微波功率放大器的非線性功率放大器的非線性課件

1、微波功率放大器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)Mao Wenjie基本內(nèi)容微波功率放大器的分類 微波功率放大器的非線性微波功率放大器設(shè)計(jì)示例 EDGE 標(biāo)準(zhǔn)功率放大器設(shè)計(jì)微波功率放大器線性化設(shè)計(jì)技術(shù)器件級(jí)線性化設(shè)計(jì)技術(shù)電路級(jí)線性化設(shè)計(jì)技術(shù)線性化設(shè)計(jì)技術(shù)總結(jié) 微波功率放大器的分類A類功率放大器A類是所有功放結(jié)構(gòu)中線性最好的。效率較低、增益較大。最大輸出功率：功率效率：B類和AB類功率放大器無論有無信號(hào)，A類功放都保持導(dǎo)通，B類功放只是有信號(hào)時(shí)才工作，提高了效率。功率增益比A類功放低。匹配網(wǎng)絡(luò)需要濾除諧波成份，但推挽式結(jié)構(gòu)可免去這些麻煩。推挽式B類功率放大器B類放大器的輸出功率及效率輸出功率同A類放大器相同通過降低直流功

2、耗提高了效率C類功率放大器通過改變晶體管的導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)C類放大輸出功率和增益比A類放大器小的多匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)復(fù)雜，很少應(yīng)用。A、B、AB和C類功率放大器總結(jié)晶體管都以壓控電流源方式工作，不同之處在于直流工作點(diǎn)偏置。導(dǎo)通角、最高效率和輸出功率D類功率放大器理論上可以達(dá)到100功率由于寄生參數(shù)大增益低導(dǎo)致應(yīng)用很少。E類功率放大器效率可達(dá)100%，效率與導(dǎo)通角無關(guān)。極電極電壓嚴(yán)重不對(duì)稱，峰值電壓較高。Q值及開關(guān)電阻會(huì)影響效率。F類功率放大器諧振回路L3C3增加了3次諧波阻抗，從而使電壓波形“變方”。 微波功率放大器的非線性功率放大器的非線性功率放大器是放大器中的一個(gè)“異類”大信號(hào)工作效率和線性都：兩個(gè)最

3、基本的矛盾功率放大器的非線性：諧波失真增益壓縮交調(diào)失真頻譜擴(kuò)展AM/AM和AM/PM轉(zhuǎn)換三拍失真諧波失真諧波失真當(dāng)信號(hào)增加到一定程度，功率放大器因工作在非線性而產(chǎn)生一系列諧波。窄帶功放，可用濾波器濾除。增益壓縮飽和輸出功率：輸入功率達(dá)到某一值時(shí)，再加大不會(huì)改變輸出功率的大小。1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率功率放大器增益壓縮1 dB所對(duì)應(yīng)的輸出功率，記作P1dB。交調(diào)失真交調(diào)失真是有不同頻率的兩個(gè)或更多的輸入信號(hào)經(jīng)過功放而產(chǎn)生的混合分量。若輸入 個(gè)不同頻率的信號(hào)，輸出分量為:交調(diào)系數(shù)：?jiǎn)挝皇?dBc，交調(diào)分量比載頻分量的分貝數(shù)。三階交調(diào)失真三階交調(diào)分量 ：三階交調(diào)系數(shù)不可能把它從信道中濾除。三階交調(diào)交截

4、點(diǎn)IP3基波信號(hào)輸出功率特性延長(zhǎng)線與三階交調(diào)特性延長(zhǎng)線的交點(diǎn)稱為IP3，與其對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)的幅值IIP3。線性度：IIP31 dB壓縮點(diǎn)和IIP3之間的關(guān)系：當(dāng)系統(tǒng)由一組電路單元組成時(shí)，總的IIP3可用下式計(jì)算：二階交調(diào)二階交調(diào)系數(shù) ：二階交調(diào) 失真比二次諧波失真嚴(yán)重，也比三階交調(diào)嚴(yán)重。窄帶功放：可以用濾波器濾除，不需考慮。寬帶功放：必須考慮可以用平衡電路減少這種失真二階交調(diào)交截點(diǎn)：類似于三階交調(diào)交截點(diǎn)的定義頻譜擴(kuò)展（再生）ACPR：Adjacent Channel Power RatioAM/AM轉(zhuǎn)換和AM/PM轉(zhuǎn)換AM/AM：對(duì)輸入信號(hào)的幅度調(diào)制效應(yīng)AM/PM：對(duì)輸入信號(hào)的相位調(diào)制效應(yīng)三拍

5、失真三拍失真定義：具有三個(gè)不同頻率 的信號(hào)同時(shí)輸入放大器時(shí)，其中 和 非常接近，而 離開 和 比較遠(yuǎn)，這時(shí)功率放大器輸出端出現(xiàn) 的失真分量。三拍失真系數(shù)注意與三階失真的區(qū)別功率效率、功率附加效率功率效率：表示功率放大器把直流功率轉(zhuǎn)換成射頻功率的能力。沒有考慮晶體管的放大能力。功率附加效率： 微波功率放大器設(shè)計(jì)示例EDGE 標(biāo)準(zhǔn)功率放大器設(shè)計(jì)功率放大器設(shè)計(jì)的主要目的是得到晶體管的最大功率。負(fù)載線分析法負(fù)載牽引法大信號(hào)參數(shù)分析法EDGE：一種提高數(shù)據(jù)速率的新技術(shù)，是“全球通”向第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（IMT-2000）過渡的臺(tái)階。EDGE 標(biāo)準(zhǔn)功率放大器指標(biāo) 設(shè)計(jì)主要滿足上面斜體表示的指標(biāo)，包括功率、

6、增益和一些非線性指標(biāo)。整個(gè)功率放大器結(jié)構(gòu)放大器所需的級(jí)數(shù)由增益指標(biāo)決定最后一級(jí)放大器滿足功率指標(biāo)MGF2430A可以得到29 dBm的功率和10 dB的增益ATF21170可以得到13 dB的增益驅(qū)動(dòng)放大級(jí)設(shè)計(jì)小信號(hào)設(shè)計(jì)技術(shù)，以得到最大增益為目標(biāo)。穩(wěn)定性考慮，R1是穩(wěn)定電阻仿真結(jié)果驅(qū)動(dòng)級(jí)輸入匹配電路設(shè)計(jì)輸入匹配電路性能驅(qū)動(dòng)級(jí)輸出匹配電路設(shè)計(jì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)級(jí)放大電路性能功率放大級(jí)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)目標(biāo)是得到最大輸出功率功率器件的輸出阻抗是輸出功率的函數(shù)，存在一個(gè)理想輸出阻抗可以得到最大的輸出功率。輸出匹配電路的目的是把50 Ohm匹配到該理想輸出阻抗。這里采用兩種技術(shù)來設(shè)計(jì)輸出匹配電路Loadpull meth

7、od 負(fù)載牽引法Loadline analysis method 負(fù)載線分析法有時(shí)需要在輸出功率和增益之間進(jìn)行選擇最大功率輸出設(shè)計(jì)方法負(fù)載線分析方法計(jì)算負(fù)載線計(jì)算負(fù)載線電阻負(fù)載線分析方法仿真仿真結(jié)果輸出匹配電路設(shè)計(jì)負(fù)載牽引法負(fù)載牽引仿真仿真結(jié)果功率放大級(jí)整體仿真功率放大器整體仿真功率放大器整體仿真結(jié)果 微波功率放大器線性化設(shè)計(jì)技術(shù)線性化技術(shù)的重要性（一）線性化調(diào)制技術(shù)的廣泛采用線性調(diào)制技術(shù)（如pi/4-DQPSK、16QAM）具有頻譜效率高的特點(diǎn)，因而被現(xiàn)代通信系統(tǒng)所廣泛采用。功率放大器本質(zhì)非線性可以造成交調(diào)失真，從而造成頻譜擴(kuò)展。多載波放大系統(tǒng)對(duì)線性化的需求由于遠(yuǎn)近效應(yīng)的存在，基站系統(tǒng)對(duì)鄰信

8、道干擾（ACI）的要求非常嚴(yán)格（-60 dB），要求高線性化的功率放大器，減少交調(diào)分量對(duì)鄰信道的干擾。線性化技術(shù)的重要性(二)多載波調(diào)制方式的逐漸采用多載波調(diào)制方式（如OFDM）具有一系列明顯的優(yōu)點(diǎn)，正為許多標(biāo)準(zhǔn)（如802.11、4G、HDTV、DVB）所采用。OFDM信號(hào)具有高的峰值/平均功率比（PAPR），功率放大器的非線性失真將影響傳輸系統(tǒng)的性能。功率效率的考慮電池壽命、熱管理等要求采用高效的功率放大器，因此不能通過功率回退(Back-off)的方法，使之工作在線性放大區(qū)線性化技術(shù)總攬器件級(jí)線性化設(shè)計(jì)技術(shù)電路級(jí)線性化設(shè)計(jì)技術(shù)反饋線性化設(shè)計(jì)技術(shù)前饋線性化設(shè)計(jì)技術(shù)預(yù)失真線性化設(shè)計(jì)技術(shù)EE&R

9、 線性化放大器LINC 技術(shù)功率放大器線性化設(shè)計(jì)技術(shù)總結(jié)器件級(jí)線性化設(shè)計(jì)技術(shù)A類功率放大器的功率回饋（Back-off）偏置（Biasing）線性化技術(shù)二極管偏置低阻抗偏置電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)偏置無源射頻負(fù)反饋（Passive RF Feedback）串聯(lián)負(fù)反饋（Series feedback）并聯(lián)負(fù)反饋（Shunt feedback）包絡(luò)（Envelope）負(fù)反饋優(yōu)缺點(diǎn)分析：輸出功率穩(wěn)定不能補(bǔ)償相位信息穩(wěn)定增益低和大的相位漂移Polar-Loop發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)Polar-Loop發(fā)射機(jī)分析優(yōu)點(diǎn)分析：可用C類放大器，組成高效、線性的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)。射頻部分比較簡(jiǎn)單，只包括VCO和功率放大器。沒有采用上變頻，因

10、此不需鏡頻抑制濾波器。缺點(diǎn)分析：相位回路本質(zhì)上有相位不連續(xù)問題，因此需要較高的回路反饋帶寬，限制了它的應(yīng)用。在信號(hào)幅度較小時(shí)PLL環(huán)路有鎖定問題，相位快速變化時(shí)有快速響應(yīng)問題。Cartesian-Loop發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)Cartesian-Loop發(fā)射機(jī)分析優(yōu)點(diǎn)分析：不需要PLL/VCO元件，由此引起的快速跟蹤、相位誤差和鎖定等問題也不會(huì)存在。結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便?？蛇m用于任何調(diào)制方式該技術(shù)已在150MHz-1.8G 的商業(yè)系統(tǒng)中出現(xiàn)，如RF Micro Devices的RF2422器件，線性化程度能提高25-45 dB。結(jié)構(gòu)通用，Cartesian-Loop技術(shù)可應(yīng)用軟件無線電系統(tǒng)中。前饋線性化

11、基本原理前饋線性化技術(shù)分析優(yōu)點(diǎn)：前饋技術(shù)不會(huì)降低放大器的增益?；拘问降那梆佅到y(tǒng)是無條件穩(wěn)定的。采用多環(huán)前饋技術(shù)，可以達(dá)到任意高的精度。誤差放大器可以采用高線性、低噪聲的放大器，提高系統(tǒng)性能。缺點(diǎn)：器件特性隨時(shí)間和溫度的變化沒有補(bǔ)償。器件之間的幅度和相位特性必須很好匹配。電路結(jié)構(gòu)比反饋系統(tǒng)復(fù)雜。相關(guān)檢測(cè)自適應(yīng)前饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)預(yù)失真技術(shù)基本原理射頻預(yù)失真所采用的技術(shù)同前饋控制一樣，射頻預(yù)失真也需要反饋控制技術(shù)來糾正補(bǔ)償系統(tǒng)性能的變化。普通的射頻預(yù)失真技術(shù)功能單元（多項(xiàng)式、冪級(jí)數(shù)）查找表（Look-up table）模擬預(yù)失真（二極管）自適應(yīng)的射頻預(yù)失真技術(shù)鄰頻干擾（ACI）功率最小基于相關(guān)檢測(cè)的反饋

12、控制自適應(yīng)射頻預(yù)失真技術(shù)復(fù)雜增益查找表技術(shù)效率高運(yùn)算速度快EE&R AmplifierEnvelope Elimination and RestorationEE&R Amplifier基本結(jié)構(gòu)EE&R技術(shù)分析優(yōu)點(diǎn)：由于采用了高效率的C、D、E或S類放大器，功率附加效率非常高，理論上可達(dá)100。潛在的高線性化，只是受到輸出功率放大器的限制?；拘问綄?shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單缺點(diǎn)對(duì)包絡(luò)變化很大的信號(hào)無能為力?；拘问讲荒鼙O(jiān)視本身信號(hào)的輸出，不能糾正系統(tǒng)本身元件的非線性。LINC 技術(shù)Linear Amplifier using Nonlinear Components其中：必須滿足條件：LINC 技術(shù)分析潛在的優(yōu)點(diǎn)：由于可以使用非線性元件，工作頻率很高。可以使用高效非線性的元件，如D、E或F類功率放大器，效率很高。理論上實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單。一些缺點(diǎn)：兩條射頻通路要求增益和相位嚴(yán)格匹配，因此必須采用反饋機(jī)制。較好的功率耦合和低損耗最大的問題，潛在的功率損耗達(dá)到50。線性化技術(shù)總結(jié)（一）采用Cartesian-Loop結(jié)構(gòu)的C類放大器已在第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)中采用，如DAMPS、PDS系統(tǒng)。這種發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)接口比較簡(jiǎn)單，能夠方便的實(shí)現(xiàn)功率控制，效率也可以。在衛(wèi)星和蜂窩通信系統(tǒng)中，前饋技術(shù)是一個(gè)可選技術(shù)。通過一定的控制策略，可以達(dá)到75 dBc 以上的線性度。目前這個(gè)技術(shù)已從傳統(tǒng)的AMPS/DAMPS領(lǐng)域延