[硕士论文精品]线性化功率放大器设计

摘要摘要现代无线通信技术广泛地采用了非恒定包络调制技术以实现更高的数据传输速率和频谱效率。例如在WCDMA通信基站及直放站系统中，要求对相邻信道的用户产生最小的干扰，功率放大器在放大高峰平LI二PAR信号时应具有较高的线性度；具有较好线性度的A类或AB类放大器应有足够的功率回退以满足线性度要求，造成了A类或AB类放大器效率偏低，这就和为了降低通信运营商的运营成本，减小冷却成本，易于热控制，提高功放效率的要求形成了一对矛盾。解决这对矛盾，同时有效的提高功率放大器效率和线性度已成为射频工程技术界的一个难点、热点。本文在对功率放大器非线性特性进行充分研究的基础上，综合各种线性化方法的优缺点，采用了一种应用交调信号发生器产生的交调信号反相对消掉功率放大器自身的交调分量改善功率放大器的线性度的射频预失真方法，设计和实现了应用于WCDMA直放站的20W级射频预失真线性化功率放大器。在此基础上，仿真设计了20W级低记忆效应、高效率DOHERTY功率放大器，通过优化其载波放大器和峰值放大器的直流偏黄点、输入输出匹配电路和合成网络，使功率放大器在高峰平比的WCDMA通信条件下同时具有高效率和较好的线性度优点。并采用短路掉功放晶体管输入输出端口处调制信号包络频率信号的方法设计的低记忆效应的DOHERTY功率放大器，将进一步提高射频预失真线性化功率放大器的效果。实测结果表明，在211217GHZ频带内，射频预失真线性化功率放大器在输入1MHZ间隔的双音频信号条件下，输出功率42DBM，增益56DB，三阶交调失真比达到70DBC，三阶交调的改善量大于25DB。功放输入14DBM的双载波WCDMA信号时，输出功率达到42DBM，相邻信道功率比ACPR达到50DBC，改善量达到9DB。本文研究结果表明，通过采用射频预失真法对功率放大器线性化效果明显，其电路简单、成本低、工作稳定，通过与低记忆效应、高效率DOHERTY功率放大器技术结合后，该射频预失真线性化功率放大器在当代无线通信领域将具有更广阔的应用前景。关键词线性化功率放大器；射频预失真；功率放大器记忆效应；DOHERTY功率放大器；交调；相邻信道功率比ABSTRACTTHEMODERNWIRELESSCOMMUNICATIONSYSTEMSHAVEMADESIGNIFICANTPROGRESSTOWARDUSINGNONCONSTANTENVELOPEMODULATIONTECHNOLOGYFOR11I曲一DATARATEANDSPECTRALEFFICIENCYCONSIDERATIONSSUCH勰WCDMABASESTATIONANDREPEATERAPPLICATIONS，THEPOWERAMPLIFIERSREQUIREAHIGHLINEARITYTOAMPLIFYTHEHIGHPEAKTOAVERAGERATIOPARSIGNALSOUCEWITHOUTDISTORTIONFORAVOIDINGINTERFERENCEBETWEENDIFFERENTCHANNELSTOSATISFYLINEARITYREQUIREMENTS，THEPOWERAMPLIFIERSALEUSUALLVBIASEDATCLASSA01“ABMODEANDMUSTOPERATEATALARGEAMOUNTOFBACKOFFFROMTHEPEAKOUTPUTPOWERHOWEVER,THECLASSAORABMODEPOWERAMPLIFIERSHAVEALOWE衔DENCVDUETOTHEBACKOFFOPERATIONWHICHINCREASINGTHEDIFFICULTYANDCOMPLEXITYOFTHERMALMANAGEMENTANDCOOLINGSYSTEMTHECONTRADICTIONBETWEENTHE1INEARITYANDTHEEFFIENCYMAKETHEDESIGNTECHNIQUEOFTHEPOWERAMPLIFIERSWITHHIGHE瓶CIENCYANDLINEARITYACROSSAWIDEINSTANTANEOUSBANDWIDTHBECOMEAHOTISSUEINTHISPAPER,BASEDONTHEADEQUATEANALYSISONNONLINEARCHARACTERISTICOFPOWERAMPLIFIER,ATYPEOFRFPREDISTORTIONAPPROACHTOLINEARIZEPOWERAMPLIFIERISPRESENTEDWHICHUTILIZESTHEINTERMODULATIONSIGNALGENERATEDBYANINTERMODULATIONSIGNALGENELATORTOCANCELTHEINTERMODULATIONCOMPONENTOFPOWERAMPLIFIERITSELFAHIGHPERFORMANCELINEARIZEDPOWERAMPLIFIERFORWCDMAREPEATERAPPLICATIONHASBEENDESIGNEDANDIMPLEMENTEDTHELINEARITYOFA20WHIGHPOWERDOHERTYAMPLIFIERISDESIGNEDUSINGTHEBIASCIRCUITOPTIMIZATION，TMEVENPOWERDRIVINGANDINDIVIDUALLYOPTIMIZEDMATCHINGANDCONLBININGCIRCUITSTOREDUCETHEMEMORYEFFECTS，THELOADIMPEDANCESOFTHEBIASCIRCUITSHOULDBEREDUCEDTOSHORTTHEENVELOPEFREQUENCYVOLTAGECOMPONENTINORDERTOAVOIDLIMITATIONOFTHECANCELLATIONPERFORMANCEOFRFPREDISTORTIONTECHNIQUESTHEMEASUREMENTRESULTSSHOWTHATTHEIM3REACHES70DBCANDTHEIMPROVEMENTINIM3DISTORTIONRATEOFTHEPOWERAMPLIFIERCANCELLATIONISMORETHAN25DBFORTWOTONESIGNALWITH1MHZSIGNALSPACINGINTHEFREQUENCYRANGEFROM211GHZTO217GHZATA42DBMOUTPUTPOWERFORAFORWARDLINKTWOCARRIERWCDMASIGNALATA14DBMINPUTPOWERLEVEL，THEPREDISTORTIONPOWERAMPLIFIERDELIVERSALLADJACENTIIABSTRACTCHANNELPOWERRATIOACPROF一50DBCATA42DBMAVERAGEOUTPUTPOWERWITHACANCELLATIONOF9DBNLERESEARCHDEMONSTRATESTHATTHERFPREDISTORTIONLINEARIZATEDPOWERAMPLIFIERCANIMPROVETHELINEARITYDISTINCTLYWITHSIMPLESTRUCTURE，LOWCOSTANDSTABLEPERFORMANCE，WHICHISESSENTIALTOMODEMWIRELESSCOMMUNICATIONSYSTEMIFCOMBININGWITHTHELOWMEMORYEFFECTANDHIGHEFFICIENYDOHERTYPOWERAMPLIFIERKEYWORDSLINEARPOWERAMPLIFIER,RFPREDISTORTION，MEMORYE彘CTS，DOHERTYPA，INTERMODULATION，ACPRIII独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工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谢意。虢弪乳喻了年F月F日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后应遵守此规定签名辫导师签名墼日期2们宁年6月F日第一章引言11课题研究的意义本课题是在新一代宽带无线移动通信业务发展的需求推动下，为解决目前线性化功率放大器存在的问题而提出的，有较高的学术研究和工程应用价值，在理论和实际应用中都具有重要意义。111新一代宽带无线移动通信业务发展的需要随着社会的发展，人们期望能随时随地，不受时空限制地进行信息交流与通信。在这种需求的推动下，从20世纪年80代起，无线移动通信技术获得了很大的发展，从传统的单基站大功率系统到蜂窝移动系统、卫星移动系统，从本地覆盖到区域、全国覆盖，并实现了国内、国际漫游，从提供语音业务到提供包括数据的综合业务，从模拟移动通信系统到数字移动通信系统等。截止07年6月，全球无线移动通信用户数约30亿，用户普及率高达45。中国无线移动通信用户截止2007年12月已达547亿。无线移动通信技术已成为当今发展最迅速，应用最广泛，最引人注目的通信技术。第一代无线模拟通信系统的产生是无线通信行业的一个里程碑，而第二代2G数字通信系统的到来，则更进一步提高了通信容量和质量，并且提供了一些低速率的数字服务。目前在2G系统中，主要有基于TDMA技术的GSM通信系统和基于CDMA技术的IS一95通信系统。前两代移动通信系统主要以语音业务为主，而第三代移动通信技术3G则主要提供数据服务，其标准有3个，分别为欧洲的WCDMA，北美CDMA2000的和中国提出的TDSCDMA。WCDMA的标准由3GPP组织所主导，其成员主要来自欧洲国家。作为3G三大标准中最主流的标准，全球90以上的运营商均已宣布采用该标准。WCDMA在技术上已基本成熟，2007年底在全球已拥有21亿用户，在我国移动通信领域也必将占据重要的地位。早期无线移动通信中采用恒定包络的调制技术，数据传输速率不高，对通信系统设备线性度的要求不是那么苛刻，因此通信设备中的功率放大器能够工作在它效率较高的临近饱和区。然而随着社会的不断进步，人们相互之间联系愈来愈密切，对通信的容量和质量提出更高的要求，加上人们对无线移动通信更宽带的电子科技大学硕士学位论文需求，促使了宽带无线移动通信迅猛的发展，使得恒定包络调制技术频带资源利用率低下这一缺陷在频率资源日益紧张的今天显得越发突出。为更好的利用频谱资源，新一代宽带无线通信系统采用比恒定包络有更高频谱利用效率的调制技术，例如四相相移键控QPSK等相位和幅度都在变化的非恒定包络调制技术，为了避免由于信号失真导致接收端信号的检测、识别困难，3G对通信系统设备的线性度提出了更高的要求。移动通信系统设备划分为核心网及基站设备网络基础设备、无线覆盖设备直放站为主和终端设备三大部分。射频器件子系统是基站和直放站的关键组件，而功率放大器作为其中的核心部件，在无线移动通信设备中具有举足轻重的地位，其重要性表现在以下几个方面1功率放大器是无线通信系统中非线性最显著的部件，位于无线移动通信发射机的末端，其线性度决定了通信基站及直放站系统中相邻信道用户之间的相互干扰程度，直接影响无线基站的性能和通信质量。2功率放大器是无线移动通信系统中功耗最大的部件，其效率直接影响设备的热控制难度和冷却成本，从而关系到无线通信运营商的运营成本。3功率放大器是无线移动通信系统中造价最高的部件之一，功率放大器及其相关的射频器件占无线基站硬件成本的40以上。新一代宽带无线通信系统中，为了降低通信运营商的运营成本，传统的功率放大器应处于高效率的非线性工作状态，其输出端产生很大的交调干扰，这些新的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频道的信号，严重影响通信质量。为避免这一现象的出现，降低功率放大器对信号非线性失真，功率放大器需处于线性工作状态下，然而由于采用的非恒定包络调制技术，其信号具有非等幅的载波包络，当放大多路载波信号时，信号幅度随时间剧烈变化，峰平比高达1013DB，传统功率放大器应有足够的功率回退以满足线性度要求，导致其工作效率偏低，这和降低通信运营成本，减小冷却成本，易于热控制，提高功放效率构成了矛盾。因此，在新一代多信道、高速和宽带无线通信系统发展需求的带动下，有着自主知识产权的高功率、高线性、高效率功率放大器有着广泛的应用前景和较高的商业价值。2第一章引言112线性化功率放大器目前存在的问题目前，在功放晶体管器件无显著变革的情况下，满足无线通信发展对线性化功率放大器的需求，须通过功放线性化技术提高功放线性度。常用的功率放大器线性化方法有功率回退技术、前馈技术、和预失真技术等【LJ。而这些传统的线性化技术往往存在以下问题1电路结构复杂，稳定性和通用性差前馈技术为实现高线性度改善效果，需要满足幅度相位的精确匹配，增加了复杂的控制及补偿电路，成本高；而且由于功放特性常受到环境温度的变化、供给电压的波动、信道的切换、器件的老化等一系列因素的影响，前馈技术延迟匹配的问题将进一步得到恶化，从而影响其线性化效果的稳定性。数字基带预失真技术改善功放线性度效果显著，但其电路较射频预失真技术复杂，且不易应用于功放输入输出信号均为射频信号的直放站系统，其应用场合由于其输入信号需为基带数字信号而受到了一定的限制。2效率低功率回退技术是一种最简单、最可靠的线性化措施，但存在功率利用率低且线性度改善有限等缺点；前馈技术具有线性度改善显著和宽带等优点，但由于要求额外的误差放大器和复杂的控制电路，导致功放整体效率较低，增加了无线通信设备的热管理难度。3线性化程度有限传统的射频预失真技术具有电路简单、成本低、效率高、宽带等优点，在当代无线移动通信基站和直放站系统中得到了广泛应用，然而由于记忆效应的制约，造成传统射频预失真技术对功放的线性改善程度有很大的退化，稳定性难以得到保障，单独采用传统的射频预失真技术难以达到新一代无线移动通信对功放线性化的要求。如何以低成本研制出效率高、线性度高、性能稳定、工作环境适应性强的宽带线性化功率放大器是解决所提到的各方面障碍中的关键技术难题，而本课题就是在这样的背景下提出来的，有着广泛的应用前景和较强的研究价值。电子科技大学硕士学位论文12国内外研究现状和发展态势由于功放线性化技术的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注，国外已有大量成熟线性化功放产品问世。美国POWERWAVE技术公司是无线通信基础设施解决方案供应商，其产品无线基础设施产品处于国际领先地位，该公司推出的多载波功率放大器可用于GSMEDGE、TDMA、CDMA、WCMDA和CDMA2000等系统，频段有800MHZ、1800MHZ、1900MHZ和2100MHZ，输出功率40W一210W。可应用于WCDMA系统的多载波放大器G3L210060，采用了前馈技术，输出功率可达60W，最多可放大4路WCDMA载波信号，效率可达88，交调失真比IMD为65DBE。美国ANDREW公司是一家无线通信系统、设备和服务供应商，其研发生产的多载波射频功率放大器有24W一135W等多种规格，可用于GSMEDGE、CDMA2000和WCDMA等应用环境下，大多采用预失真技术进行线性化，包括射频预失真技术、基带数字预失真技术、射频数字预失真技术等，其功放效率可达30。采用前馈技术的WCDMA4载波30W功率放大器PWK2130，效率可达9，其输出ACPR可达45DBC5MHZ，50DBC10MHZ，满足3GPP应用标准要求。美国BRAVOTECH公司是为无线移动通信射频功放、射频子系统和网络优化系统提供解决方案的供应商。其功率放大器系列产品涵盖了CDMA、WCDMA、TDSCDMA、GSMEDGE和WIMAX等应用场合，输出功率为20W“200W。其WCDMA系统基站及直放站应用的功率放大器采用前馈技术，输入4载波WCDMA信号，输出功率20W80W，效率可达20以上。美国线性技术公司LINEARIZERTECHNOLOGYINC是专注于线性化模块生产开发的公司，提供从L，S，C，K到KA波段的线性化行波管放大器及固态放大器的线性化模块，可根据客户要求设计专用线性化产品。由于其产品频段及带宽等原因，大多采用有着高频段、宽带及独立移植性好等优点的射频预失真技术。加拿大PMCSIERRA公司于2001年推出的数字预失真解决方案PALADIN系列芯片，已成为一个相对成熟的方案，其可应用于WCDMA、CDMA2000、TDSCDMA及WIMAX基站功放，集成了削峰技术和数字预失真技术，并对功放记忆效应进行建模处理。PALADIN系列芯片可通过固件进行升级以获得其它扩展支持，提高了线性化性能并减少了厂商的生产成本和时间。在WCDMA应用环境下，该系列芯片最大支持4载波WCDMA信号。然而，其高昂的成本和复杂的外围电路造成了大规模商用的困难。4第一章引言美国INTERSIL公司2002年推出数字预失真芯片ISL5239，4载波WCDMA信号可获得ACPR改善15DB，由于存在未对功放记忆效应进行处理和成本高昂等缺陷，未在业界造成巨大影响。美国MAXIM公司在2003年推出了模拟预失真芯片MAX20092010，通过对功放AMAM效应及AMPM效应的补偿而改善功放线性度的，WCDMA应用环境下，可改善功放ACPR4DB。由于相对其线性化性能而言成本较高，目前尚无大规模商用报道。由于线性化功率放大器在无线移动通信领域中有非常重要的应用，近年来国内许多公司如中兴、华为、大唐等已投入一定人力物力进行研发，但到目前为止研究成果并不能令人满意，关键技术及产品还需向国外相关公司进行采购。中兴WCDMA基站B09系列采用DOHERTY和数字预失真技术效率可达30，华为WCDMA基站也采用DOHERTY和数字预失真技术功放效率可达33。东南大学毫米波国家重点实验室研制的CDMA2000超线性功放，采用自适应前馈技术，输出功率20W，三阶交调可以达到66DBC，ACPR可达51DBE，但也还处于实验阶段，离成熟的产品还有一定的距离【2】【31。我国在线性化功率放大器领域起步较晚，在无线通信领域市场需求的拉动下，发展势头迅猛，但目前研发出的线性化功率放大器其性能及可靠性与国外同类产品相比还有一定的差距，或在相同性能情况下成本高昂。因此，本项目的开展有利于填补国内高效率线性化功率放大器领域的空白，有助于打破国外在无线通信领域线性化射频功率放大器的技术垄断，对我国移动通信产业具有积极的推动作用。线性化技术发展到现在，出现了各种线性化技术相互融合的趋势。例如前馈技术的载波消除环路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DSP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。于此同时，如DOHERTY功放技术等功放效率增强技术的普遍发展，使功放线性度和效率同时满足现代无线通信应用的前景更为广阔。由此可见，本项目开展对于DOHERTY功率放大器的线性化技术的研究，符合射频功率放大器技术的发展趋势，在理论和实际应用中都具有重要意义。5电子科技大学硕士学位论文13论文的工作本课题的最终目标是设计并研制出应用于WCDMA基站及直放站的高功率、高效率线性化DOHERTY放大器及通用型自适应射频预失真模块，并通过实验结果验证本方案符合WCDMA系统对功率放大器的线性度和效率的要求。线性化功率放大器及其预失真模块预期指标如表11所示。表11线性化功率放大器预期性能指标本课题设计的射频预失真模块通过产生与功放自身交调等幅反相的交调信号，对消功放交调分量，从而改善功放线性度。此方案要求功放产生的交调信号幅度和相位不随输入双音信号音频间隔变化且交调信号上下边带幅度一致，也就是要求功放具有弱记忆效应，对功放设计及功放交调相位测试技术提出了较高要求。采用DOHERTY功率放大器技术进行功放设计，不仅可以通过优化漏极偏置电路减弱功放记忆效应，而且可以显著提高功放效率。DOHERTY功率放大器由载波放大器和峰值放大器构成。其中载波放大器偏置在AB类或B类状态，通过四分之一波长延迟线加载负载。峰值放大器偏置在C类状态，直接加载负载，在输入信号幅度增大到一定程度才工作。DOHCRTY功放电路简单，具有高效率，解决了A类或AB类放大器在输入信号具有高峰平比的情况下效率低的问题，其与射频预失真技术集成后，可显著提高功率放大器的线性度。6第二章线性化功率放大器第二章线性化功率放大器21线性化功率放大器的技术指标线性功率放大器的技术指标，除工作频带、增益、增益平坦度、驻波比外，主要由LDB压缩点输出功率、交调失真比、三阶输出截断点和相邻信道功率比等技术指标表征其工作性能。211效率功率放大器的功率效率是指功率放大器的射频输出功率PRF咖与供给晶体管的直流功率PDC之比。即2等212吉一陋1它表示功率放大器把直流功率转换成射频功率的能力。但这种定义没有考虑晶体管对射频信号的放大，即两个功率效率相同的晶体管的功率增益有可能其相差很大，所以通常采用功率附加效率77A埘来表征一个晶体管的将直流功率转换为射频功率的效率。即RLDA2予弘2，其中PRFIN表示射频输入功率。212输出功率图21是功率放大器输出功率与输入功率的关系曲线。当输入功率较小时，输出功率与输入功率的比值是一个常数，即为线性关系，功放增益与输入功率大小无关。但随着输入功率的增大，输出功率与输入功率的比值将减小，出现增益压缩现象，输出功率与输入功率的关系曲线逐渐弯曲。当输入功率加大到某一数值时，放大器的输出功率达到最大，继续增大输入功率并不会改变输出功率的大小，7电子科技大学硕士学位论文该输出功率称为功率放大器的饱和输出功率，用P。砒表示。显然，如果功率放大器工作在饱和点附近就会出现非线性失真。当功率放大器增益比小信号的线性增益低于LDB时，这一点通常称为LDB压缩点，此时的增益称为LDB压缩点增益，记做GL曲，对应于该点的输出功率称为输出LDB压缩点功率，记做PLDB。输出功率三阶交调截断点OIP3饱和输出功率P嘲LDB压缩点PL咀213交调失真比IIP3输出功率输入三阶交调截断点图2一L功率放大器输入与输出曲线彳五正石2F一疋2五一石|2下2一升R3F22Z爪LI，图22功率放大器输出交调分量示意图放大器在大功率时呈现非线性，如果有两个相近的频率铂和鸱信号，通过放大器，则将产生新的组合频率，一般表示为MOOI咒，最靠近劬和锡的频率分量为2劬一C02和202一M，由于这两个频率分量在放大器的通带内难于滤除，故以它们的幅度与基波幅度之比值衡量放大器非线性失真的程度。一般称2劬一皱和2C02一鳓两个频率分量的幅度为三阶交调幅度，定义三阶交调失真比IMD3用DBC8第二章线性化功率放大器表示214截断点IMD3器C删23图21表示的放大器输出功率与输入功率关系曲线上，基波与三阶交调分量功率曲线线性延长的交点在实际中并不存在，因为此时放大器早己工作在饱和区，然而理想中该点被称为三阶交调截断点IP3，通常由厂家给出，可以反映放大器线性工作的能力，是描述功率放大器线性度的重要指标。在N级级连放大器链路中，若GN、口3N分别代表级联放大器中第11级放大器的增益和三阶交调截断点，则级联后放大器三阶交调截断点IP3，的表达式为鹏，2工J虿1疆互互，2，3，2_4IP3L1932P333N215相邻信道功率比射频信号非线性的程度由带外信号电平决定，各种协议都对频谱再生做出了严格规定，通常用ACPR来表示。它的含义是泄漏到相邻信道的总功率与主信道的总功率的对数比值，它是衡量WCDMA放大器线性性能的一项重要指标，不同的通信标准对ACPR有具体的要求。在多信道通信系统中功率放大器产生的非线性信号对临近信道干扰与三阶交调失真比有密切的关系，ACPR可由IMD推算出，公式如下彳CPRDBCIMDS一61019鼎2525有彳至二堑二兰ROODN2L二248召N“MODN28其中N为信道个数，MOD是取余函数。92627电子科技大学硕士学位论文22功率放大器的线性化技术线性化功率放大器技术可追溯到上世纪二十年代，由于其的巨大应用价值，近一个世纪以来引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的长期研究和极大关注。近年来随着现代无线通信技术的蓬勃发展，推动了线性化功率放大器技术研究的热潮，人们逐渐提出各种功率放大器的线性化技术，并得到了很好的发展与广泛的应用4】【5】。221功率回退法功率回退技术选用大功率晶体管放大小功率信号，即通过牺牲功放效率获得功放的高线性度，令功率放大器的输入功率远小于LDB压缩点，使功率放大器远离饱和压缩区，进入线性工作区，从而改善功率放大器的线性度。功率回退法是一种最简单、最可靠的线性化措施，其缺点是功率放大器的功率利用率大为降低；另外，当功率回退到一定程度，继续功率回退将不会使功率放大器的线性度得到进一步的改善。功率回退法是早期功率放大器线性化常用的方法。一般的数字通信系统功率会有610DB的回退量。如日本NTT公司的456LD1系统采用16QAM调制方式，其发射机功率放大器功率回退为8DB；美国HARRIS公司的16QAM系统功率放大器回退10DB。然而在新一代宽带无线通信领域，如WCDMA系统中，信号PAR已达813DB，若仅采用功率回退技术一方面使电源利用率仅为5，导致终端自主时间过短、基站热管理等一系列问题；另一方面功率器件本身功率容量不能充分利用，也造成整机制造成本的提高。因此，在新一代宽带无线通信领域，仅靠功率回退技术改善功放线性度有限，需要与其他线性化技术结合在一起使用。222前馈法早在1928年贝尔实验室的HSBLACK就提出了减小放大器失真的两种方法前馈和负反馈。1971年，贝尔实验室的SEIDEL和他的同事发现负反馈会造成放大器固有的群时延，有着条件稳定和抑制交调失真有限等缺陷，开始了前馈放大器的研究【61。10第二章线性化功率放大器输入输出图23前馈法系统框图如图2。3所示，前馈线性化系统由两个环路组成，主功率放大器所在环路是载波对消环路。输入射频信号经功分器后被分成两支路信号上支路为主功率放大器支路，射频信号经过该支路放大后生成含失真分量的射频信号；下支路为附支路，射频信号经过该支路延迟线，与经过调幅、调相后的主功率放大器支路的输出信号合成，通过调节衰减器和相移器使两支路载波信号等幅反相从而能有效地抵消掉主功率放大器支路的射频载波信号，而提取出由主功放非线性放大所产生的失真信号。包含误差放大器的环路为失真信号消除环路，上支路将主放大器输出的射频信号延时后送入功率合成器；下支路将载波对消回路环路提取出的失真信号进行放大、调整其幅度和相位后也送入功率合成器，通过调整载波对消回路环路提取出的失真信号的幅度、相位，与上支路主功放输出的射频信号的失真分量对消，从而使最终输出的射频信号保持高线性。由于用来对消的失真信号提取于主功率放大器自身的输出信号，在失真分量等幅反相的理想条件下能够实现输出信号失真分量完全对消，因此前馈技术具有线性度改善效果显著的优点。由于采用开环结构，前馈系统还具备高稳定和宽带等优点。前馈技术能实现宽带、多载波系统功率放大器的线性化指标，已有很多成熟产品问世。然而，由于前馈系统的性能不仅取决于系统的幅度匹配，而且也取决于系统的相位延迟匹配。对于窄带通信系统，延迟问题可以通过调节相位得到解决。但对宽带系统，固定的延迟则意味着不同的频率下的相位差显著，假设带宽为1的理想系统，如果延迟超过一个波长，前馈线性化系统对交调信号的抑制将小于30DB。器件老化、温度漂移和工作频率变化等因素都需要自适应幅度相位调节网络，在恶劣的环境中工作，其匹配问题尤为突出，为解决此问题需增加复杂的控制及补偿电路。因此，前馈技术是以系统的高复杂度来实现功放的高线性度，它提供了闭环系统的线性化精度，开环系统的稳定度和带宽，但造价高。此外，为了对增益和相位进行跟踪，校准环路中需要附加功率放大器，因而导致功放总效率低。寻找比前馈电子科技大学硕士学位论文线性化技术更加简单可靠，成本更低且效率更高的替代品也就成为的热门研究课题。223负反馈法负反馈线性化系统基本框图如图24所示，从功放线性化的角度考虑，负反馈系统是牺牲功放增益来达到失真信号压缩的目的，换而言之功率放大器必须提供足够高的开环增益才能得到较好的闭环功率增益和线性度。输入输出图2_4基本负反馈法框图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，此外，由于固态晶体管的增益会随频率的增加而降低，因此射频情况下环路增益会下降许多，因此负反馈法不适合在射频情况下应用。目前已经有多种不同类型的负反馈技术，从简单的包络负反馈到极坐标形式的负反馈技术，主要区别是取得反馈信号的方式不同，现分述如下。2231正交负反馈法正交负反馈线性化技术的原理如图25所示，非线性射频功放的输出信号被同步解调后同输入信号相比较，得到所需的误差信号。误差信号经过上变频器到达非线性功率放大器，完成整个反馈过程。正交负反馈最先由COX提出叼，但图25所示的结构是由PETROVIC最先提出的【81。己出现的实验系统证明【91，该方案可以工作在几MHZ到17GHZ频率范围，失真压缩量有2030DB左右，功放效率可以达到3565。对于采用正交负反馈技术的发射机而言，一个问题是反馈系统减少了环路增益，另一个问题是在载波频率发生变化时环路会发生相位跳变。因此实际使用中需要一个相位调节器来自动调节相位以保持系统稳定，所以实际正交负反馈系统要比图25所示的框图复杂。12第二章线性化功率放大器Q图25正交负反馈线性化技术原理框图正交负反馈技术的另一个缺点是输入信号幅度较低时功放效率不高。一种改进方法是BRIFFA等提出的动态偏置法【101，晶体管的基极和集电极通过输入信号的包络控制。仿真结果表明，饱和时功放效率能达到5060，输入信号幅度较低时有1030。2232极坐标负反馈法极坐标负反馈线性化技术最先由PETROVIC等提出1L】，其原理框图如图26所示。输入信号是中频信号，把其分成幅度和相位信号后各自分开输出。相位误差信号用来控制压控振荡器，而进入非线性功放的是一个包络恒定相位变化的信号，幅度误差信号用来控制功放的电压。这样就形成两个环路，一个用来跟踪相位误差，另一个用来跟踪幅度误差。与普通发射机不同的是，该系统输出频率由负反馈回路中的压控振荡器决定。极坐标负反馈法适用于窄带通信系统。其典型应用场合是几KNZ的带宽，载波频率从100MHZ到950MHZ的通信系统。极化环技术POLARLOOP的RF输入信号也被分解成幅度和相位分量。但极化环技术更复杂，它要到用幅度和相位调制反馈。如图26所示，极化环系统实际上是包络反馈系统的一种扩展形式，它不仅通过一个AGC环对功率放大器的幅度失真进行校正，它还通过由鉴相器PD和压控振荡器VCO构成的锁相环PLL来保持放大器稳定的相位转移特性。通常极化环系统的效率大于40，IMD3约50DBC。13电子科技大学硕士学位论文RFINRFPA224预失真法限幅器限幅器图26极坐标负反馈法原理框图O预失真技术是另一种在工业界得到认可的功放线性化技术，图27是一个典型的预失真系统，信号首先输入预失真信号发生器，然后进入功率放大器，其中预失真信号发生器输入输出关系如图28A所示，功率放大器的非线性特性如图28B所示。由于预失真非线特性与功率放大器非线特性相反，最终产生的输出信号与最初的输入信号呈线性关系，如图28C所示。输入L信雩囊耋器卜L信号发生器I7图27预失真线性化技术原理框图预失真信号发生器功放输出图28预失真信号预失真技术又可分为射频预失真和数字预失真技术等。射频预失真技术是在14第二章线性化功率放大器直接对输入射频信号进行预失真处理的技术，早期主要应用于行波管功率放大器中。19世纪80年代后，射频预失真技术进入快速发展时期，主要应用于移动通信系统。由于射频预失真技术具有电路结构简单，易于集成等特点等到了广泛的应用。数字预失真技术是指用在数字域内完成信号预失真处理的技术，由于具备适应性强、线性度改善明显等优点在近年来得到迅猛发展。数字预失真一般有两种实现方式基于非线性射频功放的参数模型实现和基于查找表方式实现。射频功放的参数模型有许多种，如多项式模型、VOLTERRA级数模型等。多项式预失真系统是三阶预失真系统的推广，在模拟多项式预失真信号发生器出现后，就出现了采用数字技术实现的多项式预失真系统，并逐步发展完善。VOLTERRA级数是描述非线性系统的通用模型，基于VOLTERRA模型的数字预失真技术可进一步消除由于功放记忆效应而引起的失真，因此基于VOLTERRA模型的数字预失真技术也是研究的热点。数字预失真技术稳定可靠，线性度改善效果明显，在基带系统中得到了广泛的应用，但其不易应用于功放输入输出信号均为射频信号的直放站系统等应用中。射频预失真技术和数字预失真技术相对于前馈技术都有电路实现简单，效率高等优点，而且可作为独立工作模块对不同功放线性度进行改善，弥补了前馈技术的缺点，近年来得到了迅猛发展和广泛认可。23功率放大器的记忆效应功率放大器非线性特性产生的失真分量不恒定，例如三阶或五阶交调的幅度、相位会随输入信号幅度和带宽的变化而变化。这种失真分量依赖于输入信号幅度、带宽的现象通常称之为功率放大器的记忆效应【L2|。轻微的记忆效应本身对功率放大器的线性度并没有什么严重影响。即在双音频测试中，随着音频间隔的增加，如果放大器三阶交调分量的相位旋转不超过100且其幅度起伏不大于O5DB，此时功放的记忆效应不会明显影响邻近信道功率比，可以不予考虑。然而，当功率放大器的上下边带的ACPR出现较大不对称现象时，即使三阶、五阶交调分量的相位和幅度失真很小，也不能忽略记忆效应对放大器的影响。为了提高功率放大器的线性度，通常使用某种线性化技术来消除放大器的交调分量。这些线性化技术能起到的效果不仅要受到其本身的机理影响，还会受到放大器特性尤其是记忆效应的影响【12】。不同的线性化技术对记忆效应的敏感程度15电子科技大学硕士学位论文也不相同。反馈和前馈技术对记忆效应不怎么敏感，这是因为它们已经检测到实际输出信号的失真分量，这些失真分量中包含了功率放大器记忆效应的信息，故已考虑到记忆效应的影响。然而，预失真技术和包络消去恢复技术对功率放大器的自身特性依赖程度比较大，功率放大器的记忆效应可能会急剧减弱以上两种线性化技术的性能。电子系统可分成四种主要类型，即有无记忆效应的线性或非线性系统。一个无记忆的线性系统的典型例子是全由线性电阻构成的电路网络，它仅按恒定比例放大或缩小输入信号，而不会改变输入信号本身的特性。可当电路网络中含有电容电感等储能元件时，此网络就会具有记忆效应，这样的电路网络称为记忆系统，根据系统中电子元件类型，又可以分为线性和非线性系统。电子系统的非线性特性主要由一个或多个非线性器件产生。如果一个系统只含有线性和非线性电阻，那就是一个典型的非线性无记忆网络。而非线性记忆网络至少包含一个非线性元件和一个储能型元件或既是非线性又是储能元件。组成电子系统的元件可以分成以下4类表21电子元件分类任何储能元件都能使所在的系统具有记忆性。以一个线性电容为例，可以从其电压积分表达式看出它的记忆特性1T，1，CF音IITDT28乙一二此时，T时刻的电容两端的电压值与之前的电流值均有关系，而不再是一个瞬时值。与此相似，某时刻通过电感的电流值与之前的电压值均有关系。这就是电容电感具有记忆特性的本质。众所周知，记忆效应对电路网络的影响结果使其时域冲击响应不再具有瞬时性。如果一个系统记忆的时间比较长，它的冲击响应也会延展较长的时间。线性无记忆系统只会按一定比例放大或衰减输入信号，不会改变它的本质特征，它的冲击响应只与当前的瞬时输入信号有关。而记忆系统不再是简单地放大或缩小输入信号，由于它记忆了之前的输入信号，使得输出信号不再具有和输入信号完全相同的本质特征。针对以上说明的示意图如下所示16第二章线性化功率放大器VT图29线性系统不同条件下的冲击响应从频域上分析，记忆效应表现为系统的增益和相移对频率具有依赖性。频域分析通常被用来分析频率依赖性，正弦信号可以利用欧拉公式分解成X4COS咐舻等竽御29频域分析的主要好处是可以将电容电感等储能元件在时域复杂的积分或微分简化成简单的除以或乘以J，虚部J在实际中意味着相移90。，这样可以较大程度地减小计算量。表22LCR阻抗导纳表22中基本元件的阻抗和导纳看起来比较简单，但仍可看出储能的电容电感能引起相移，而无记忆性电阻无此作用的实质。一个串联的RC网络的阻抗Z是电阻阻抗R和电容阻抗一JCOC叠加组合，故阻抗Z会随频率03的变化而变化，这是无记忆电路网络所不具有的特性。17电子科技大学硕士学位论文RCLZRLJWCRJWCJIR、L7I一歹，V矿C一埘图210串联的RC网络阻抗及其向量图系统的线性特性表现为仅将输入信号按恒定比例放大或缩小，而不改变它本身的特性。输入输出信号之间的比例通常定义为系统增益。从系统增益方面考虑，线性系统的增益是恒定的，不受输入信号幅度的影响。而非线性系统的增益是关于输入信号幅度的非线性函数，对输入信号的大小具有依赖性。如果系统的输入为电压而输出为电流信号，输入输出信号的关系如图33所示，实线表示非线性电导，虚线表示线性电导。即Y系统输出系统输入图211线性非线性系统示意图系统的非线性可以用多种方法表示，最简单方法为功率级数多项式建模法，Y2AIXA2X2A3X32一LO由于高次项的系数非常小，只取前三项就可近似表示Y。功率放大器的是一种典型的非线性记忆系统，本节以它为例，详细介绍功放的记忆效应的产生机理，并给出降低记忆效应的方法。第二章线性化功率放大器在放大器设计中，设栅源极之间的电压为VGS，而漏源极间电压为VDS。则从漏极流向源极的电流ID。是关于VGS和VDS的函数【13】，用三阶功率级数表示如下屯K2鲫2K3删咭GOK290吃K390吃K2删G。211K32刖GO吃K3删290吃上面表达式中所用到系数的定义见下表表23漏极电流IO的多项式系数G。茂D|卸擎后2暑，L12A2I。A21，笋七3朋16A3IDA31，芦GO氆D|巩缸后29012A2IDA2后3鲫16A3IDA31，出K29MGOC02I。加笋VDS七32删GO12C03IDA2V笋AV出尼3G，L29012C03IDC02VLS、为了从211中可以提取三阶交调分量，需选用一个晶体管模型，这个模型包含了C芦、G。、GO和C二等多个非线性分量，而栅极与漏极之间的非线性电容CGD为了简化分析已被忽略不计。利用叠加原理，可以将非线性分量用线性分量和相应的失真电流源的组合代替。图212所示的场效应晶体管模型包含一个诺顿等效电路的输入端口和三个非线性电流源LNL，CGS、Z舭，删与K，GO强，其中LNL，GO是由G。和产生的非线性电流源组合而成。19电子科技大学硕士学位论文图212场效应晶体管模型由图212可知，1，芦和1，凼可用下面的表达式写出，K国一ZLCOISCCO缈一ZL缈么彩其中ZSCOZS。吐蛐M|JCGSZLZL。CO1JCOG“、|GO名缈2K。缈一I刀VCO么国彤缈K，肼缈。GO气彩212213214215216217等式214、215Y9输入电流。只含有基波分量，而非线性电流K不含基波分量。若输入信号为双音频信号，将其代入等式28，可得漏极电流的三阶交调的上边带分量电流的表达式20第二章线性化功率放大器ID20J2一QGMVG,2C02一QK2删C01VG,2C02K2胛K哆一QAK3删Q屹哆902哆一QK290VASC01VAS2C02K2删哆哆一QK3譬。屹Q吃哆K2纠GOVG，COOVA,2C02K2删亭OQ2哆K2删GOQ咤一01K2卵缸。屹Q哆一Q私珧。Q喀吲218云尼3删量OQ吃哆将劬与哆交换位置，便可得到漏极电流的下边带三阶交调分量的表达式。等式218中第一、第四、第五、第八、第十三和第十四行不受功率放大器的匹配电路控制，因为带内阻抗已由最佳匹配点确定。而剩下八行的值能加以控制。例如第三、第十二行表达式是关于栅极包络信号V。幼一劬的函数。第二、第十行表达式是关于栅极而次谐波信号V，哆的函数，第七、第八行表达式是关于漏极包络信号屹。哆一Q的函数，第六、第九行是关于漏极二次谐波信号唳鸱的函数。由于三阶交调分量是关于栅漏极包络信号的函数，故它对信号的带宽具有依赖性，即表现为放大器的记忆效应。24功率放大器的效率增强技术常见的功率放大器效率增强技术有包络分离和恢复技术、基于非线性元件的线性放大技术和高效率DOHERTY功率放大器技术等，下文将逐一进行详细的分析介绍。21电子科技大学硕士学位论文241包络分离和恢复技术包络分离和恢复技术EER技术的基本原理如图213所示，中频输入信号通过包络检测器和限幅器，得到幅度和相位形式的输入信号。恒包络的输入信号经混频器变频后成为射频信号，送入非线性射频功放输出。分离后得到的中频包络信号对供给的电压信号进行调制，然后用所得的调制信号来控制功率放大器。这种技术最先有KAHN提出【14】，最新发展是同负反馈技术相结合来增加IMD改善量。偏压RFINLO图213EER原理框图242基于非线性元件的线性放大技术I沛0UT基于非线性元件的线性放大技术LINC的前身为由CHIREIX在1935年提出的异相放大器【L51，主要应用于改善调幅广播发射机的效率和线性度。1974年COX正式提出LINC技术【M】，如图214所示，COX认为这种技术适合幅度和相位都变化的调制技术。同EER一样，该技术也是通过输入恒包络的信号来避免了非线性射频功放的影响。输入信号在信号分离单元上分成幅度相同相位不同的两路信号，分别经非线性功放放大后，在输出端合成一路信号。从输入信号中分离出两路恒包络信号是比较困难的。早期有一些文章阐述了用模拟技术来解决这一问题【17】，但系统非常复杂，影响了该技术的应用。第二章线性化功率放大器RFINI心PA图214LINC技术原理框图RFOUT现在随着数字信号