3_5GHzWiMAX射频功率放大器的实现及其预失真模型

第 40 卷第 6 期 2010 年 11 月
东 南 大学 学 报
(自然 科学版 )
JOU RNA L O F SO U THEA ST UN I V ER SITY ( N atu ral S cience E dit ion)
V o. l 40 N o. 6 No v. 2010
do i : 10 . 3969 / .j issn. 1001- 0505 . 2010 . 06 . 001
针对上述技术指标, 本文采用了 Ag ilent公司 提供的 ADS 软件和 F reescale 公司的 MRF7S38010 电热模型 ( MET ) 进行功放的设计和仿 真. 根据负 载牵引法 ( load _pu ll) , 并综合考 虑功率和 效率因 素 , 可以确定负载反射系数 L 的值, 从而求出相 应的负载阻抗 Z L. 然后根据输入共轭匹配准则 , 得 到源反射系数
Abstract : A 10W peak 3 . 5 GH z LDM O S ( latera l d iffusedM O SFET ) pow er am p lif ier is designed acco rding to the 802 . 16e W M i AX spec if ication . T he load pull techn iq ue is used in decisio n of the best input/ output i m pedances o f the pow er tran sisto r . T he si m u la ted va lue s are in agreem ent w ith the experi m enta l resu lts . A m e th od based on m em o ry ef fect m in i m izat io n and indirect learning is pro po sed and app lie d successfully to the behav iora l m odeling and d ig ita l pred isto rt io n o f th e i m p lem en ted pow er am plif ier . The w o rkbench o f m uti carrier signa l generat io n and co llect io n is a lso construc ted . T he experi m enta l results show that a spec if ica tio n o f- 47 . 5 dB c , w ith an i m provem ent o f 14 dB, can be ach ie ved for th e pow er am p lif ier characterized by a H amm erste in m ode l w ith only seven coe ff icients , driven by three carr ie rW CDM A w ideband signa l w ith an average output pow er o f 30 dBm. Com pared w ith conventiona l d ig ita l predisto rtion techn iq ue , the com putationa l com plex ity can be reduced w hile h igh perform ance is m ainta in ed w hen the propo sed m e th od is adop ted , w h ich show s its prom ising application. K ey w ord s : RF pow er am plif ier ; load pu l;l W M i AX; behav io ral m ode;l pred isto rt io n 以 IEEE 802 . 16e 标准为基础的 W M i AX 宽带 无线技术是移动通信中的研究热点. 该系统具有频 谱利用率高、 抗多径干扰与频率选择性衰落能力强 [ 1] 等优点 . 射频功率放大器 ( RFPA ) 在很大 程度上决定
频率范围 / 输出功率 / GH z dBm 3 . 4~ 3 .6 30 增益 / dB 38 带内波动 / 矢量误差幅度 / dB % < 1 < 2 . 8
图 1 LDM OS 射频功放实测结对基于该功放的 W M i AX 发射链路进行了系统 级仿真. 根 据 I E EE 802 . 16e 的协议 规 范, 输 出信 号 的矢 量 误差 幅度 应 小于 - 30 dBc . 对于 1 dB 压缩点功率为 41 . 8 dBm 的功 率放大器, 当输出信号中的数据功率为 33 dBm 时 , 平均 相 对 星 座 图 误 差 ( RCE ) 的 仿 真 值 为 - 32 . 3 dB c , 相应的平均矢量误差幅度仿真值为 2 . 4 % , 而表 1中的指标要求的输出功率为 30 dBm, 矢 量误差幅度为 2 . 8% . 本设计的性能指标具备相当 余量 . 图 2 给出 了 W M i AX 测 试平 台的 照片 . 采用 Ag ilent S ig na l Stud io 软件产 生信号并下载 到 Ag i ( 1) lent ESG E4438C 信号源中 , 经过待测功放、 衰减器 和耦合器输入至 Ag ilent E4445A 矢量信号分析仪 中进行数据采集, Ag ile nt E4416A 功率计则用来监 测功放的输出功率 . 采用 Ag ilen t 89601 软件对数 据进行分析 . 测试信号的长度取为一个符号长度 , 即 102 . 9 s . 表 2 和图 3 分别是 W M i AX 功率放大 器系统的仿真和实测结果. 可以看出, 当输出信号 功率为 33 dBm 时 , 矢 量误差幅度为 2 . 62 % , 相应 的 RCE 为 - 31 . 6 dB, 仿 真与实测结果很接近. 当 输出功率小于 29 . 5 dBm 时 , 矢量误差幅度指标优 于 1 %.
[ 5]
率为 38 . 2 % . 考虑到板材和接头损耗及该功率管 的标称功率仅为 40 dBm, 因此实测功率特性相当 理想 , 验证了设计的正确性.
1 WM i AX 射频功率放大器设计与实现
首先, 根据 W M i AX 标准和实际需求确定射频 功放的技术参数 ( 见表 1) .
表 1 WM i AX 功率放 大器的技术指标
S
的值:
*
S = S11 + * * * *
S 12 S 21 * 1- S 22
*
*
* L * L
式中, S 11, S 12, S 21, S 22为管子的散射参量. 图 1( a) 给出了本文设计的 3 . 5 GH z W M i AX 射频功率放大器的实物照片 . 电路板 介电常数为 2 . 55 , 厚度为 0 . 8 mm, 损耗角正切值为 0 . 002 . 该功 放增益为 38 dB. 末级功放采用的是 LDMOS 功率 管 MRF7S38010. 为了保证电路之间的匹配 , 两级 功放之间配置了隔离器. 图 1 ( b) 是功放增益和效 率随输出功率变化的仿真和实测结果 . 仿真的功放 的 1 dB 功率 压缩点为 41 . 8 dBm, 相应的 效率为 39. 6 % . 实测的 1 dB 功率压缩点为 41 . 5 dBm, 效
3 . 5 GHz W iM AX 射频功率放大器的实现 及其预失真模型
张 雷 洪 伟 周健义 翟建锋
( 东南大学毫米波国家重点实验室 , 南京 210096)
摘要: 针对 IEEE 802 . 16e W M i AX 标准设计并实现了中心频率为 3 . 5 GH z、 峰值功率为 10W 的 LDM OS 大功率射频功率放大器. 采用负载牵引法确定了功放管的最佳输入和输出阻抗 . 各 项指标的仿真结果与实测结果高 度吻合 . 提 出一种低记忆 功放并结合间 接学习的方法 , 对该 功放进行行为级建模和数字预失真 , 同时建立 了多载波信号产生和采集的软硬件平 台. 实验 结果表明, 对于三载波 W CDM A 宽带输入信号 , 当输出平均功率为 30 dBm 时 , 采用仅 7 个系 数的 H a m m e rste in 模型 , 即可得到 - 47 . 5 dB c 的邻道泄漏 ( ACLR ) 指标, 改善度达到 14 dB. 相 对于传统的预失真技术 , 提出的方法能够在 保证预失真性 能的同时减少 计算量 , 具有良好的 应用前景. 关键词 : 射频功率放大器 ; 负载牵引 ; W M i AX; 行为级模型; 预失真 中图分类号 : TN84 文献标识码: A 文章编号: 1001- 0505( 2010) 06 1129 05
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东南大学学报 ( 自然科学版 )
第 40卷
着数字信号处理技术和计算技术的发展, 现代无线 通信系统更多地采用数字预失真技术来补偿各种 非线性失真 . 对于具有较强记忆效应的大功率射频 功放, 建立精确的模型是实现数字预失真的关键. 目前, 功放的行 为级模型有 两大类 : 一是 V o lterra [ 4] 级数及其简化形式; 二是人工神经网络 . 为了得 到较好的建模效果, 采用上述技术通常需要几十甚 至上百个系数 . 而数 字预失真则需 要用到上述 [ 5] 模型的逆模型, 进一步增加了计算复杂度 , 在一 定程度上限制了数字预失真技术在宽频带大功率 [ 6] 场合的应用 . 本文针对 W M i AX 系统设计了 LDMO S 大功 率射频功率放大器, 给出了具体的设计思想和测试 结果. 提出了一种低记忆功放结合间接学习的设计 方法. 将该方法应用于数字预失真的硬件平台和射 频功放实物 , 采用简单的模型即取得了很好的线性 改 善度 . 实 验 结果 表 明该 方 法具 有 较好 的应 用 价值.