【《射频功率放大器非线性失真指标分析》3000字】

射频功率放大器非线性失真指标分析目录TOC\o"1-3"\h\u20134射频功率放大器非线性失真指标分析 13271.1幅度失真AM-AM与P1dB 1117971.2互调失真IM3与OIP3 365421.3相位失真AM-PM 54271.4邻信道功率比ACPR 7对于一个线性系统来说，系统的特性可以用传递函数来表示。由于和随频率变化，导致传输信号的失真，这种失真称为线性失真。当一个输入比较小的时候,输入与输出之间是接近于线性的关系;当逐渐增大时,输入与输出之间的线性逐渐偏离。这种偏差是属于非线性的失真。射频功率放大器是一种属于非线性系统,会在电路中出现一些诸如饱和、谐波、交调等不良的非线性情况。为了衡量一个功率放大器在各种情况下的非线性和不稳定的失真度,需要一个可以被量化的指标,这个也就是非线性和失真程度的指标。1.1幅度失真AM-AM与P1dB幅度失真AM-AM(AmplitudeModulation-AmplitudeModulation)是一种广义泛指信号输入和以及信号输出功率之间和信号输出以及信号输入功率之间的非线性失真关系[19]。例如,当放大器在一个小功率的输入电路中工作时,此时的功率增益被统称为微型信号的增益。随着输入功率的提高,放大器的非线性也愈发突出,输入功率也不再会因为输入功率提高的幅度而产生线性的变化。当增益减少或下降至比较小信号的增益减少1dB时,此时的输出功率被统称为P1dB压缩点的输出功率,记为P1dB或者。类似的,当增益降低到比较高3dB时,输出功率标记为。图1.5AM-AM与P1dB如图1.6是在ADS上设计了一个工作在850MHz的功率放大电路得到的AM-AM仿真结果，选用的晶体管型号为BFG591B。图1.6是仿真得到的小信号线性输出功率增益，图1.6中的左边是放大电路AM-AM曲线，该曲线是通过实际输出功率增益与理想输出功率增益做比值得到的，通过图1.7中曲线的数值可以看出，当放大电路在输入功率为0-11.5dBm的区间，大于0.908表明放大器还处在一个比较线性的工作状态，而当输入功率大于11.5dBm之后，AM-AM曲线低于0.9，放大电路的非线性越来越明显，线性度变得更加恶劣。故在实际放大电路设计中，幅度失真AM-AM是一个可以衡量电路线性度的一个显著且重要的指标。图1.6放大器的AM-AM仿真图基于1dB压缩点测试模块进行仿真。测试模块如图1.7。图1.7ADS中的测试1dB压缩点图1.9放大器1dB压缩点如图1.9是ADS中仿真得出的1dB压缩点，可以清晰的看到放大器随输入功率的增大而产生的幅度失真，图1.6中m1点和m2点就是上述中提到的增益下降到比小信号增益低1dB，当一个输入功率值变化为-9dBm时得到了1dB压缩点，此时的1dB压缩点输出功率接近于0。1.2互调失真IM3与OIP3互调混合失真主要原因是由于多个处于不一样频率段的信号相互激励作用在一个新的PA而直接产生的一种混合失真分量,它主要原因是由于这个PA本身具有非线性[20]。因此,当它们对系统性能发挥了不良影响时,就被我们通常称之为因为信号相互调制造成的干扰。当频率为和的2个功率相等(功率均为P)的信号输入时，在输出的信号过程中将会产生许多频率的分量：其中=0,±1,±2,…,互调的频率阶数定义为。当和都是比较小时，m=2,n=-1的互调频率,这2个互调频率非常接近基波频率和的频率。此3阶互调的功率即为IM3（OrderIntermodulation）。在实际的通信应用中,这2个无线频点往往都可能是全部落在进行无线通信的某个频带之内,难以被无线滤波器及时进行精确滤除,所以这个IM3的质量指标就是非常重要的,对于无线信号的滤波质量而言,互调率的IM3越小也就更好。图1.10IM3和OIP3在高频功率滤波放大器中,基波功率和3阶互调随着基波输入功率的所改变而幅值也会有所一样的改变。3阶段互调功率伴随着滤波输入输出功率的增加上升幅度比基波功率值的上升幅度更大。如图1.10S所示将一个基波信号的一条线性基波输出输入功率扩展特征与一条三阶基波互调线中IM3的扩展特性相连续后并进行二次延长,扩展后再将该线的两条相邻两个交点逐渐变成一条三阶互调线的截止点称为IP3,此时位于该截止点的线性输入功率特征值为OIP3[21]。三阶互调干扰度的度量指标,能够准确地反映各种PA的非线性特点。所以当输入的功率达到一定值时,三阶互调截止点的输出功率值越大,功率放大器的线性程度也就越高。1.3相位失真AM-PM相位失真AM-PM(AmplitudeModulation-AmplitudeModulation)指输入信号功率与输出信号相位间的非线性关系[22]。下图是一个实际功率放大器的的AM-PM在不同频率下的特点。图1.11功率放大器的AM-PM从功率放大器图中我们可以清楚地看出:在小功率信号的输入下,所有输出的信号都要相位恒定;例如,当一个输入信号的强度被增大或减弱到一定频率时,就会导致输出信号的相位产生变化,而且这些信号在不同频率下的相位也会变化很大。这种变化会造成如下问题。(1)由于功率放大器的输入,在不同频率下的相移不同,对于一些需要充分利用相位信息的调控方式而言,容易造成错误编码。(2)输入功率的强度发生变化不但改变了输出信号与放大器之间的相位,更是改变了,从而使输出信号在各个频率下都发生了群延时,并且给其带来了包络信号的丢失和错误。问题（2）产生的原因来源于放大器的相位特性。如图1.12是理想线性放大器传输特性图1.12理想线性放大器传输特性一个带宽从到的理想线性放大器的传递函数如图1.8所示。理想放大器传递函数的幅值在外到之间为常数，相位在到之间呈线性关系。因此；可以表示为（1.4）其中C为正负频率极性常数代表的频率幅值；是相位频带的频率中心点，为一个频率常数所示的幅值代表一个相位斜的频率，为中心频点的当时相位。当驱动放大器的两个同时输入信号频率值变化为，其中一个载频包络是在驱动放大器的一个慢速频带内，为慢速频率变化的载频包络输入信号。输入信号的Fourier变换记为（1.5）经过理想放大器后输出的Fourier变换（1.6）经过Fourier反变换（1.7）由上述方法我们可以知道,经过一个理想的放大器后,载频会产生一个转换。包络信号的形状保持不变,只是延迟了。可见当信号的相位和频率伴随着角度频率的转换变化为正常值时,系统只会产生一个集群的延时,扩散量,,而不会直接改变信号包络的长短和形状。如果不为不变的量，经过信号放大器后,该信号包络会发生变异,产生失真。图1.13放大器的AM-PM曲线如图1.13是在ADS上设计了一个工作在850MHz的功率放大电路得到的仿真结果，选用的晶体管型号为BFG591B。图中我们可以清楚地看到上图是一条相位差的曲线,该放大器的相位差随着输入信号的变化而产生非线性的相位差变化。通过下图的AM-PM曲线和图1.14的数据可以很清晰的看到：当输入功率从0增加到12dB的时候该放大器的输出的相位偏移是在不断增大的，相位差从0.1一直增加到了将近0.55degree/dB;而当输入功率大于12dB时，该放大器的相位差开始减小。这就是通常所说的调幅—调相失真。1.4邻信道功率比ACPR邻信主通道的泄漏功率的对比值为ACPR(AdjacentChannelPowerRatio)亦然也可以直接简称成其为邻近主信道与其泄漏能力功率的对比函数ACLR(AdjacentChannelLeakageRatio)其中被广泛定义的值为邻近主信道的泄漏功率和邻近主信道泄漏能力之间的绝对比值,用于计算测量对于邻近主信道受到干扰的能力影响程度大小[23-24]。图1.14邻信道泄漏比ACLR示意图当向射频主信道上一点施加一个射频信号后,就可能会将所有的射频功率都全部泄露并传给了处在相邻两个射频主信号通道之间的射频通讯。邻信号通道输出功率的实际产生主要认为有2个影响因素。首先一个原因可能是由于功率放大器的非线性辐射效应而逐渐产生了新的功率频谱滤波分量从并掉落辐射到我们邻近的射频信道中。其次就是由于每个主通道的射频信号本身在整个频谱上总是具有较大的几个旁瓣,频谱上的这些旁瓣信号会直接落入其他通道邻近的讯号信道。特别是在CDMA调制中,常采用ACPR指标。对于窄带信号,可以通过采用双声波信号测量和互调的指标方法来