线性化微波功放现状及发展趋势2

1、线性化微波功放现状及发展趋势 学院：电子工程学院 专业：电磁场与微波技术 教师：徐瑞敏教授 姓名：XXX 学号：2014210202XX 报告日期：2014.10.25一、引言 微波功放广泛应用于对微波功率有一定要求的各种微波设备中,如微波测试设备、雷达发射单元、移动通信基站、移动站、电子对抗、卫星通信、微波遥感、微波医疗仪器等。随着微波固态器件的发展,微波功放也逐渐由体积较大、重量较重的电真空放大器过度到体积较小、重量较轻的固态放大器,如双极晶体管放大器,场效应管放大器及单片集成放大器。 随着通信技术的发展对小信号放大器、功率放大器的线性度提出了越来越高的要求。为了满足通信发展的需要，通信信

2、道也越来越拥挤，放大器通常同时放大频带内调制到多个“子载波”的信号电平大小可相差千万倍以上的多个信号。这些信号互相调制引起灵敏度下降，通信质量下降等问题，因此对放大器的线度提出了越来越高的要求，线性功率放大器的研究是近年来国际电子技术研究的热门。 对功放线性度的衡量可从两个指标来考察:一为谐波抑制度,当放大器输人频率为f0的单频信号时,由于非线性失真,会产生频率为2f0等的谐波,如图1(a)所示,输出主频与谐波的功率电平之差即为谐波抑制度,用dBc表示。第二个衡量指标为三阶交调系数。当放大器输人一定频率间隔(例如5MHZ)、幅度相同的频率为f1和f2两信号时,由于非线性失真,在放大器输出端除了

3、放大的f1,和f2外,还有2f2-f1和2f1-f2,此为三阶交调频率,如图1(b)所示,主频与三阶交调频率的功率电平之差即为功放的三阶交调系数,用dBc表示也可用一分贝压缩点来表示功放的线性度的,一分贝压缩点与三阶交调之间的换算关系将在本文3.1节中加以说明。二、功率放大器的非线性失真特性 通信系统的信号带宽是有限的,并且存在噪声和干扰。这导致通信系统存在振幅失真、相位失真和记忆效应,这三者是系统非线性失真的主要原因。设输入、输出信号分别为x(t)、y(t)。如果认为系统为线性的,那么其特性可以用传递函数 表示。线性系统也存在失真,线性失真(也称频率失真),指的是传递函数的幅度或相位与频率相

4、关联。这时输出信号与输入信号之间的关系可以表示为:，为无失真传输,只是按比例改变了。对于非线性系统,上述公式则不再适用。这时:,如图2-1图2-1功率放大器的输出与输入之间的关系 可以看出,二者之间的线性关系只有在输入较小时才成立。当输入信号增大到一定值时,二者之间的关系就会偏离线性,即非线性失真。固态功率放大器由半导体材料制成,其内部参数会随器件的老化发生变化,并且工作性能也会受外部环境的影响。当系统的输出不仅受到当前输入的影响,还受到之前输入的影响时,则称之为有记忆的系统。功放即是一个有记忆的、缓慢时变的非线性系统。但是其时变效应很缓慢,为了简化分析,通常在一段时间内将其看成时不变的非线性

5、系统，不考虑记忆效应。2.1.1功放的非线性振幅失真 又称AM-AM转换特性。依据上面的假设,输出信号与输入信号之间是函瞬时数关系,即：将其用幕级数展开如果为零(i= 2,3,4.),则认为功率放大器为线性系统。对于非线性系统,我们假定其为弱非线性系统,可以取前三项近似表示:输入信号含一个频率信号时,即,那么将展开由式上式可见,除了基频分量输出信号中还出现了新的频率分量,新的直流分量,二次谐波分量和三次谐波分量等。基频分量的振幅为,线性增益以及由非线性失真引起的部分。当>0时,系统增益大于线性状态时的增益,则称之为增益扩张;反之,则为增益压缩。包括放大器在内的大部分器件会随输入功率增加而

6、出现增益压缩的现象,即< 0,我们称之为AM-AM转换效应,如图2-2所示。但是有些器件在特定的偏置状态下会出现增益扩张现象,可以利用其设计预失真电路。2.1.2功放的非线性相位失真 功放的非线性相位失真,一是由记忆效应引起的相位失真,与频率有关。由记忆效应所导致的相位失真可以用群时延特性来描述,通常会随输入信号带宽的变化而变化;另外一种是AM-PM转换效应,即输入信号为大信号时,则会导致输出信号产生相移。 3、 功率放大器的线性化方法现状 功率放大器线性化技术的研究开始于上世纪六十年代，当时主要在移动通信系统和广播系统中运用较广。在现代通信系统中，复杂调制技术的广泛使用，使得对功率放大

7、器的线性度要求很高，所以功放的线性化技术也就越来越受到科研人员的重视。目前，较为常用的线性化技术主要有功率回退技术，负反馈技术，前馈技术，LINC，包络消除和恢复（EE&R）和预失真技术。其中前馈预失真技术运用较广，但前馈技术也存在缺点，他的研发成本高，电路实现复杂，上下支路相位要求严格。其他线性化技术也都各自存在缺点，而预失真技术因其性能稳定，自适应强等特点成为目前研究的主流，且随着数字电路的发展，其性能有很大的提升空间。3.1 功率回退技术（Backoff） 功率回退技术是功放设计中最常见的线性化方式，就是选择功率较大的管子做小功率输出使用，在实际使用中，让功放工作在低于其 1dB

8、 压缩点一定量的点上，使他远离饱和区，工作在线性工作区，这样就能够获得较好的线性度。例如由前一章调制系数的计算公式可得，当 A<<1 时，CM 近似为，用分贝数表示得： 功率回退法就是把功率放大器的输入功率从ldB压缩点向后回退几个分贝,工作在远小于ldB压缩点的电平上,使功率放大器脱离饱和区,进入线性工作区,从而改善功率放大器的三阶交调系数。这种方法简单易行,不需要增加任何附加设备,是改善放大器线性度常用而有效的方法。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,即当IM3达到一40dB。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

9、,完全靠功率回退是不够的,而必须将功率回退法与其他线性化措施结合在一起使术。3.2前馈法 1928年,也是H.S.Black等人首先利用前馈技术改善了放大器的线性度。这开启了线性化技术的研究。前馈的设计理念源于反馈,不同的是在输出端进行校准。在各种功率放大器的线性化技术中,前馈技术15应该是最先进的,也是发展最快的。现在前馈放大器在国外已经广泛应用于有线电视系统、多载波通信系统、蜂窝系统基站和卫星通信系统中,但是国内才刚刚起步。如图3-2所示,前馈电路原理包括两部分:失真信号的提取和消除。在失真信号提取环路中,親合器3的输出端是反相的失真信号。然后反相的失真信号经PA2后与经过延迟线2的PA1

10、输出信号在稱合器2中矢量叠加,失真信号被抵消掉了,PA的线性度得到提高。前馈技术兼具了闭环和开环系统的优点,但是电路复杂。在工作频带内,时间和温度的校准精确度都完全取决于电路里各元件的精度。辅助功率放大器的引入也会使整个系统的效率降低,增加了成本。 从理论上讲，前馈技术具有精度高，稳定性好，线性化程度高等优点，也没有带宽的限制，但在具体实现时，前馈系统要求各输出幅度匹配，并且两条平行通路上相位和延时要匹配，而且失真相消环路中的辅助放大器必须要求有很高的线性度，否则又将引入失真分量。但由于没有闭环结构，当外界坏境温度改变时，前馈技术也无法实现自适应。这些都使得前馈技术没有很大范围的得到运用，一般

11、主要是用在卫星通讯和军事通讯中。3.3负反馈技术（Feedback） 负反馈法是一个应用较早的技术，他是将功放输出的非线性失真信号一部分反馈到输入端，与原信号叠加，这样实现功放线性化输出的要求，但必须要求的是反馈信号的输出和输入信号有完全相同的相位。反馈法可以分为直接反馈和间接反馈。直接反馈控制法没有很高的增益，对稳定性的要求也很高，所以一般情况下都采用间接反馈法，其中技术比较成熟的是 Polar 环法和 Cartesian 环法两种。Polar 环的工作原理是对输入输出信号幅度和相位进行对比，并且根据差值对两者各自做出调整，以此获得较好的精度。 最后,在功率放大器输出端口输出的基波信号虽比没

12、有反馈网络时有所损失,但同时三阶交调分量得到了明显的抑制。图3.3(b)比较了功率放大没有反馈网络与有反馈网络时输出信号的频谱图。 3.4预失真技术,预失真技术原理简单,成本低,是最常用的一种线性化方法。预失真是一种开环技术,需要预先知道所要改善的功放的非线性失真特性。然后通过调整预失真器输出信号的相位和幅度,使其与功放的非线性失真特性相反,从而改善整个系统的线性度。原理如图3-4: 预失真技术的校准精度低于负反馈和前馈法,但是稳定性更好、带宽更宽。并且成本低廉,通常做成一个模块置于输入与功率放大器之间。按照预失真器在信号流程中的位置划分,可以分为基带预失真、中频预失真(IF)和射频预失真(R

13、F)。按照其处理信号的方式划分,又可以分为:采用模拟器件进行处理的模拟预失真和釆用DSP进行处理的数字预失真。下面对这两种预失真技术进行详细论述。3.4.1模拟预失真技术 模拟预失真最初是用在行波管功率放大器中的,取得一定成果后很快又推广到了固态功率放大器中。对于固态功率放大器而言,由于功率放大器的非线性失真特性导致的增益压缩和相位扩张,模拟预失真器需要产生一个相反的失真信号与之相抵消。如果预失真器的失真特性与功放的失真特性完全相反,则可以得到一个完全线性的传输函数。模拟预失真技术的电路结构简单,由模拟器件构成,成本低,并且可以工作到毫米波频段,所以应用很广泛。3.4.2数字预失真技术由于模拟

14、预失真技术的不足和数字信号处理技术的成熟,可以采用DSP来实现预失真,即数字预失真技术。典型电路如图3-5:数字预失真技术首先采用AD芯片把输入输出信号转化为数字信号,然后比较失真前后的信号,得到对应输入输出的真值表。由于是闭环系统,所以数字预失真技术有不错的稳定性和可靠性,但是电路结构复杂。算法如何实现精确的校准和选择满足高频率要求的器件是技术要点,也是难点。3.5 LINC 法 非线性器件线性化（LINC） 技术是 Cox 于 1974 年提出的一种线性化技术，其基本原理是采用信号分离算法（SCS）将输入数字信号分离成为两个恒包络但不同相位的信号。这两个调相信号经过高功率放大后再合成。由于

15、放大器的输入信号是恒包络信号，避免了功放的 AM-AM 非线性失真。原理图如下所示： LINC 技术的三大关键在于信号分离，高效率线性放大和功率合成。这种方法的优点在于不用考虑信号调制方式，且不需要反馈信号，稳定性高，缺点是信号分离复杂。早期分离技术用模拟技术实现，但硬件的复杂，代价较高，DSP 技术的发展给信号分离带来了方便。但他对两条路径上信号的幅度和相位要求仍十分严格，所以该技术一般用于窄带线性化方面。3.6 CALLUM 法 CALLUM 即综合模拟锁相回路法，最先由巴特曼提出，该技术起源于上节所提到的 LINC 技术。此线性化技术采用笛卡尔反馈，即将输入信号转变为两路恒定包络的信号，

16、输出信号被反馈回去。如图所示。3.7本章小结：线性化技术之间的比较 前面介绍的几种线性化技术都各有优缺点,有各自适用的场合。表3-6是这几种线性化技术之间的比较关系。表3-6 线性化技术之间的比较 一般,线性化技术大概分两类:开环技术和闭环技术。反馈电路属于闭环系统,在抑制三阶交调失真的同时保证不错的输出功率和效率。但是带宽窄,稳定性差,只适用于单载波的系统。前馈技术兼具了闭环和开环系统的优点,但是其电路复杂,在工作频带内,各元件的精度对校准精度影响很大。辅助PA的引入也会降低整个系统的效率,增加了成本。并且由于元器件精度的限制,前馈技术在毫米波频段还无法实现,只能应用在射频微波频段。非线性器

17、件法要求两个支路完全一致,并且对外部环境变化也很敏感,这都极大地限制了它的应用。预失真技术是开环系统。利用预失真技术可以得到很宽的带宽,也不存在闭环系统中的稳定性的问题。并且容易实现,成本低廉,适用于要求成本低、功率高的通信系统。通过比较,对于毫米波频段的高功率功放,釆用模拟预失真技术比较适合。4、 功率放大器的线性化方法发展趋势 2005年,Hee-Young Jeong等人提出了一种利用反向并联肖特基二极管对的反射式预失真结构,用来改善K波段行波管放大器的线性度,如图1-3所示。肖特基二极管的导纳随输入电平的变化而变化,因此通过调节二极管的偏置电压可以调节预失真器的反射系数的模值和相位,即

18、AM-AM和AM-PM特性,使其和?波管的AM-AM和AM-PM特性互补。测试结果表明,该预失真器将行波管放大器的幅度失真和相位失真分别从-5.8dB和-37.3°改善到了 0.8dB和6.7°。图4-1应用于行波管放大器的反射式预失真器 2007年,Jeng-Han Tsai等人第一次在毫米波波段将post-distortion线性化技术和Doherty功率放大器集成在一块单片上,如图1-4所示。该Doherty功放釆用的是0.15mm的GaAsHEMT工艺。测试结果表明,在38-46GHz的带宽内,小信号增益为7dB,饱和输出功率为21.8dBm,并且芯片的尺寸只有2m

19、m、与传统Doherty功放不同的是,主放大器和峰值放大器分别采用的是AB类和C类放大器,使得功放的线性度和效率都得以提高。通过优化,在输出回退6dB时,漏极效率提高了 6%。并且在42GHz时,与平衡放大器相比,本论文提出的Doherty功放的IMD3 改善了 18dB6。图4-2线性化Doherty功放2010年,电子科技大学的李培等人采用GaAs肖特基二极管和电容并联设计了一种新型的预失真线性化器,如图1-6。通过偏置电路馈入直流偏置电压,肖特基二极管产生非线性失真信号,具有增益扩张和相位延迟的特性。电容的引入提高了线性化器的可调性。将该线性化器用于工作频率为30GHz,IdB压缩点输出功率为lOw的功放,实验测得该功放的IMD3从-19dBc降到了-35dBc,改善了16dB幻。图4-3 30GHz的肖特基二极管预失真器2011年,电子科技大学的李晨飞利用肖特基二极管,采用轄线作为传输线设计了一种Ka频段的预失真线性化器,如图1-7。采用鳍线结构避免了微带在毫米波频段色散强烈、损耗大、Q值低的缺点。矢网测得该线性化器在30GHz时增益扩展了 5dB,相