线性化技术

主要类容•非线性电路的一些基础知识，及射频功放的非线性建模。•在查阅文献基础上，对各种线性化技术进行分类和比较。•例举各种线性化技术的应用实例，并利用ADS技术进行仿真分析。•讨论：在各种线性化技术中选定一种（多种技术综合）进行深入研究。•总结第一部分：基础知识放大器的失真POUT(dBm)PIN(dBm)IIP3Pin.mdsPout.mds11131dBP1dBOIP3IMDIP3Pout(2f1-f2)dR非线性放大器的数学模型无（非）记忆放大器模型在窄带应用中，PA的非线性通常可以用幅度失真(AM-AM)和相位失真(AM-PM)来描述，它们都只是输入信号幅度的函数，与输入信号的包络频率无关。此时PA为无记忆性的，即PA的输出只取决于瞬时的输入。记忆放大器模型随着输入信号带宽的增加，功率放大器会逐步明显地表现出记忆性非线性行为。级记忆性非线性是指PA的输出不仅取决于瞬时的输入，还与之前时间的输入有关。其表现在于不同频率处表现出的失真特性不同，并且输出频谱不再具有对称性。长时间(温度)记忆效应，主要是由有源器件的自热引起。短时间(电)记忆效应，主要由有源器件、匹配网络和偏置网络的包络频率相关特性引起。产生原因非线性放大器的数学模型Taylor级数0()()NkoutkmkVtavt式中ak是常系数。用Taylor级数描述功率放大器的非线性物理含义比较明确，下标k指明了谐波阶次，增加谐波项数N可有效提高模型的数度。但Taylor级数模型仅描述了功率放大器的AM-AM失真特性，不能体现出AM-PM失真。Bessel级数()10()()(,)LjmmfrhebJmA()22()()11jiifrhejSaleh级数Bessel级数展开形式比Saleh模型要复杂得多。Saleh模型形式非常简洁，但各阶失真不直观，仅适合于描述准线性放大器，不适合高非线性放大器。非线性放大器的数学模型SSPA模型SSPA模型只描述了增益的非线性反正切模型02arctan()outsindVVVVVVin、VouT分别是输入、输出信号的幅度，α、Vin、V0、Vd是模型中的四个待定参数。非线性放大器的数学模型3()222()()()()1()1()jiifrhejVolterra级数111121212123123123123()()()(,)()()(,,)()()()LssssssvthvtdhvtvtddhvtvtvtdddHn(ζ)是n阶Volterra核函数，其傅立叶变换就是频域的n阶传递函数。在小失真和中等非线性情况下，可用Volterra级数的前三项描述PA的非线性特性。准确度高、计算量大记忆型Saleh级数Blum-Jeruchim模型FFTA(m∆t,P)InverseFFTAveragePowerdetectorIMDnoisegeneratorx(t)D1(t)D2(t)D(t)x(f)D1(f)Averagepower,P非线性放大器的数学模型Wiener模型Hammerstein模型W-H模型由线性时不变系统模块和无记忆非线性模块组成的Wiener模型.由同样两个模块组成的Hammerstein模型可以称为Wiener模型的倒置模型。在H模型中信号先通过无记忆非线性模块输出后再进入线性时不变系统模块。这种模型通常适合于卫星通信中的功率放大器，卫星通信转发器因为对下行链路信号强度的要求较高，一般其功率放大器都工作在饱和区域。关于数学模型的讨论放大器的数学模型多种多样，主要流行的模型有Taylor,Volterra,Saleh,W-H等。能否提出新的简洁的功放模型是功放线性化模块提高效率、控制成本及提高线性度的关键。功放的数学模型仅仅是从数学的方式去模拟（逼真）功放的非线性失真。更根本的线性化方式应该从功放的失真机理入手，即需提出更合理、更简化的物理等效模型。非线性放大器的物理等效模型RgRdRsVgVdRiGDSCg（Vg,Vd）Id（Vg,Vd）Cds基于器件的物理特性建立功率晶体管的非线性模型已成为功率放大器研究领域中的前沿课题，单目前还没有一种传统的非线性模型可以完全处理放大器的非线性问题。Volterra级数分析模型通过试验提取参数非线性电流法11()()(1())100000TSHYZ1212122(,)()()TnHYFi211121112Re()()11()22()LSoutoLLZVHPvYZ212311223312212Re(2)(,,)11(2)22(2)LSoutoLLZVHPvYZ双音测试信号21211(,)220lg()SHIMVH3112211(,,)320lg()SHIMVH31123112()Re()2320lg303(,,)LLHZIPdBmHZ非线性分析方法（1）方法类型主要内容应用特点强非线性分析多频输入相应分析全时域分析法直接积分法用电容上的电压、电感上的电流、非线性电阻和受控源的控制变量来描述电路;由希尔霍夫定理建立电路的时一域状态方程，然后用积分的方法直接在时一域内求解。非线性的强弱不影响分析问题所需计算机的时间和内存，不会引起发散，适用于分析开关电路等非线性电路响应分析。由于多频激励的响应是周期信号，在整个周期或多个周期内对状态方程进行积分运算或利用FFT转换到频域计算都很费时。散射法建立电路的时一域状态方程后，利用寻优过程找出适当的起始条件，从而跳过瞬态过程直接求稳态解。外推法利用积分法算出电路在一些周期倍数时间点上的响应，再用适当的数学外推得出稳态解。非线性分析方法（2）方法类型主要内容应用特点强非线性分析多频输入相应分析全频域分析法广义幂级数法把电路分为线性和非线性两部分，令其公共节点上同一节点电压的节点电流在何一频率都是连续的来确定稳态解；线性网络中的节点电流用频域电路方法求解；非线性器件用广义幂级数表示。要求非线性能够用单变量的广义幂级数展开，应用上受到一定限制当给定幂级数的具体描述形式和输入的频域表示式，就可用频域表示输出；在数值分析中应考虑适当截取频率成份。Volterra级数法用不同阶次的Volterra级数描述非线性器件的特性，通过多维傅立叶变换求出其各阶Volterra传输函数，从而计算出不同激励下的响应。当Volterra非线性传递函数高于三阶时，有关的代数运算过于复杂且可能不收敛，不适用于强非线性电路分析。计算效率较高，更适用于分析多频响应非线性分析方法（3）方法类型主要内容应用特点强非线性分析多频输入相应分析时/频域混合分析法谐波平衡法线性网络中的节点电流用频域电路方法求解；非线性器件用广义幂级数表示；非线性部分在时域分析；当给定输入频域电压时，先用傅立叶变换将其转换为时域信号，用时域法计算非线性网络的时域电流，再用傅立叶变换将其转换到频域，最后计算各谐波的平衡误差对于强非线性必须取基波的许多次谐波分量来模拟，使计算时间大增并有可能发散为把非时谐的时域响应信号变换到频域，FFT的采样点极多、效率较低；采样广义或多维傅立叶变换可大大提高其运算效率。改进的谐波平衡法利用各种方法提高HB法的效率和精度。如广义傅立叶变换求最小二乘意义下的近似解可提高效率等相对于一般的HB法有不同程度的改善小结放大器物理模型的建立是一个非常复杂的过程，一直是非线性理论研究的重点和难点。是线性化工程应用的理论基础，但是因为要建立一个非线性模型需要很高的理论支持和大量的试验数据。在线性化的工程应用中，均是在典型的非线性物理模型的基础上采用模拟或数字的方式对非线性器件进行补偿而得到线性化的器件。第二部分：线性化技术线性化技术的分类◆功率回退法（backoff)：功率回退法就是把功率放大器的输入功率从1dB压缩点向后退几个分贝，工作在远小于1dB压缩点的电平上。◆负反馈法(feedback)：(差频反馈、失真反馈、包络反馈、笛卡尔反馈、极化反馈等）负反馈是将功率放大器输出的非线性失真信号反馈到输入端，与原输入信号共同作为功率放大器的输入信号，以减少功率放大器的非线性。◆前馈法（feedforward)：(双环、多环、附加环等）前馈技术是把主功放失真信号提取出来，并用误差环路把其放大，在功放输出端进行反相功率合成，从而达到把主功放失真频谱功率抵消的效果。◆预失真法（predistortion)：(RFandIF预失真、基带预失真环等）所谓预失真法就是在功率放大器前增加一个非线性电路用于补偿功率放大器的非线性。◆单管（二极管）预失真器（single-diodepredistorter)◆反向并联二极管对预失真器(Anti-paralleldiode-based)◆FET预失真器(FET-basedpredistorter)◆谐波预失真器(predistortionusingharmonics)线性化技术的分类◆失真后线性化技术（posdistortion）：其功能于预失真(predistortion)相似，不同的是补偿的位置在功放之后，其应用中的一个典型例子就是在射频天线上对非线性功放进行失真后补偿。◆信号处理线性化技术（SignalProcessing)通过信号处理技术把输入的原始信号从根本上改变，使之可以采用线性且高效率的方式放大。◆包络消除与恢复法（EE&R）◆采用非线性元件线性化（LINC）◆谐波注入法（Harmonic)小结线性化技术RF带宽线性提高程度效率复杂程度/风险功率回退宽高低低RF直接反馈窄→一般弱低一般包络反馈一般低一般低包络消除与恢复窄一般高一般极化环窄→一般高高高笛卡尔环窄→一般高高一般→高前馈宽一般低一般前馈（附加环）宽高低高模拟预失真一般低高一般数字预失真宽一般高高非线性发生器一般→宽低高一般→高第三部分：功放线性化ADS仿真•提出一种前馈和反馈相结合的RF功放线性化方案。•利用ADS搭建顶层原理框图，通过仿真分析线性化技术的关键点及难点功分器辅助放大器主放大器耦合器1耦合器2延时线2延时线1衰减器1相移器1衰减器2相移器2合成器输入输出第一环路第二环路衰减器3衰减器3m1freq=dBm(Vout)=18.7451.850GHzm2freq=dBm(Vout)=5.2211.750GHz0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.50.06.0-30-20-10010-4020freq,GHzdBm(Vout)Readoutm1Readoutm2主功放线性化前仿真结果m1freq=dBm(Vout)=-2.1541.750GHzm2freq=dBm(Vout)=17.1511.850GHzm3freq=dBm(Vout)=8.4121.950GHzm1freq=dBm(Vout)=-2.1541.750GHzm2freq=dBm(Vout)=17.1511.850GHzm3freq=dBm(Vout)=8.4121.950GHz0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.50.06.0-60-50-40-30-20-10010-7020freq,GHzdBm(Vout)Readoutm1Readoutm2Readoutm3切断反馈环路仿真结果m1freq=dBm(Vout)=-82.6831.750GHzm2freq=dBm(Vout)=2.1131.850GHzm3freq=dBm(Vout)=-4.5341.950GHzm1freq=dBm(Vout)=-82.6831.750GHzm2freq=dBm(Vout)=2.1131.850GHzm3freq=dBm(Vout)=-4.53