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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：2014.10.26线性化微波功放现状及发展趋势一、引言电磁波和低频率端相比高频率端拥有其独特的优点，近年来尤其是微波毫米波电路作为航空航天的无线通信手段得到广泛应用。但是在几乎所有的微波电子系统中，要将信号放大都需要微波功放，因此微波功放在微波有源电路中拥有了无可比拟的重要地位。对微波功放,除了有一定的功率输出和增益指标以外,线性度也是一个十分重要的指标。例如在微波测试设备中,由于功放的非线性失真所产生的谐波往往影响了测试精度;在移动通信的基站和移动站中,功放的非线性失真往往会产生邻道干扰,从而引起信号失真。因此,在这些设备中对功放的线性度提出了很高的要求。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nf0等的谐波,如图1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SMH:)、幅度相同的频率为f,和f:两信号时,由于非线性失真,在放大器输出端除了放大的f’,和f:外,还有2j,;一J:和2j:一f,,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(IBc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具有换算关系。二、功率放大器的非线性特性现在一方面人们追求更高的功率利用率，另一方面是日益发展的无线通信产业的要求迫使我们不得不给予功率放大器的线性化问题以足够重视。要研究线性化技术，首先必须了解功率放大器的非线性失真特性，以做到有的放矢。理想情况下，功率放大器工作在线性状态，传输系数与输入信号的幅度和相位无关。但在实际情况中并非这么简单，由于晶体管的特性，在达到一定输入功率时，放大器将呈现出非线性。信号的输入输出不在是上面简单的函数关系。放大器随着输入信号的增大，从线性区进入非线性区，此时功放的增益不再是常数，而是一个与输入信号有关的变量，输入输出呈非线性，甚至在达到一定输入功率后，功放输出将不再增加。此外功率放大器输出端产生了与输入频率有关的新的频率分量，当信号输入时，除了基波分量，还会出现各阶互调分量和高次谐波分量。这种非线性特性，在通信系统中对相邻信道的干扰，降低系统的性能。对于功放的非线性程度可以用特定的特性参数来表示。2.1谐波失真谐波失真是衡量功放线性化程度的一个重要指标，为了简化分析，可以将功率放大器看做一个无记忆非线性系统模型，即输出电压是当前输入电压的函数，放大器的传输特性可以表示为：根据幂级数分析法，假设，此时为：从上式不难发现，输出信号中除了输入信号频率外，还产生了新的频率分量，这将影响放大器的性能指标。对此，我们通常用谐波抑制度来表示功放对于谐波的抑制能力，即：其中Pn和P分别是第n次谐波和基波的功率，HDn表示第n次的谐波抑制。2.2交调失真交叉调制是指在非线性系统中同时存在有用信号和干扰信号，当通过放大器时，干扰信号被转移到有用信号的载波上形成的一种失真。假设输入信号是由幅度相同的一个干扰信号与一个调制信号组成，表达式为：则经过非线性功率放大器后得到的输出信号为：通过非线性功率放大器后，调幅信号的载波频率发生了改变。2.3互调失真如果放大器输入端同时有两个输入信号V1和V2，在经过非线性放大器后，输出端还会产生互调失真。已知则进一步展开得到：则可以得到，除去直流分量外还产生新的频率分量，把频率表示为：这种变化引起了放大器输出信号的频谱失真。这种失真成为互调失真。下图为三阶和五阶互调。2.4AM－AM特性AM-AM特性表示的是功放输出信号幅度受输入信号幅度影响的关系。一般情况下如信号包络引起的AM-AM失真并不是很大，但在信号幅度波动较大的调制方式中，AM-AM失真就较为明显了。输出信号中带有输入信号频率的幅度项为：可以看出，它的值将随输入信号幅度的改变而改变，如果K30，成为增益扩张，反之，称为增益压缩。通过MATLAB可以直观看到增益随输入信号的变化。2.5AM－PM特性AM-PM特性主要是由功放的记忆效应造成的，由输入信号的幅度变化引起了相位变化。工作在线性区的功放，相位变化比较小，当工作在饱和状态时这种现象就会比较明显。而功率放大器一般要求较高的效率都工作在饱和或接近饱和的状态，其随输入信号幅度的变化曲线如图所示，三、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功率回退技术这是最常用的方法,即选用功率较大的管子作小功率使用,也就是牺牲直流功耗来提高功放的线性度。由于任意输人功率的三阶交调系数满足公式;功率回退技术利用这个特点，在实际使用中，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,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前馈法前馈的构思源于反馈,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,前馈技术应该是最先进的。如图所示,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。前馈技术在理论上具有精度高，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，一般主要是用在卫星通讯和军事通讯中。3.3负反馈法负反馈是将功率放大器输出的非线性失真信号反馈到输人端,与原输人信号共同作为功率放大器的输人信号,以减少功率放大器的非线性。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。这是负反馈的原理图。在1端输人微波信号,2端输出含有三阶交调分量,该输出信号通过祸合器使一部份信号进人反馈网络B,通过反馈网络使信号倒相,再经过栩合器输人功率放大器,最后,在功率放大器输出端口输出的基波信号虽比没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。3.4预失真法目前该技术主要分为射频预失真和基带预失真两种基本类型。采用基带预失真方法,适应性较强,而且可以通过增加采样率和增大量化阶数的办法来抵消高阶互调失真,是一种很有发展前途的方法。预失真法就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。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。假设双频从IN输人,频谱如a,经过分路电桥1后分成两路,一路经线性放大器A放大,频谱如b;另一路经非线性放大器B,输出频谱如b、。两路信号再由电桥2合成为一路输出,调节非线性支路的移相器口,可以使b和b飞相位相反,从而合成信号频谱如‘所示,这就是预失真信号的频谱。此信号输人主功放尸A,放大后产生了三阶交调被压缩的,比无预失真电路时线性度高的信号频谱d,这就是预失真法的基本原理。根据这一原理,演绎出许多预失真的方法。如图所示：预失真法在功放线性化技术中应用得最多,它具有性能稳定、带宽相位一致性好、非线性失真改善效果好的特点。3.5LINC法非线性器件线性化是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。LINC法适用于窄带线性化方面。具有不用考虑信号调制方式，且不需要反馈信号，稳定性高的优点。原理图如下所示：3.6本章小结：线性化技术之间的比较这一章节中，我们讨论了功率放大器的线性化技术。首先介绍了几种常用的微波功放线性化技术，包括功率回退法、负反馈法、前馈法、EE&R法、CALLUM方法等,给出了这些线性化技术的基本理论根据。在实际的选择中，可以根据对带宽，线性度等得要求，综合设计电路。反馈电路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。以下是线性化技术之间的比较关系。四、功率放大器的线性化方法发展趋势由于目前移动通信系统对功放的线性度提出了更高的要求,因此仅采用一两种方法来提高线性度很难达到要求,我们准备采用多种方法联合使用,以达到一定的线性度指标。随着数字技术和计算器线性化技术的研究相对落后，但是近年来功率放大器线性化技术研究也逐渐得到了重视。随着通信系统的发展单一的线性化技术已经不能满足系统的线性指标，因而出现了各种线性化技术相互结合的方法。例如将预失真技术用到前馈技术的载波消除环路中，而预失真技术中也加入了反馈的思想。自适应的技术也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，很大程度上使得功率放大器的线性度得到改善。。由于目前移动通信系统对功放的线性度提出了更高的要求,因此仅采用一两种方法来提高线性度很难达到要求,我们准备采用多种方法联合使用,以达到一定的线性度指标。计算机软件的发展,利用计算机来修正功放的非线性,必将成为一个更好的方法。