功率放大器的线性化技术

NG (预失真器）
PA
2、基带数字预失真技术 基带数字预失真技术是近几年发展起来的一种 新型技术，是线性功放发展的主流。这项技 术目前还不是很成熟、是未来线性功放发展 的方向。其优点是线性度高、效率高；缺点 是电路复杂、实现难度较大。原理是将功放 输入的信号取样，下变频到中频、经数字中 频处理后、提取基带数字信号的辐度和相位 信息，再将输出的非线性的信号同样变频到 基带，并提取相应的信息，两者相比较，再 通过相位和辐度调整电路将输入信号进行动 态地矫正。
高功放的发展现状
功率回退： 传统的功率放大器一般采用回退技术来实现不同 功放要求，是目前主要采用的技术。 基本原理: 输入功率减小1dB时，三阶交调系数改 善 2dB，通过减小输入功率的方法改善功率 放大 器的线性。 优缺点:简单、易实现 降低效率、增大成本 小功率、适用于线性要求不很高的系统
弱非线性：电路的特性( I / V , Q / V , / V )如果能用 幂级数展开。 可用Volterra级数法进行分析。 强非线性只能通过谐波平衡法或者时域方法来分 析。 准非线性
AMPS/NAMP S
1983/1988 North America 824－49
ETACS 1985 United Kingdom 890－15 25
JTACS/NTA CS
1988/1993 Japan 915－25
Channel bandwidth (kHz)
30/10
25/12.5
Multiple access
FDMA
FM N/A 3.6-6.0 30 >50
Several 2G Digital Wireless Systems
Standard Year introduced Uplink frequency band (MHz) Carrier spacing (kHz) Multiple access GSM 1990 Europe 890-915 200 TDMA/F DMA GMSK FDD 30 21 0 12.5 3.5-6.0 N/A 20 >50 IS-54 1991 North America 824-849 30 TDMA/FDMA IS-95 1993 North America 824-849 1,250 CDMA/FDMA PDC 1991 Japan 940-959 25 TDMA/FD MA p /4Modulation Duplex mode Maximum transmit power (dBm) Long-term mean power (dBm) Peak-to-average power ratio (dB) Transmit duty ratio (% ) PA voltage (V) ACPR (dBc) Typical PA quiescent current (mA) Typical efficiency (% ) p /4-DQPSK FDD 27.8 23 3.2 33.3 3.5-6.0 -26 180 >40 OQPSK FDD 27.8 17 5.1 Variable 3.5-6.0 -26 200 >30 FDD 33 28 2.6 33.3 3.5-4.8 -48 150 >50 DQPS K TDD 19 10 2.6 33.3 3.1-3.6 -50 100 >50 PHS 1993 Japan 1,895-1,907 300 TDMA/FD MA p /4DQPS K
Modulation Maximum transmit power (dBm) PA voltage (V) Typical PA quiescent current (mA) Typical efficiency (%)
FDMA
FM 27.8 3.6-6.0 30 >50
FDMA
FM N/A 3.6-6.0 30 >50
I2 0
V2 0
V2 0
2.1.2散射参数
a1 b1 Two-Port Network b2 a2
入射波ai，入射波bi
b1 S11a1 S12 a2 b2 S21a1 S22 a2
b1 S11 b S 2 21 S12 a1 a S 22 2
基带数字预失真的硬件原理
极性环
定向耦合器 VCO 视频放大器 PA 线性化输出 AGC
LPF 峰值检波 信号 （1.F.) 鉴相器 （1.F.)
峰值检波
下变频
RF频综源
笛卡儿环
I-Q调制器 Iin 定向耦合器 90o移相 Qin PA 线性化输出
LO IOUT 衰减器 90o移相 QOUT I-Q解调器
是
易
小
高
低
试验阶 段
难
否
易
小
高
低
第二章
射频及微波功率放大器设计
1 2 3 二端口网络及S参数 准线性网络设计 负载牵引法
2.1 二端口网络理论及S参数
1 2 3
传统的网络参数
散射参数
二端口网络参数间转换
4
传输线
2.1.1 传统的网络参数
i1 v1 Two-Port Network i2 v2
阻抗参数
IC Design 需要传输线知识吗 – 空气中1GHz信号的波长为30cm，芯片的尺寸以mm计， 因此在这个频段附近(lower GHz) 的RFIC 内部通常还 不需要考虑传输线效应 – 当频率高到一定程度，电路中存在较长的连线，或者需 要精确分析电路的工作情况，即使是IC 设计也不得不 使用传输线理论 – IC与外界连接时( 不论是测试还是实际应用) 都将用到 传输线 – 传输线现象是典型的高频现象，传输线理论是理解高频 电路、信号和系统的基础和重点 • 抽象的传输线 – 一根信号线和地( 线或面) 就组成了传输线 – 电磁波将沿信号线传输并被限制在信号线和地之间
传输线阻抗变换
2.2 准线性网络设计方法
为简化功率放大器设计过程，在一些情况下， 使用基波电流和电压之比和非线性元件用等效平 均基波线性元件代替，可用准线性方法分析。依 据信号电压的等效平均线性元件的推导是基于静 态伏-安和电压-电容有源器件特性。
2.3负载牵引法
• 直接方法，也是一种借助实验手段的方法 • 确定功率放大器的增益、输出功率、非线性特 性与负载的 关系 • 确定振荡器的频率牵引特性、振荡稳定区与负 载的关系 • 在设计功率放大器时，用测量系统 测出功率放大器在不同 负载情况下的增益、输 出功率、三阶交调失真及二次谐波， 用这些数 据在阻抗园图上画出负载阻抗的轨迹，从中选出 合适的参数作为设计依据 • 优点：测试结果能使设计人员一目了然，便于 设计 采用计算机自动测试系统，测试结果可靠 • 缺点：被测放大器的功率越大要求信号源功率 也越大 无法测量激励频率的谐波阻抗，很难估 计谐波影响。
a2 0
2.1.3二端口参数的相互转换
2.1.4 传输线(Transmission Lines)
分布(distributed) 参数系统与集总(lumped) 参数系统 – 任何电路、元器件、连接线本质上都是分布系统， 在某些条件下它们的分布特性可以被忽略，正如在某 些条件下微积分可以简化为四则运算。 – 对于一条长度为l 的低损耗连接线和波长为λ的信号， ① 当l << 0.1λ，连线可以看成理想的电路连接线 (阻抗为0的集总系统)。 ②当l > 0.1λ，我们认为它是一个分布系统－传输 线。 – 分布 vs. 寄生(parasitic) • 准静态(Quasi-Static) 与非准静态(NQS) – QS：电路理论适用， NQS：电磁场理论适用
用于移动通信的功率放大器
频率范围 MHz Pout(dBm) 增益(dB) 功率附加效率(%) 偏置(V)
GSM
PCS 蜂窝
890∼1900
1850∼1910 824∼928
32∼35
28∼32 28∼32.5
>30
>24 >27
50∼55
30∼42 30∼60
3∼5.8
3∼5.8 3∼5.8
数字移动通信对非线性分析的影响 非恒包络信号—对非线性敏感 NADC(π/4-QPSK)、CDMA(QPSK、OQPSK) 高功率附加效率—非线性状态较强 低邻信道干扰—要求线性好 挑战 解决高功率附加效率与低邻信道干扰的矛盾 如何在线性度和效率之间做到较好的兼顾？
b S a
b1 S11 a1 b2 S 22 a2 b1 S12 a2 b2 S 21 a1
端口2处接有匹配负载时，在端口1处的反射系数
a2 0
端口1处接有匹配负载时，在端口2处的反射系数
a1 0
a1 0
端口1处接有匹配负载时，端口2到端口1的传输 系数 端口2处接有匹配负载时，端口1到端口2的传输 系数
新一代基站功放和传统功放的技术比较
技术 类型 基于 前馈 技术 的功 放 基于 DPD技 术的 功放 基于 DPD加 Doher ty技 术的 功放 技术成 熟度 成熟 技术 难度 中 功放 效率 低于 10％ 是否获得 商用 是 生产 体积 可靠 成本 难度 性 难 大 低 高
步入成 熟
难
高， 典型 值19 ％ 高， 典型 值27 ％
I2 0
I1 0
I1 0
I2 0
导纳参数
I1 Y11 Y12 V1 I Y Y V 2 21 22 2
I1 Y11 V1 V 0
2
I2 Y22 V2
V1 0
I1 Y12 V2
V1 0
I 21 Y21 V2 V 0
2
混合参数
V1 h11I1 h12V2 I 2 h21I1 h22V2
V1 h11 I1 V 0
2
V1 h11 h12 I1 I h h V 2 21 22 2
H 22 I2 V2
I1 0
V1 h12 V2
射频及微波固态功率放大器
电子科技大学 张玉兴教授（博导）
内容
1
射频及微波功率放大器发展动态 射频及微波功率放大器设计 功率放大器的线性化技术 射频及微波固态功率放大器中的新颖技术
2 3
4
绪论 射频及微波固态功率放大器发展动态
Several 1G Analog Wireless Systems
Standard Year introduced Uplink frequency band (MHz)
第3章 功率放大器的线性化技术
1 2 3 非线性电路基本概念与定义 放大器中的非线性现象 功率放大器的线性化技术
非线性电路基本概念与定义
线性与非线性 线性电路满足叠加原理。 线性系统的响应中仅包含激励信号的频率, 不会产生新的频率分量。 非线性系统产生大量的新的频率分量。 因此,是否有新的频率产生这个标准就成为 严格区分线性和非线性电路的界限。
负反馈法
B +
Vi
-
BVo+
A
+
Vo
-
Vi BVo
-
-
优缺点:简单、易实现 频带较窄、稳定性较差 适用于线性要求不高的系统
前馈技术： 采用前馈技术优点是能大大改善功放的线性度， 缺点是成本较高、难度大、功放的效率会比 较低，这种技术近几年在国内外已经得到了 广泛的应用。
预失真技术 预失真又分这模拟预失真（ APD ）和数字预失真 （DPD） 1、模拟预失真是指在功放输入前加入一个预失真 器，这种预失真器产生的非线性与功放产生的 非线性相们相反，从而可以实验非线性的矫正， 模拟预失真又分为射频预失真和中频预失真。 这种技术优点是实现简单、技术难度小、成本低； 缺点是线性度改善不高。
I1 0
I2 h21 I2
V2 0
传输参数
V1 AV2 BI 2 I1 CV2 DI 2
V1 A B V2 I C D I 2 1
I1 C V2 I1 D I2
V1 A V2 V1 B I2
wk.baidu.comI2 0
V1 Z11I1 Z12 I 2 V2 Z 21I1 Z 22 I 2
V1 Z11 I1 V1 Z12 I2
V1 Z11 V Z 2 21
V2 Z 22 I2 V2 Z 21 I2
Z12 I1 I Z 22 2