输入功率的功率和相位变化。大于4dB的功率增益容量和14度的相位补偿被记录。因此，与理想的电压源比

10、较，当使用实际放大器时带有Chireix合成器的LINC系统具有非线性功率相应行为。LINC系统的非线性行为被由在功率放大器行为变化导致。事实上，在两个功率放大器中哦度没有看到对于所有值的相同阻抗，这是因为Z1和Z2是的不同函数，并且功率放大器的行为（增益和相位）根据它来改变。为了补偿这个非线性，LINC系统作为一个功放来考虑，它能够通过使用数字预失真技术来线性化。从图4中得出的非线性特性，数字预失真函数能通过在文献12里提到的步骤来构建。预失真函数在信号分解之前被采用。在图5中显示了线性化的LINC系统的增益和相位响应。正如我们从上文看到的一样，LINC系统和和线性化的装置在输入信号动态变化范围内是线性的。图4、带有F类功放和Chireix合成器的LINC系统的增益和相位响应图5、采用数字预失真后的带有F类功放和Chireix合成器的LINC系统的增益和相位响应5、结论在本论文中