（光学专业论文）前馈放大系统中时间对准的研究.pdf

摘要 摘要 本论文从前馈功率放大器的基本工作原理出发，分析了功率放大器产生非 线性失真的原因以及消除非线性失真的可行性方法。通过对常用的改善功放性 能的方法进行比较，讨论了前馈功放系统的优越性和实用性，并且阐述了本论 文提出的对于前馈功放系统的改进方案，即将正斜率可调宽带移相器应用到前 馈功放系统中。通过调节信号的相位斜率，使时间补偿的精度得到一定的提高， 并且扩展前馈功放系统的工作频带宽度，以更有效地抑制非线性失真量，使前 馈功放系统的性能和效率有所提高，在输出端得到较纯净的放大信号。 通过对前馈功放系统中各功能模块进行分析，论证了各模块功能实现的可 行性，并以仿真模拟实验的结果为基础，进行实际测试，得到了功率分配器、 定向耦合器、可调移相器及正斜率可调宽带移相器的端口特性和传输特性。 由于尝试性地将正斜率可调宽带移相器应用于前馈功放系统中，所以对其 功能特性更加地关注。通过使用网络分析仪进行测试，得到了该功能模块的传 输特性，相位量、插入损耗和延时量的特性曲线，各可调参数的调节范围及变 化规律，为环路测试中实现对非线性失真的抑制提供了基础数据。 在得到了各功能模块性能参数的基础上，对其进行整合，为环路测试中更 有效地抑制非线性失真量打下了良好的基础。 关键词前馈功放；延时；正斜率可调移相器 北京t 业大学理学硕f ：学位论文 a b s t r a c t o nt h eb a s i so ft h et h e o r yo ff e e d f o r w a r dp o w e ra m p l i f i e r , t h em a i np o i n ti n t h i sp a p e ri st oa n a l y z et h eg e n e r a t i o no fn o n l i n e a rd i s t o r t i o na n dp u tf o r w a r da f e a s i b l em e t h o dt oe l i m i n a t et h en o n l i n e a rd i s t o r t i o n c o m p a r i n gw i t ho t h e rc o m m o n t e c h n o l o g i e so fr e m o v i n gn o n l i n e a rd i s t o r t i o n ，t h ef e e d f o r w a r dp o w e ra m p l i f i e rh a s b e e np r o v e dt ob et h ep r e d o m i n a n ta n da p p l i e do n e b a s e do nt h ed o u b l el o o po f f e e d f o r w a r da m p l i f i e r , ap o s i t i v es l o p ea d j u s t a b l ep h a s es h i f t e rh a sb e e np u ti n t ot h i s s y s t e m t h ep r i m a r yf u n c t i o no fp o s i t i v es l o p ea d j u s t a b l ep h a s es h i f t e ri st oi m p r o v e t h ep r e c i s i o no fd e l a yc o m p e n s a t i o nb y 删u s t i n gt h ep h a s es l o p eo fs i g n a l ，i no r d e r t oa m e l i o r a t et h ep e r f o r m a n c ea n dw o r ke f f i c i e n c yo ff e e d f o r w a r da m p l i f i e r , a n d e x p o r tt h ea m p l i f i e ds i g n a lw i t hn od i s t o r t i o n a l o n gw i t ht h et h e o r yo ff e e d f o r w a r da m p l i f i e rs y s t e m ，t h ep e r f o r m a n c eo f p o w e rd i v i d e r ，d i r e c t i o n a lc o u p l e r , r e f l e c t i o na d j u s t a b l ep h a s e s h i f t e ra n dp o s i t i v e s l o p ea d i u s t a b l ep h a s es h i 舭rh a sb e e nt e s t e db yn e t w o r ka n a l y z e r a st h ep o s i t i v es l o p ea d ju s t a b l ep h a s es h i f t e ri sa p p l i e di nf e e d f o r w a r da m p l i f i e r f i r s t l y , t h ep e r f o r m a n c e o ft h i ss e c t i o ni sm o r es i g n i f i c a n t t h et r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c ，p a r a m e t e rc u r v e s ，t h ea d j u s t i n gr a n g ea n dr u l eo f t h i ss e c t i o nc a nb et h e b a s i cd a t af o rl o o pt e s t i n g t h e s es e c t i o n sw i l lb ei n t e g r a t e df o rl o o pt e s t i n ga f t e rt h er e s p e c t i v et e s t ，a l l t h e s ed a t aa r ef a v o r a b l ef o re l i m i n a t i n gn o n l i n e a rd i s t o r t i o n k e yw o r d sf e e d f o r w a r da m p l i f i e r ；d e l a y ；p o s i t i v es l o p ea d j u s t a b l ep h a s es h i f t e r l i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标泣和致鲥的地方外，论文中4 i 包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业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：i 一：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了谢意。 签名： 扯隅绰业 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公佃论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：二牡导师签名：嗍：雩型。 第l 章绪论 i l i | 皇曼鼍曼曼量曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼! ! ! 曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼皇曼曼量曼曼皇皇曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼! 鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼! 曼 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 2 0 0 9 年1 月7 日，工业和信息化部为三大运营商发放了三张3 g 牌照，此 举标志着我国正式进入了3 g 时代。与此同时，不仅移动通信业务的用户日益 增多，传输信道上的信息量更是庞大。3 g 的核心应用包括宽带上网、视频通话、 手机电视、无线搜索、手机音乐、手机购物和手机网游等功能，不仅数据量大， 对传输速率要求非常高。这就使得通信频段愈加拥挤，对通信系统中频谱的利 用率有了更高的要求。 在无线通信事业如此蓬勃发展的大背景下，对于无线通信系统中改善和提 高通信质量的关键技术也给予了更高的关注度。在g s m 、c d m a 移动通信网 络建设中，一般采取的是以基站为主、直放站作为补充的混合组网方式，作为 直放站中最主要部件的功率放大器，其主要作用是把信号放大到一定的功率电 平，满足远距离信号传输的需要。对于功率放大器除了有一定的功率输出和增 益指标要求外，线性度也是一个十分重要的指标，其品质关系到整个网络的质 量。直放站在移动通信网络中被大量使用，要减少直放站的互调干扰对移动通 信网络的影响，其根本途径是改善直放站射频功率放大器的非线性特性，因此 对于功率放大器的线性化程度提出了更高的要求，功率放大器的线性化设计也 成为提高整个通信系统性能的关键技术【。 在通信过程中，功率放大器的非线性失真往往会产生邻道干扰，从而引起 信号失真。由于再生的频率紧邻载波，无法像消除谐波那样用滤波器抑制，因 此需要发展功放线性化技术。在实现高功放的基础上，采用线性化处理技术， 以较好地解决信号的频谱再生问题。 现有移动通信系统对邻道干扰的要求非常严格，通常要求己调信号在邻信 道的辐射功率与所需功率之比应低于6 0 d b c ，因此近年来人们一直致力于功率 放大器线性化技术的研究 2 1 ，主要包括：功率回退技术、预失真线性化技术及 前馈线性化技术等。这三种线性化技术对功率放大器的失真，尤其是互调失真， 有不同程度的改善，其中，预失真技术对互调失真能有1 0 2 0 d b 的改善，而前 馈线性化技术在这一指标上能够达到2 5 4 0 d b ，体现出了一定的优越性。 理论上，前馈线性化可以应用于宽带系统，并能够得到很好的失真抑制， 但在实际应用中，特别是在宽带应用和需要大动态范围时，前馈系统所要求的 抑制环路的相位、延迟、幅度平衡很难精确获得，且对环境温度的变化和器件 老化很敏感，从而限制了实际应用中前馈放大系统的性能。同时前馈系统相对 北京t 业大学理学硕f j 学位论文 其它线性化方法电路结构又比较复杂，因此，尽管前馈技术的思想早在上个世 纪七十年代就已经提出，但是其发展却远远落后于预失真补偿等技术。 随着c d m a 技术为基础的2 5 g 和3 g 通信技术迅速进入应用领域，对线 性放大技术提出了更高的带宽要求；与此同时，电子器件制造技术的不断进步， 测量手段的不断完善，使得实现前馈线性化技术所要求的精确控制相位、延迟、 幅度平衡成为可能，带动了对前馈放大系统的研究与开发。 此外，前馈线性化技术还有以下几方面的优势：改善功放的线性度的同时 不损失器件的增益及增益带宽；其辅助放大器仅处理误差信号，所以有低功率 和低噪声的特点，使得总噪声性能得到一定的改善；并且在电路结构上能实现 无条件稳定，因此前馈线性化技术在线性功率放大器中被广泛采用并不断发展。 本论文的研究内容就是讨论前馈功放系统及其中各模块的工作特性，为更好地 抑制非线性失真信号提供更多的数据资料。 1 2 国内外研究进展 功率放大器线性化技术的研究可以追溯到上个世纪二十年代。1 9 2 8 年在贝 尔实验室工作的美国人h a r o l d s b l a c k 发明了前馈和负反馈技术并应用于放大 器的设计中，有效地减小了放大器的失真，可以认为是功放线性化技术的开端。 随着无线通讯技术的兴起和发展，人们才逐渐认识到负反馈技术中的带宽限制 和稳定性比较差等缺点，不能完全适应通信技术的发展，前馈线性化技术才得 以飞速发展，同时一些新兴的功放线性化技术也得以广泛研究和应用，如：模 拟预失真技术、自适应基带数字预失真技术、自适应前馈线性化技术、自适应 前馈预失真技术等。 线性化技术发展到现在，逐渐出现了各种线性化技术逐步融合的趋势。例 如前馈技术的载波消除环中就经常用到预失真技术，而预失真技术中也加入了 反馈的思想。除了各种线性化技术之间相互融合借鉴，线性化技术和数字信号 处理技术的结合也越来越紧密，特别是随着高速度d s p 技术的发展，自适应的 思想逐渐被引入到线性化技术中，相应的出现了自适应前馈技术、自适应预失 真技术等等，这些技术的融入，使得线性功放的线性度得到了极大的提升【3 】。 国外已有多家公司从事前馈线性放大器的开发性研究，并应用于c d m a 产 品，主要指标集中于失真抑制度、效率及稳定性。大都采用自适应技术，用微 处理器技术来提高前馈系统的稳定性；主放大器采用较为复杂的电路结构 ( d o h e r t y 放大器) ，或采用f 类工作模式，以提高前馈系统的效率。但这些都 使得前馈系统更加复杂，同时提高了系统的造价。 目前，功率放大器线性化技术已成为第三代无线通信系统的关键技术之一。 第1 帝绪论 我国对功放线性化技术的研究起步比较晚，随着近年来国外的各种线性化技术 的成功实现以及我国第三代移动通信系统的启动，国内对功放线性化技术也逐 渐开始重视，而且目前已经有不少机构正在开展这方面的研究工作，也已经有 一些比较成功的研究产品问世。 从检索到的国内外文献来看，目前从事前馈技术研究的人员依然在强调相 位、幅度这两个参量，要求0 1 8 0 度范围内相位要对准，幅度要致，而忽略 了若干周期变化造成的时间延迟问题，而时间延迟在数字通信中是十分关键的 【4 】。 1 3 研究内容 本论文主要对功率放大器线性化技术中的前馈线性化技术进行了一定的研 究和论证。由于基站的发射信号需要满足一定的功率增益，相应地也就对前馈 放大系统中的功率放大部分提出了较高的要求。通常基站所需的功率增益大都 在4 0 d b 以上，输入功率一般为一1 0 d b m ，输出功率达到3 0 d b m 以上。本论文的 重点不在于功率增益的提高上，而是要利用实验室现有的条件，尽可能地采用 前馈线性化的方法实现对于非线性失真信号的抑制，并且掌握前馈功放系统中 各网络的重要指标参数及参数之间的相关性。在此条件下，如果前馈系统得以 很好的实现，并且有充足的分析数据，将可以进行更高增益的前馈系统实验，并 得到在高功率条件下各网络的参数指标。 通过对已有前馈理论的分析，在8 7 0 m h z 一8 8 0 m h z 频带宽度内，设计一个 线性前馈功率放大器，进行基础研究实验，掌握前馈系统中各功能模块的结构 功能、重要的指标参数以及各参数之间的关系。 设计重点在于对基本的前馈功放系统环路进行了一定的改进设计，引入了 正斜率可调宽带移相器模块，通过调节信号在支路上的相位斜率，尽量减小环 路中两路信号间的相位斜率差，以实现对于两路信号间延时差的调整。 在实际测试中得到的各功能模块的详细参数指标，可以为日后的改进设计 提供有效的参考。 笫2 市前馈功放系统的t 作原理及己5 ( 进设计 第2 章前馈功放系统的工作原理及改进设计 一般而言，线性化技术分为开环系统和闭环系统两类。闭环系统可得到高 的线性度，但它严重限制了调制带宽，并且有可能造成系统不稳定；开环系统 具有潜在的处理宽带调制信号的能力，也没有闭环系统固有的稳定性问题，但 其校准精度远不及闭环系统。而前馈技术提供了闭环系统的线性化校准精度和 开环系统的绝对稳定性及带宽，合理地采用前馈技术可获得较大带宽，同时有 效地改善功放的线性度，对于移动通信系统中的多载波、宽带工作方式非常有 利【5 】o 而非线性失真成分的产生严重影响了功放的线性度。在高频电子线路中， 有源器件因其固有的非线性特性，即使线性电路也可能产生截止、饱和及谐波 等多种非线性失真。在混频、调制和解调等频率搬移电路中还会带来更多的非 线性失真。在发射机中，非线性的调制器和功率放大器会产生带外功率辐射和 互调分量，这将对发射机载频的邻近信道产生干扰，影响其他用户正常传输信 号。在接收机中，放大器、混频器和解调器的非线性会限制接收机动态范围， 产生增益压缩甚至阻塞、谐波失真、交调和互调干扰，导致系统性能的下降， 扰乱信息的正常传输1 6 j 。 本章将首先介绍非线性失真成分产生的基本原理，并对主要的功放线性化 技术进行概述，最后论述前馈功放系统的基本工作原理，及本论文中对前馈系 统进行的改进设计。 2 1 非线性失真的主要表现形式 功率放大器的非线性失真特性主要有两种，分别为非线性的增益特性及非 线性的相移特性。非线性的增益特性，即输出信号与输入信号的功率之间不是 线性关系，对于单频信号的输入，将会产生谐波失真；而对于双频信号的输入， 除谐波外，还会产生交调分量，引起交调失真；非线性的相移特性，即输入输 出的相位差随功率不同而改变，结果会产生调幅调相( a m f m ) 效应。 一般对功率放大器的线性度的衡量有谐波抑制度、三阶交调抑制度等指标： 当放大器输入载波频率为f o 的单频信号时，由于器件的非线性失真，会产生频 率为2 f o 等的谐波，谐波输出功率与主频输出功率之差为谐波抑制度，用d b c 表示：当放大器输入频率间隔不大、幅度相同的载波频率分别为f l 和的信号 时，由于器件的非线性失真，在放大器输出端除了载波频率为f l 和龟的信号外， 还形成了频率为朋石矾( m 、1 1 均为自然数) 的交调产物，其中频率为2 石一厶 北京t 业大学理学硕十学位论文 , n2 a 一石的两个频率分量功率最大，称为三阶交调产物，三阶交调产物与输出 载波的功率之差即为功率放大器的三阶交调抑制度。三阶交调产物频率非常靠 近主频f l 和丘，一般无法通过滤波等方式消除，只能在放大器的设计过程中加 以改善。因此，抑制三阶交调产物，提高三阶交调抑制度是提高功率放大器线 性度的重点。 2 2 非线性失真产生的基本原理 功率放大器不是纯线性器件，现在用幂级数法来说明非线性元件在不同激 励所产生的结果。 设功率放大器的输出输入函数为v 。= f b 愈) 】，展开成幂级数形式为 v 。= 毛v f ( f ) + k 2 v , 2 ( f ) + k 3 v j ( ，) + 假定输入信号为单一频率的信号y ，( f ) = ，。c o s c o , t ，则 ，。( f ) = 毛y ，c o s t o ，t + 砂，2c o s 2t o r t + 咖，3c o s 3c o d + = 丢哎v ，2 + ( 毛u + 三乜_ 3 ) c 。s q ，+ j 1 屯u 2 c 。s 2 q ，+ l k 3 v , c o s 3 q ，+ 由上式可知，由于放大器的非线性，输出信号中除输入信号频率外，还出 现了新的直流分量，2 哆、3 q 等谐波分量。 如果是双音输入，即y f ( r ) = y ( c o s c o l t + c o s o ) 2 t ) ，则 v o ( f ) = 毛v ，( c o s ( d 1 t + c o st 0 2 t ) + k 2 v ，2 ( c o sc o l t + c o st 0 2 ，) 2 + k 3 v ，3 ( c o sc o l l + c o s6 0 2 t ) 3 + = k 2 v ，2 + ( “+ 詈w ) c 嗍州“+ 三纠) c 。s 哆， + 咖f 2g o s ( ( j ) i - c 0 2 ) t + k 2 v f 2c o s ( o ) l + 6 0 2 ) t + l c o s 2 6 0 l t + 1 k 2 v i 2c o s 2 q f + 3 k 3 v 。3c o s ( 2 q 一呸) f + 3 k 3 v 。3c o s ( 2 哆一q v + 3 k 3 v i 3c o s ( 2 q + 哆y + 3 k 3 v t 3c o s ( 2 哆+ q ) f + l k 3 v ic o s q f + i 1k 3 v , 3c o s 3 哆“ 由上式可以看出，双频输入时功率放大器输出端口的成分由直流分量，基波q 和q ，二次谐波2 q 、2 吐和三次谐波3 q 、3 吐以及二次交调分量q - i - 0 ) 2 ，三 次交调分量2 q 哆等组成。一般情况下，2 q 一哆，2 哆一q 落在通带内，是 第2 章前馈功放系统的t 作原理及改进设计 主要考虑的非线性产物。 正是由于功率放大器的非线性特性，使需放大的信号产生了失真，因此系 统对功率放大器提出了线性度要求，从而产生了提高功率放大器线性度的多种 方法。 2 3 功率放大器的线性化技术 功率放大器的非线性失真会使其产生新的频率分量，如对于二阶失真会产 生二次谐波和双音拍频，对于三阶失真会产生三次谐波和多音拍频。这些新的 频率分量如落在通带内，将会对发射的信号造成直接干扰，如果落在通带外将 会干扰其他频道的信号。为此要对射频功率放大器进行线性化处理，这样可以 较好地解决信号的频谱再生问题。射频功率放大器基本线性化技术的原理与方 法不外乎是以输入r f 信号的振幅和相位作为参考，与输出信号比较，进而产 生适当的校正。实现射频功率放大器线性的常用技术有三种：功率回退法、预 失真法及前馈法。 2 3 1 功率回退技术 功率回退是最常用的方法，即选用功率较大的管子作小功率管使用，实际 上是以牺牲直流功耗来提高功率放大器的线性度。功率回退法就是把功率放大 器的输入功率从l d b 压缩点向后回退6 1 0 个分贝，工作在远小于l d b 压缩点 的电平上，使功率放大器远离饱和区，进入线性工作区，从而改善功率放大器 的三阶交调系数。一般情况，当基波功率降低l d b 时，三阶交调失真改善2 d b 。 功率回退法简单且易实现，不需要增加任何附加设备，是改善放大器线性 度行之有效的方法，缺点是效率大为降低。另外，当功率回退到一定程度，当 三阶交调达到5 0 d b c 以下时，继续回退将不再改善放大器的线性度。因此，在 线性度要求很高的场合，完全靠功率回退是不够的。 2 3 2 预失真技术 预失真技术是在功率放大器前增加一个非线性电路用以补偿功率放大器的 非线性失真。预失真线性器产生一个非线性的转移特性，这种转移特性在相位 上与放大器的转移特性相反。或者说，预失真器是互调失真发生器。如果它产 生的互调失真同放大器的互调失真在幅度上相等，相位上相差1 8 0 0 ，那么放大 器的互调失真就被消除了。而这样做的前提就是当输入功率变化时，线性化的 放大器保持增益和相位恒定。预失真技术分为r f 预失真和数字基带预失真两 北京t 业大学理学硕i j 学位论文 种基本类型。 2 3 3 前馈线性化技术 前馈线性技术主要通过耦合器、衰减器、合成器、延时线、功分器等功能 单元组成两个环路。射频信号输入后，经功分器分成两路。一路进入主功率放 大器，由于其非线性失真，输出端除了有需要放大的主频信号外，还有三阶交 调干扰。从主功率放大器的输出中耦合一部分信号，通过第一个环路抵消放大 器的主载频信号，使其只剩下反相的三阶交调分量。三阶交调分量经辅助放大 器放大后，通过第二个环路抵消主放大器非线性产生的交调分量，从而改善功 率放大器的线性度【7 j 。 前馈功放系统可以很好地改善功放的线性度，在工作频带的带宽内不损失 器件的增益带宽，第二个辅助放大器仅处理误差信号，因此它是低功率和低噪 声的放大器，使系统的总噪声性能得到改善，此外，它还是无条件稳定的电路。 可见，由于前馈线性化技术既提供了较高的校准精度，又没有不稳定和带宽受 限的缺点，已成为功放线性化研究中的重点内容。本论文也正是基于此，在基 本前馈功放系统环路的基础上提出了改进的方案。 2 4 射频前馈功率放大器的系统结构设计 前馈功率放大器由两个环路组成，即失真信号提取环和失真信号消除环。 在失真信号提取环中，基波信号被抵消，主功率放大器产生的非线性失真信号 被提取出来；在失真信号消除环中，提取出来的失真信号经过误差放大器放大 后抵消主放大器产生的非线性失真分量。 在基本的前馈功放系统中，对于两路信号经过不同电长度后产生的时间差， 往往采用固定延时线的方法进行补偿，使整个系统的调节精度受到了限制。本 论文提出了将正斜率可调移相单元加入到前馈系统中，初步实现前馈系统中对 于延时量的调节，从而提高前馈系统中消除非线性失真成分的精度。 下面分别对于前馈功放系统的基本工作原理及改进后的前馈系统进行阐 述。 第2 章前馈功放系统的t 作原理及改进设计 2 4 1 前馈功率放大器的基本工作原理 图2 - l 前馈功放系统原理框图 f i g 2 1t h ec o n f i g u r a t i o no f ab a s i cf e e df o r w a r dp o w e ra m p l i f i e r 由图2 1 可以看出，前馈功放系统利用双环结构抵消功率放大器输出端的 非线性失真成分，以抑制功率放大器输出信号中的频谱再生分量。 在失真信号提取环l o o p l 中，输入信号被功率分配器分成两路信号，上通 路信号进入主放大器进行功率放大，由于主放大器设计工作于强非线性的饱和 区，使得功率放大器的输出信号中包含丰富的失真成分。此信号经过耦合器后 再次被分成两路信号，一部分进入失真信号消除环l o o p 2 ，另一部分在功率合 成器1 处与l o o p l 中经过延时后的下通路信号进行合成，通过对移相器进行调 节，使两路信号中的主信号成分因幅度相等且相位相差1 8 0 0 而被抵消掉，从而 提取出失真信号成分。 同理，通过l o o p l 得到的失真信号经过误差放大器进行线性放大后，与在一 耦合器直通端被分出的另一路信号在功率合成器2 处合成，通过调节移相器， 使这两路信号中幅度相等的失真信号因相位相差1 8 0 0 而被抵消掉，从而在输出 端得到功率被放大但无非线性失真成分的主信号。 前馈功率放大器的线性度很高，载波信号与交调信号之比( c i ) 达 4 0 6 0 d b c ，且与具体通信系统的调制方式无关。前馈放大器的放大特性与主功 率放大器的放大倍数有关，而与误差放大器的放大倍数无关。但误差放大器的 线性度将直接影响前馈功率放大器的线性度，因此误差放大器要工作在线性区。 2 4 2 前馈系统中三个重要参量失配的影响 由于前馈放大器的两个抑制环路，都是通过使两个幅度几乎相等而相位相 反的信号分量相抵消，来抑制特定的信号，以实现抑制非线性失真分量的，所 以两信号分量间的幅度失配、相位失配、延迟失配都会直接影响前馈放大器的 性能指标。同时，它对器件容限、漂移、及当信道载波数变化引起的功率电平 北京t 业大学理学硕f j 学位论文 的变化也很敏感。 两路信号时间对准、幅度相等、相位相差1 8 0 0 ，是环路抑制效果的最佳状 态。幅度失配、相位失配、延迟失配对线性化环路抑制性能c p 及线性化带宽 都有影响。其中，相位失配决定了环路的中心频率；幅度失配影响环路中心频 率处的抑制度。要获得一个很好的c p 及线性带宽时，就要使得两路信号幅度、 相位、延时满足无失配条件。 总之，幅度、相位及延时对于前馈系统来说是非常重要的三个调节参数， 因此要实现前馈系统的有效调节和输出，对于这三个重要参量的测试数据起着 决定性的作用i 。 2 4 3 改进后的前馈功率放大器系统设计 正斜率移相 单元 信号 一蝴h 运i 刊 图2 2 改进后的前馈功放系统原理框图 f i g 2 2t h ec o n f i g u r a t i o no f a ni m p r o v e df e e d f o r w a r dp o w e ra m p l i f i e r 在前馈功放系统的基本环路中，主要通过幅度调整及相位调整来实现对某 些信息量的抑制和消除，延时量往往采用固定延时线来补偿，由于其不可调节， 使得环路的校准精度受到了一定的限制。 而在实际应用中，延时量在前馈系统校准过程中的作用和影响是不容忽视 的，所以在对基本前馈系统进行改进设计时，尝试性地加入了正斜率移相器模 块，替换了原有的固定延时线，如图2 2 所示。 由于该功能模块的相位斜率为正，等效为延时量的缩短，对该模块进行调 节，使其所在支路上信号的相位斜率与另一支路信号相位斜率的差值尽量小， 从而在提高前馈系统校准精度的同时增大工作带宽。 2 5 本章小结 本章分析了非线性失真分量产生的原因、表现形式及由此对通信质量产生 的危害，进而简述了几种主要的线性化技术，通过比较说明了前馈功放线性化 技术的优势及其目前在通信系统中的重要作用。在此基础上，引出了对于前馈 器 一 相 一 移 一 n 一 11 l 放器 主大 第2 章前馈功放系统的t 作原理及改进设计 功放系统基本原理的阐述，不仅提出了基本前馈环路结构中存在的不足，还提 出了改进的方案。在此方案中，关注到了延时量这一重要但却很少被涉及的参 数。理论上，通过引入正斜率可调宽带移相器，不仅能够提高前馈双环路系统 中对于延时量的校准精度，还可以在一定程度上扩展前馈功放系统的工作带宽。 第3 章射频前馈放人器的理论幕础 毫曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼皇曼皇曼曼曼曼i i i 曼曼曼曼曼蔓曼曼曼! 曼! 曼! ! ! ! ! ! 曼! 曼! 量 第3 章射频前馈放大器的理论基础 在前面章节中已经阐述了前馈功放系统的基本工作原理，以及在本论文中 对前馈系统整体进行的改进设计，在后续的章节中将分别介绍各功能模块的工 作原理及功能的实现。在此之前，有必要对各功能模块中用到的基础理论进行 简要的介绍，其中包括功率分配合成器和定向耦合器设计中用到的微带线结 构，反射式可调移相器中采用的3 d b 定向耦合器结构。 这两部分内容不仅构成了本论文中各模块功能实现的基础，在射频设计领 域中同样有着广泛且重要的应用。 3 1 微带线的特性 微带线板材结构如图3 一l 所示，导体带的宽度为w ，厚度为t ，导体带和接 地板均由导电良好的金属材料( 如银、铜、金) 构成，导体带与接地板之间填 充以介质基片，导体带与接地板的间距为h 。介质基片应采用损耗小，粘附性、 均匀性和热传导性较好的材料，并要求其介电常数随频率和温度的变化也较小。 对介电常数的要求应视具体情况而定。一般常用的介质基片的材料有金红石( 纯 二氧化钛) 、氧化铝陶瓷、蓝宝石、聚四氟乙烯和玻璃纤维强化聚四氟乙烯等。 图3 1 电路板板材 f i g 3 1t h em a t e r i a lu s e df o rm a n u f a c t u r i n gc i r c u i t 微带线中的重要参数包括：介质层厚度h 、介质层相对介电常数e r 、介质 层相对磁导率m u r 、导体带电导率c o n d 、覆盖层厚度h u 、导体带厚度t 、介 质层损耗因数t a n d 、导体带表面粗糙度r o u g h 。 微带线或由微带线构成的微波元件，大都采用薄膜( 如真空镀膜) 和光刻 等工艺在介质基片上制作出所需的电路。此外，也可以利用在介质基片两面敷 有铜箔的板，在板的一面用光刻腐蚀法制做出所需的电路，而板的另一面的铜 箔则作为接地板。 3 1 1 微带线中的模式 因为可以把微带线看作是由双导线传输线演变而成的，所以，若导体带与 北京t 业人学理学硕十学位论文 接地板之间没有填充介质基片，或者说此时的介质就是空气，或者整个微带线 被一种均匀的介质全部包围着，那么，它可以传输t e m 模，而且是最低次型的 模式( 主模) 。但是，实际的微带线只是在导体带与接地板之间填充有相对介电 常数s ， 1 的介质基片，而其余部分是空气，也就是说，在微带线的横截面上存 在着介质与空气的交界面。可见，任何模式的场除了应满足介质与理想导体的 边界条件之外，还应满足两种不同介质的边界条件。根据理想介质的边界条件 可知，纯t e m 波的场是不满足这个边界条件的，因此微带线中传输的模式是由 t e 模和t m 模组合而成的混合模式，是具有色散性质的模式。这种模式的磁 场的纵向分量和电场的纵向分量均不为零。 由此可知，由于实际微带线中存在的是具有纵向场分量的混合模式，而不 是纯t e m 模，因此，若根据边界条件严格求波动方程的解，以得到场的结构， 并进而讨论它的色散特性，这个过程是比较复杂的。但是，当频率较低时，电 磁场的纵向分量很小，色散效应也较小，此时的场结构近似于t e m 模，一般称 它为准t e m 模。严格地讲，准t e m 模具有色散特性，这一点与纯t e m 模不 同，而且随着工作频率的升高，这两种模之间的差别也愈大。 为把问题简化，而在实用中又不会带来很大的误差，常把在较低频率范围 内的准t e m 模当作纯t e m 模看待，并据此来分析微带线的主要特性参数，这 种方法称为准静态分析方法。就是说，采取在静态场( 静电场、静磁场) 中分 析t e m 的方法，来分析微带线中准t e m 模的某些特性参数。 3 1 2 微带线的特性阻抗 若微带线是被一种相对介电常数为s ，的均匀介质所完全包围着，并把准 t e m 模当作纯t e m 模看待，并设l 和c 分别为微带线单位长度上的电感和电 容，则特性阻抗为 z c = 居= 币1 相速度u ，为 t ) p2 击2 参 2 面2 考 但是实际的微带线是含有介质和空气的混合介质系统，因此不能直接套用 上面的公式求特性阻抗。为了求出实际的微带线的特性阻抗z c 和相速度u 。，而 第3 币身寸频前馈放火器的理论摹础 引入了等效相对介电常数的概念。如果微带线的结构形状和尺寸不变，当它被 单一的空气介质所包围着时，其分布电容为c o 。实际微带线是由空气和相对介 电常数为e ，的介质所填充，它的电容为c l ，那么等效相对介电常数s ，。的定义为 s ，。= c l c o 。即是说，可以把实际的混合介质系统想象成是由单一的、均匀的、 相对介电常数为s ，。的介质所构成的系统，它和实际的混合介质系统的特性阻抗 和相速度是完全样的。这样，实际微带线的特性阻抗即可表示为 z c = 刃e 。，其中零为在同样形状和结构尺寸的情况下、填充介质全部是空 气时微带线的特性阻抗零= l ( v o c o ) 。 由上三式可知，所谓用准静态法求实际微带线的特性阻抗互，关键是求出 静态场情况下的分布电容c 0 。 3 1 3 相速度和波导波长 由于微带传输线是具有混合介质系统的传输线，因此，它的相速度为 u p ：弓坠，式中，u o 为自由空间中电磁波的速度；e r e 为相对有效介电常数。 _ m 微带传输线的波导波长以2 e 九- ，式中，九为自由空间中的波长。 3 1 4 微带线的损耗 微带线中的损耗包括导体损耗、介质损耗和辐射损耗三部分。若微带线的 尺寸选择适当，频率不很高，则辐射损耗很小，一般可忽略不计，因此表征微 带线损耗的衰减常数c c 可写为a = a 。+ 式中，a 。为导体的衰减常数，为介质的衰减常数。 3 1 5 微带线的色散特性 前面的分析都是假设微带线工作于t e m 模的情况下进行的，所得的结论和 北京i ：业人：珲掌坝f ：宁佗论又 公式，在较低频率时是正确的。但微带中实际存在的是由t e 和t m 所组成的 混合模式，因此当频率较高时，色散的影响就不能忽略，即是说，在计算z c 、 u p 、以和s 彤时就要考虑到色散的影响。若不考虑这些影响，计算出来的各个 参数的数值就有较大的误差，这是由于z c 、u p 、九和s 。等均随频率而变的缘 故，即微带线具有色散特性。其中，e 。的变化会直接影响其它参数的变化。在 2 s ， 4 对，s 。( ) = 3 1 0 巧( 1 + ，) ( ，一1 ) 办( 每) 1 2 ( 睾) ( 厂一f o ) + 。 j仃 式中，f 并l lf o 以g h z 计，互以q 计，w e 和办以i n n l 计【9 】。 3 2 定向耦合器的特性 定向耦合器是一种具有方向性的功率耦合和分配单元。它是一个四端口元 件，由主传输线和副传输线的两段传输线组合而成的。主、副线之间通过耦合 机构把主线功率的一部分或全部耦合到副线中去，而且要求功率在副线中只传 向某一输出端口，另一端口则无输出。定向耦合器的四个端口分别定义为输入 端、直通端、耦合端和隔离端。如果主线中波的传播方向与原来的相反，则副 线中功率的输出端口与无功率输出的端口，也随之改变。即是说，功率的耦合 和分配是有方向性的，因此称为定向耦合器。由于定向耦合器是对称互易四端 口网络，因而任一端口都可作为输入端口，对指定的定向耦合器而言，当确定 某一端口为输入端口后，相应的其它三个端口也将被确定。 3 2 1 定向耦合器基本原理及主要技术指标 波导、同轴线、带状线和微带线等都可以构成定向耦合器。定向耦合器的 结构示意图如图3 2 所示。 s 4 l 耦台机构 s 3 1 $ 2 1 图3 - 2 定向耦合器结构示意图 f i g 3 - 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fd i r e c t i o n a lc o u p l e r 设从端i s i 输入幅度为1 的电压波，其余端口均与匹配负载连接，端口、 和的电压传输系数分别用s 2 1 、s 3 l 和s 4 l 表示，并设端口为耦合端，有功 率输出，端1 5 1 为隔离端，无功率输出。由此定义定向耦合器的技术指标如下。 耦合度c 为主线中端口的输入功率与耦合到副线中正方向( 端i s l ) 的 功率之比的对数，即 仁1 0 k 击观0 1 9 高) 由耦合度的定义可知，耦合度的分贝数越大耦合越弱。通常把耦合度为 0 1 0 d b 的定向耦合器称为强耦合定向耦合器；把耦合度为1 0 2 0 d b 的定向耦合 器称为中耦合定向耦合器；把大于2 0 d b 耦合度的定向耦合器称为弱耦合定向 耦合器。 在理想情况下，隔离端e l 应无输出功率，但由于受到设计精度和制造工艺 的限制使隔离端口尚有一些功率输出，因此采用方向性系数及耦合度来表示定 向耦合器的定向传输性能。 方向性系数d 为副线中传向正方向( 端口) 的功率与传向反方向( 端口 ) 的功率之比的对数，即 肚g 群一z o g 斟c 拈， 隔离度i 为主线中端口的输入功率与副线中向反方向( 端1 2 1 ) 传输的 功率之比的对数，即 忙1 0 k 奇观0 1 9 高) 上式表明，方向性系数d 越大，则隔离端1 5 1 的输出功率越小，定向性及隔 离度高。 北京1 业大学理学f 哆! 一t j 字位论文 输入驻波比s w r 为当端口、和均接匹配负载时，端口的输入驻 波比。此时，网络输入端的反射系数即为网络的散射参量s 故 s w r ：蜊 卜i s l | 输入驻波比反映的是定向耦合器输入端与系统的匹配情况，有时也可直接 用s l i 的分贝数形式描述。 工作频带为能满足c 、d 、i 和s w r 各项技术指标要求的工作频率范引1 0 1 。 3 2 2 定向耦合器的网络特性 示为 根据图3 2 所示的定向耦合器各端口的定义，可以将其特性用散射参量表 s = s l ls 1 2 s 2 ls 2 2 s 3 ls 3 2 s 4 ls 4 2 s 1 3s 1 4 s 2 3s 2 4 s 3s 3 4 s 4 3s 4 4 理想情况下，定向耦合器是可逆的对称网络，且隔离度无穷大，如果定向 耦合器各端口匹配良好，则 s 口= s j , ( i j ，f ，j = l ，2 ，3 ，4 ) s i l = s 2 2 = s 3 3 = s 4 4 = 0s 1 2 = s 3 4s 1 3 = s 2 4s 1 4 = s 2 3 = 0 于是得到理想条件下的定向耦合器散射参数表达式为 s = 0 s 1 2 s 2 l 0 墨l 0 0 s 4 2 3 2 3 平行耦合线定向耦合器 s 1 3 0 0 s 2 4 0 s 3 4 s 4 3 0 平行耦合线定向耦合器是t e m 波传输线定向耦合器的一种主要形式。由两 个等宽的耦合线段组成，其耦合线的长度是中一i i , 波长的四分之一，这种平行耦 合线定向耦合器通常用微带线或带状线来实现，如图3 3 所示。 第3 幸射频前馈放火器的理论基础 ! 酊三r 一 言矿一 l 图3 - 3 平行耦合线定向耦合器结构示意图 f i g 3 3t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fp a r a l l e ld i r e c t i o n a lc o u p l e r 当信号从端口输入时，除向端e l 传输外，通过两线的电磁耦合，还会 向端口和端1 3 传输。由于电场耦合在副线中向和端口方向产生的电压 是等幅反相的，因此副线中端e l 处的电压是同相叠加而有信号输出，而副线 中端口处的电压则反相叠加而抵消。在理想情况下，端口无输出，可获得 理想隔离。耦合端端口的输出信号与端口的输入信号反相，和端口的输 出信号相位差9 0 0i 1 1 。 由于耦合微带线是包含介质基片和空气的混合介质系统，其传输的波是具 有色散特性的混合模式，因此，对耦合微带线的分析要采用奇偶模参量法。 若耦合微带线填充的完全是空气介质，令其奇模、偶模分布电容分别为c l o ( 1 ) 、c l 。( 1 ) ；c l 。( 。) 、c l 。( s ，) 分别为实际耦合微带线的奇模、偶模分 布电容；q 。、q e 分别为奇模和偶模的填充系数。于是，得到耦合微带线的奇模、 偶模有效相对介电常数s 。和e r e e 分别为： 铲瑞- 1 + 北，_ 1 ) ，铲制_ 1 + 以旷1 ) 奇模、偶模的特性阻抗分别为z 。= 坠，z o 。= 尘，式中，z o 、乙。 s 他om e 分别为空气耦合微带的奇模、偶模特征阻抗。 由奇模、偶模的有效相对介电常数可以得到奇模相速咋。( m s ) 、偶模相速 c s ) ，粥崂