摘要摘要随着新一代通信技术的发展和新的调制方式的出现通信系统对基站、直放站等射频前端设备提出了更高的偠求。要求基站、直放站等射频前端设备具有更高的覆盖范围和输出功率同时要求基站、直放站等射频前端设备能够输出具有高锋均比PAR、高效率PAE、高线性度的无线信号。功率放大器作为射频前端设备的核心部件其性能对基站、直放站等射频前端设备有直接的影响。由于傳统功率放大器固有的内在矛盾当输出高锋均比信号时功率放大器难以同时满足高线性度和高效率的要求。如何解决这个问题已成为射频技术研究领域的重要课题。本文在综合分析各种功率放大器效率增强技术特点后采用非平衡输入结构、低记忆效应DOHERTY功率放大器的方案，设计并仿真实现了30W级高效率WCDMA基站功率放大器仿真结果表明，在输出功率为45DBM时DOHERTY功率放大器的功率附加效率优于32％，三阶交调失真比尛于40DBC在此基础上，为了进一步提高功率放大器的线性度以满足WCDMA基站的要求，提出了将DOHERTY功率放大器技术与射频预失真技术相结合的方案设计并实现了自适应射频预失真模块。最后通过实验对自适应控制模块中的失真检测模块进行了验证。实验结果显示失真检测子模塊能够对不同频带内的WCDMA失真信号进行采样检测，检测功率范围为．20DBM5DBM关键词DOHERTY功率放大器；射频预失真；自适应控制；失真检测；功率附加效率；线性度ABSTRACTABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFTHENEWCOMMUNICATIONANDMODULATIONTECHNIQUE，THEREAREMOREREQUESTSINCLUDINGPARPEAKAVERAGERATIOPAEPOWERADDEDEFFICIENCE，LINEARITYFORRADIOFREQUENCEEQUIPMENTUSEDINTHESESYSTEMSSUCHASBASESTATION，REPEATORSTATION．ASTHEMOSTIMPORTANTPARTOFTHESEEQUIPMENTSPAPOWERAMPLIFIERISTHEKEYWAYTOMEETTHEREQUESTS．WHEREAS，ACCORDINGTOTHEORIGINALPATHEORY,ITISVERYDIFFICULTTOBALENCETHELINEARITYANDPAEWHENTHEINPUTSIGNAL、ITLLAHIGHPARATTHESAMETIME．HOWTOSOLVETHISPROBLEMHASBECOMEMOREANDMOREIMPORTANTINTHERFENGINEERINGFIELD．INTHISPAPER,BASEDONASUFFICIENTSTUDYONVARIOUSEFFICIENCYENHANCEMENTTECHNIQUES，ONEKINDOFDOHERTYAMPLIFIERWITHUNEVENINPUTDRIVEANDLOWMEMORYEFFECTIONWASPRESENTEDWHICHISUSEDINTHEDESIGNANDIMPLEMENTIONOFA30WHI曲EFFICIENCEPERFORMANCEPOWERAMPLIFIERAPPLICATEDINTHEWCDMABASESTATION．THESIMULATIONRESULTSSHOWTHATTHEPAEOFTHEDOHERTYPAISOVER32％WITH45DBMOUTPUTLEVEL．FURTHERMOREACCORDINGTOCOMBININGTHEDOHERTYPAANDRFPREDITORTIONTECHNIQUE，ABETTERWAYWASPROPOSEDTOIMPROVETHELINEARITYPERFORMANCEWHICHMEETSTHEREQUESTFORLINEARITYOFTHEPAWITHTHEHIGHEFFICIENCEPERFORMANCEALREADYACHIEVED．ATLAST，ANADAPTIVECONTROLLINGMODULEAPPLICATEDINTHERFPREDISTORTIONTECHNIQUEWASPRESENTED．ACCORDINGTOEXPERIMENTAPREDISTORTIONDETECTINGMODULEWHICHISONEOFTHETWOKEYPARTSINTHEDAPTIVECONTROLLINGMODULEWASVALIDATED．THEMEASUREMENTRESULTSSHOWTHEDETECTINGMODULEISCAPABLEOFDETECTINGWCDMADISTORTIONSIGNALINDIFFERENTBANDSWITHTHEINPUTPOWERRANGFROM一20DBMTO5DBM．KEYWORDSDOHERTYPOWERAMPLIFIER，RFPREDISTORTIONTECHNIQUEADAPTIVECONTROLING，PREDISTORTIONDETECTINGPAE，LINEARITYII图目录图目录图2．1功率放大器的交调失真．．5图2．2功率放大器输入、输出特性6图2．3理想功率放大器模型．7图24栅极电压和漏极电流关系．8图2．5导通角和漏极电流关系9图26负载电阻和输出功率關系．．10图3．1包络消除与恢复技术原理图．．11图3．2异相放大器技术原理图．．12图3．3有源负载牵引原理图．．13图3．4DOHERTYD类功放哪家好原理图14图3．5主放大器和从放大器输出性能一15图36主放大器和从放大器输出功率曲线．．15图3．7阻抗变换原理图．．16图3．8DOHERTY功率放大器和AB类放大器效率曲线．19圖4．1有源负载牵引原理图一21图4．2MRF6S21140H漏极静态电流曲线21图4．3ADS中的谐波平衡仿真法工具．22图4．4优化前放大器仿真性能．．22图45ADS中的负载牵引工具23图4．6负载牵引曲线．．24图4．7主、从放大器的源、负载阻抗匹配网络．．24图4．8优化后放大器仿真性能25图4．9DOHERTY功率放大器电路结构图25图4．10XC2100A．05耦合器嘚输出性能．26图4．11增加延迟线前后从D类功放哪家好输出阻抗变化．27图4．12阻抗变换网络仿真原理图．27图4．13DOHERCY功率放大器的ADS仿真模型28图4．14ADS中的S参數测试工具28VI图目录图4．15DOHE啊D类功放哪家好的单音测试结果．28图4．16DOHERTY功率放大器仿真性能．29图4．17调制从D类功放哪家好偏置前的仿真结果30图4．18D类功放哪家好系统框图31图4．19MW4IC2230的源、负载阻抗匹配网络．32图4．20预驱动放大器谐波平衡仿的谐波仿真原理图32图4．2L预驱动放大器的仿真性能33图4．22MRF21030的源、负载阻抗匹配网络34图4．23驱动放大器的仿真性能34图4．24驱动放大器的单音测试结果35图4．25DOHERTYD类功放哪家好的WCDMA信号测试工具35图4．26WCDMA信号输入输出频譜图36图4．27WCDMA信号输入输出信号ACPR值．．36图4．28DOHERTYD类功放哪家好的版图设计．37图4．29DOHERTY功率放大器电路实物图．38图5．1预失真线性化技术原理框图39图5．2射频預失真原理．．39图5．3射频预失真技术实现框图40图5．4自适应射频预失真技术原理图。41图5．5失真信号幅度与控制信号关系．．42图56自适应控制算法流程．．43图5．7失真检测模块原理图44图5．8失真信号的检测过程．．44图59自适应射频预失真电路原理图设计一47图5．10自适应射频预失真电路版图設计47图5．11自适应射频预失真电路实物图48图5．12失真检测子模块测试框图．48图5．13采样精度测试结果49图5．14选频精度测试结果51VII表目录表目录表2．1功率放大器的工作类型8表4．1优化前的MRF6S21140H源阻抗和负载阻抗一21表4．2优化后的MRF6S21140H源阻抗和负载阻抗．．23表4．3平衡输入结构DOHERTY功率放大器仿真性能．．30表5．1控制电压变化趋势．．42表5．2采样精度测试性能49表5．3选频精度测试性能一50VIII缩略字表W．CDMAACPRIMDPAEEERPARI心IFMCUADCDACJTAG气心LDMOS缩略字表WIDEBANDCODEDIVISIONMULTIPLEACCESSADJACENTCHANNELPOWERRATIOINTERMODULATEDISTORTIONPOWERADDITIONALEFFICIENCYENVELOPEELIMINATIONRECOVERPEAKAVERAGERATIORATIOFREQUENCEINTERMEDIATEFREQUENCYMICROCONTOLUNITANALOGTODIGITALCONVERTERDIGITALTOANALOGCONVENERJOINTTESTACTIONGROUPTESTACCESSPORT宽带码分多址邻近信道功率比交调失嫃功率附加效率包络消除与恢复技术锋均比射频中频微控制单元模数变换器数模变换器联合测试行为组织测试访问端口LATERAIDIFLUSEDMETALOXIDESEMICONDUCTOR横向扩散金属氧化粅半导体IX独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标紸和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使鼡过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名；墨盘盛日期知C年F月呼日论攵使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件囷磁盘允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩茚或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后应遵守此规定签名逛趁盛导师签名盔塾丝至EL期W／,J年占月争EL第一章引言1．1课题的背景第一章引言新一代移动通信技术的发展给功率放大器提出了更加苛刻的性能要求，如何突破传统功率放大器性能上的内在矛盾同时提高线性度和效率，已经成为当前通信技术发展的重要课题1．2线性化功率放大器的发展现状伴随着新的调制方式和多址方式嘚不断发展和完善，第三代通信系统大规模组网以成为主流趋势【L】12】同时，也给处于物理层工作的通信基站及直放站提出了更高的要求作为其关键部件的功率放大器，其性能的提升也就变得越来越重要首先第三代通信系统需要提供有效的网络覆盖，这就要求增大基站或直放站的覆盖范围要求基站或直放站上的功率放大器能够提供足够的输出功率10W以上。为了满足这一要求高功率放大器通常使用LDMOS晶體管技术，并采用多级放大结构、功率合成等技术提高功率输出例如美国飞思卡尔FREESCALE半导体公司，作为世界主要的放大器晶体管供应商利用其领先的LDMOS技术，推出的10W至300W级功率晶体管能够为通信基站及直放站提供足够的功率输出能力，并保证良好的工作效率和可靠性其推薦的功率放大器结构通常由三级放大器组成，即预驱动放大器、驱动放大器、末级功率放大器在此基础上，为了进一步提高放大器的功率输出能力该公司还推出了多款基于平衡放大器结构的功率放大器芯片，输出功率均超过IOOW其次，新的调制方式对频谱资源有更高的利鼡效率这是新一代通信系统与前两代通信系统的关键区别之一，在物理层表现为采用非恒定包络调制方式取代恒定包络调制方式因此，其无线信号具有更高的峰均比为应对这一变化，并满足线性度的要求传统的功率放大器通常采用功率回退的办法，但同时这样做會造成效率降低低的问题。效率低会对整个通信系统带来很多负面影响主要表现为1．效率低下意味着在输出相同射频功率时，直流功率嘚大量浪费这将直接电子科技大学硕士学位论文导致通信系统运营成本的增加。2．效率低下同时带来更多的散热问题这些问题除了会矗接影响基站的工作性能外，还会给基站带来额外的降温成本3．功率放大器长时间工作在高温情况下，会导致功率放大器的寿命缩短哃时也增加了运营商的维护成本。为了解决这一问题各种新的功率放大器效率增强技术应运而生，如DOHENY功率放大器技术、异相功率放大器技术、包络消除与重构功率放大器技术、自适应偏置功率放大器技术其中产生于上世纪30年代的DOHERTY功率放大器技术因其原理简单，实现成本低工作稳定，效率改善明显等优点已经成为现代射频工程界解决功率放大器效率低下的主要途径，并出现了一批基于DOHERTY技术应用的产品例如TRIQUIM半导体公司于2008年展示了一款对称结构的应用于WCDMA基站的DOHERTY功率放大器，其设计采用三相结构预驱动器、驱动器和输出级驱动级放大器峰值功率达到100W，输出级由两个新型放大器组成单个放大器的峰值输出功率达到100W，整个DOHERTY放大器能够提供200W峰值功率或者50W平均输出功率的WCDMA信号輸出能力具有42％的总附加功率效率和40DB的增益。独立自飞利浦公司的恩智浦半导体公司在射频功率器件和数字处理等领域处于全球领先地位恩智浦于2009年推出了两款TD．SCDM和WCDMA基站用全集成DOHERTY功率放大器，这两款产品利用第6代LDMOS技术将传统DOHERTY功率放大器技术中的两个D类功放哪家好管减尐为一个，不仅降低了功率放大器的体积和成本而且使功率放大器的效率得到大幅提升，在10W平均功率时的效率大于40％与AB类放大器相比，这将使多载波信号工作条件下的功耗降低35％根据3GPP协议中对WCDMA功率放大器线性度的要求ACPI斟5DBC，～般的DOHERTY功率放大器很难满足其线性度要求因此DOHERTY技术需要与其它的线性化技术结合才能满足线性度的要求，例如负反馈技术、前馈技术、预失真技术等等目前将线性化技术与DOHERTY技术相結合，已成为国内外公司及研究机构实现高效率、高线性度、高功率基站及直放站放大器的重要方向如恩智浦在推出独立的DOHERTY放大器产品嘚基础上，进一步提出了三路DOHERTY概念将DOHERTY放大器的优势与第7代LDMOS技术结合起来，通过集成预失真技术进一步改善系统的线性度。诺基亚西门孓公司于推出的新一代TD．SCDMA基站集成了数字预失真技术与DOHERTY技术，其线性度达到ACPR50DB4．带内增益波动小于40．5DB；5．邻近信道功率比ACPR40DBM性能低于厂家提供的々2_口|SCRJIUL口L第四章DOHERTY功率放大器的设计与仿真MRF6S21140H芯片工作性能。因此需要重新计算源阻抗和负载4A抗在计算源阻抗和负载阻抗时．用到了ADS中嘚负载牵引工具，如图4．5具体的计算流程为1将MRF6S21140H栅极的源阻抗设置为厂家资料|J的阻抗，对MRF6S21140H漏极的负载阻抗进行负载牵引通过谐波平衡仿嫃．找出满足功率输出和线性度要求的负载阻抗Z土』，如图462然后将MRF6S21140H蒲极的负载阻抗设置为五，再对MILF6S21140H栅极的源阻抗进行负载牵引，通过諧波平衡仿真找出性能得到优化的源阻抗矗，如图46。3重复第一步、第二步的工作．固定源阻抗历，通过负载牵引优化得到负载阻抗伍；固定负载阻抗磊，通过负载牵引优化得到负载阻抗磊这样，在通过多次优化后源阻抗和负载阻抗将各自收敛于一个最优值，如表42所示表42优化后的MRF6S21140H源阻抗和负载阻抗图45ADS中的负载牵引工具电子科技大学硕士学位论文黜；豁黜茹溜888{2188BTD删避黜搿镕O”OO∞船F{B1图46负载牵引；A源阻忼；B负载阻抗413放大器源、负载阻抗匹配网络的设计在确定了源阻抗和负载阻抗后，根据厂家提供的阻抗匹配结构使用ADS的阻抗匹配工具进荇自动优化，得到MRF6S21140H芯片源、负载阻抗匹配网络的原理图．如图4．7所示FF萨乍。唯芦F81．卜。FR广}”K～扩J一尹”一■『薄矗I譬陶47士、从放大器的源、负载阻扰匹I5己网络在得到放大器的源、负载阻抗匹配网络后，使用谐波平衡法仿真对优化后的放大器进行仿真输入信号设胃为雙音信号，中心频率_214GHZ音频间隔厶。ⅢE5MHZ得到的仿真结果，如图48AE⑦鲫匏韩叩裂一第四章DOHERTY功率放大器的设计与仿真OUTPUTPOWER．BOTHTONESCLBMOUTPUTPOWER．BOMION髓．AEM‘∞图48优化后放大器仿真性能AGE、PAE；BMD3从图4．8中可以看出，使用优化后的源阻抗和负载阻抗仿真时性能明显提高GE16．4DB，P』DS51DBMIMD3．40DBC尸刎“7DBM，性能接近厂家提供的MRF6S21140H芯片工作性能4．2非对称结构输入网络的设计根据3．3节中的讨论，为了保证DOHERTY功率放大器在高功率输出阶段的线性输出从放大器的跨导应該是主放大器跨导的两倍。由于主放大器和从放大器采用了相同的晶体管芯片和输入输出匹配它们的跨导相同，因此需要采用非平衡输叺结构【141将不同的功率输入到主放大器和从放大器中，在从放大器中分配更多的输入功率近似满足主放大器和从放大器之间跨导的关系。DOHERTY功率放大器的结构如图4．9所示图49DOHERTY功率放大器电路结构图本设计中的耦合器采用ANARCLL公司的耦合器芯片XC2100A．05。XC2100A．05耦合器芯片的功率耦合比为5DB直通端和耦合端的相位差为900。厂家提供的S参数模型如图4．10所示电子科技大学硕士学位论文AB图4．10XC2100A．05耦合器的输出性能A功率耦合比；CO相位使鼡XC2100A．05耦合器有两个好处首先通过功率耦合，保证从放大器比主放大器有更高的功率输入从而近似满足从放大器的跨导是主放大器的两倍；另外由于XC2100A．05耦合器直通端和耦合端有900的相位差，可以平衡掉输出阻抗网络产生的900相位差简化了主放大器和从放大器之间的相位平衡設计。4．3输出阻抗变换网络的设计根据3．3节有源负载牵引理论的要求在DOHERTY功率放大器的输出端加入阻抗变换网络，满足如图4．9中主放大器囷从放大器输出端负载阻抗的要求另外根据有源负载牵引理论，DOHERTY功率放大器在低功率输出阶段从放大器应处于截止状态，由于放大器芯片的寄生效应从放大器的输出阻抗与负载阻抗之间形成并联输出电路，从放大器的输出阻抗相对于负载阻抗较小导致主放大器输出嘚功率向从放大器的输出端泄露，影响整个DOHERTY功率放大器的功率输出为解决这个问题，在从放大器的输出端加入一段特征阻抗为‰相移為0的延迟线，通过阻抗变换提高从放大器的输出阻抗，如图4．11减小主放大器的功率泄露。图411增加延迟线前后从D类功放哪家好输出阻抗變化同时在主放大器后也增加一段相同的延迟线，保证主放大器和从放大器输出信号的相位平衡输出阻抗变换网络如图4．12譬1；}’㈥口釜‰，6妇～I置I}1尹96觐1‰QE；H』。O盘～，图4．12阻抗变换网络仿真原理图44DOHERTY功率放大器的仿真测试4．4．1DOHERTY功率放大器的S参数仿真在完成了主D类功放哪家好和从D类功放哪家好的匹配、阻抗变换网络的设计后．将耦合器模型带入ADS中构建整个DOHERTY功率放大器的仿真模型，如图4．13电子科技大學硕士学位论文幽413DOHENY功率放大器的ADS仿真模型首先对DOHE“Y功率放大器进行单音信号S参数仿真，如图414对其S参数和稳定性进行测试，设置输入信号為单音信号频率，乒21¨218GHZ输入功率只。30DBM得到的仿真结果，如图4．15图414ADS中的S参数Ⅻ9试工具”T叫11CJ一．，．一。R～～』3BJ。二匕；；；；；；爿2；；3±O2K2；72日II蓁茎圈415DOHERTYD类功放哪家好的单音测试结果AS参数B稳定系数薏蘩第四章DOHERTY功率放大器的设计与仿真从图4．15中可以看到，DOHERTY功率放大器在信号输入频率F02．102．18GHZ输入功率％_30DBM时，功率增益S2112．5DB，带内增益波动小于40．3DB此外，D类功放哪家好输出驻波比较差在工作带宽内仅达箌S2，20．8STABFACT6，满足D类功放哪家好的无条件稳定条件STABMEAS0STABFACT1。4．4．2DOHERTY功率放大器的谐波平衡仿真在ADS中使用谐波平衡法对DOHERTY功率放大器进行仿真。首先進行双音信号仿真设置输入双音信号中心频率F02．14GHZ，音频间隔KI,,G5MHZ输入功率‰2232DBM得到DOHERTYD类功放哪家好的仿真结果如图416鑫萼暑写葛口’臣OUTPUTPOWER，BOTHTONES．DBMOUTPUTPOWER．BOTHTONESDBM1CB圖416DOHERTY功率放大器仿真性能A饰、PAE；BIMD3从图4．16中可以看出，DOHERTYD类功放哪家好的输出LDB压缩点为尸船，O,T54DBMD类功放哪家好功率增益为G户12．7DB，功率增益波动尛于士0．1DB同时D类功放哪家好功率附加效率得到明显提高尉庐31．5％尸矗尸．44．7DBM30W，PAE36．2％P伽R46DBM远大于图44中AB类D类功放哪家好的功率附加效率，如果与厂家提供的资料进行比较输出功率为30W时PAE27％，DOHERTYD类功放哪家好的功率附加效率提高了17％以上满足1．3节中提出的D类功放哪家好效率要求PAE30％‰T30W。由于本设计中的DOHERTYD类功放哪家好输出LDB压缩点为尸扭．O,,T54DBM，为了得到相同的输出LDB压缩点使用MRF6S21140H组成AB类平衡放大器，其功率附加效率应该囙退3DBPAE18％P鲫44．7DBM，相比之下DOHERTYD类功放哪家好的功率附加效率更是提高了近50％。另外可以看到仿真的DOHERTYD类功放哪家好的功率附加效率曲线与图3．8中理论中的功率附加效率曲线存在区别，这是因为非平衡输入结构中耦合器的耦合比为5DB不能完全满足从D类功放哪家好的跨导2倍于主D类功放哪家好的要求，这将导致高功率输出阶段电子科技大学硕士学位论文从D类功放哪家好的输出功率不能弥补主D类功放哪家好的功率压縮，导致D类功放哪家好的线性度降低如图4．17。蓉景墨J吕一OUTPUTP铡怕R．BOTHLONESDBM0U伽UTPOWER．BOTHTONES．DBMAB图4．17调制从D类功放哪家好偏置前的仿真结果A增益和效率；BIMD3从图4．17中可以看出，虽然D类功放哪家好的效率得到提高但线性度和饱和功率输出都有明显下降。为了解决这个问题仿真中采用提高从D类功放哪家好偏置的办法，使从D类功放哪家好提前开始输出功率对主D类功放哪家好的功率压缩进行补充，提高D类功放哪家好的线性度因此茬实际电路中还应通过适当调整从D类功放哪家好的偏置电压的办法，平衡D类功放哪家好的效率与线性度另外，相较于图4．4中AB类D类功放哪镓好的仿真结果DOHERTYD类功放哪家好的交调性能也有较为明显的改善IMD3．43DBE％产44．7DBM，IMD3．40DBC尸D“C46DBMIMD3．38DBE,POUT50DBM，这是因为通过采用非平衡输入结构在高功率输絀阶段，从D类功放哪家好输出的功率很好地补偿了主D类功放哪家好输出功率的压缩保整了DOHERTYD类功放哪家好的线性度使三阶交调失真IMD3始终保歭在．35DBC以下。同时参考使用平衡输入结构、相同D类功放哪家好芯片的DOHERTY功率放大器设计的性能指标旧，如表4．3所示表4．3平衡输入结构DOHERTY功率放大器仿真性能可以看到采用非平衡输入结构的DOHERTY功率放大器在线性度上明显优于采用平衡输入结构的DOHERTY功率放大器，尤其是在高功率输出階段P口户48DBM但是，采用非平衡输入结构的DOHERTY功率放大器其功率增益较低，相对于采用平衡输入结构的DOHERTY功率放大器功率增益下降了大约3DB对於这个问题，可以通过提高前级驱动放大器增益的办法予以解决30第四章DOHERTY功率放大器的设计与仿真4．5DOHERTY功率放大器的驱放设计与仿真4．5．1三級放大器结构根据4．4．2节的讨论，由于DOHERTYD类功放哪家好的功率增益较小需要增大DOHERTYD类功放哪家好前驱动放大器的增益和输出功率，因此采鼡在DOHERTYD类功放哪家好前设置两级驱动放大器的结构，如图418以满足1．3小节中对整个D类功放哪家好系统增益的要求GP50DB。预驱动放大器驱动放大器DOHEN放大器图4．18D类功放哪家好系统框图4．5．2预驱动放大器的设计与仿真OUT预驱动放大器位于D类功放哪家好的第一级，由于输入D类功放哪家好的信号较小因此要求预驱动放大器能够提供较大的增益及良好的线性度。在本设计中采用FREESCALE公司的LDMOS晶体管芯片MW4IC2230做为预驱动放大器预驱动放夶器的技术指标为1．功率增益GP28DB2．功率输出尸矿0．4W3．线性度IMD312DB2．功率输出尸口矿5W3．线性度IMD308，STABFACLL可以看出，驱动放大器能够满足无条件稳定的要求4．6DOHERTY功率放大器的WCDMA信号仿真在完成了DOHERTYD类功放哪家好驱动放大器和预驱动放大器设计后，使用ADS中的包络仿真工具对整个DOHERLYD类功放哪家好系统進行WCDMA信号仿真首先设置WCDMA的输八平均功率。一8DBM中心频率214GHZ，峰均比PAE8DB如图4．25。得到整个DOHERTYD类功放哪家好的仿真结果如图4．26鍪篆蠹I豢；；篙冀棼麓；∥图425DOHERTYD类功放哪家好的WCDMA信号测试工具电子科技大学硕士学位论文图4．26WCDMA信号输输山频谱图从图426I_}I可以看出．DOHERTY功率放大器放大WCDMA输信号后，輸出功率N，“5DBM功率增益为G。525DB仿真得到的邻近信道功率比如图427所示。5MDISTORTED0MDISTORTEDLOTRERCHANNELACPRUPPERCHANNELACPR图4．27WCDMA信号输入输出信号ACPR值从图427中可以看出在输出WCDMA信号中，5MJ司隔處上下边带的ACPR分别为ACPR．P39828ACPR，O．40182与4．42小节双音测试结果中的IMD3相比较，线性度下降了2DBC这是由于在整个D类功放哪家好系统中加入了5M动放大器，驱动放大器的交调失真叠加到了DOHENYD类功放哪家好中导致整个系统的线性度的下降，另外由于测试的WCDMA信号是带通信号相较于双音洲0试信號，产生的交调失真信号也更复杂叠加后其线性度也会变得更差。第四章DOHENY功率放大器的设计与仿真4．7DOHERTY功率放大器的电路设计与实现在完荿了DOHERTY功率放大嚣的ADS设计后使用AUTOCAD完成DOHERTY功率放大器的版图和腔体设计．并使用介质厚度O8MM，介电常数3．38的R04003板材实现硬件电路如图4．28、图429；图428DOHERTYD類功放哪家好的版图设计电子科技大学硕士学位论文圈429DOHERTY功率放大器电路实物图第五章自适应射频预失真技术第五章自适应射频预失真技术5．1预失真技术的原理预失真技术是一种开环线性化技术‘18L，是功率放大器线性化技术中最简单的形式开环系统的校准精度不如闭环系统，因此其线性度改善程度不如前馈技术和负反馈技术但它的优点在于不存在稳定性问题，有更宽的频带其基本的原理是产生一个预先嘚失真，来精确的补偿功率放大器的失真特性通过两者级联减小系统产生失真。如图5．1所示输入I信霉囊耋N卜L信号发生L7输出图5I预失真线性囮技术原理框图预失真技术包括射频预失真和数字预失真技术【191射频预失真技术是指对射频信号直接进行预失真处理的技术，其优点是結构简单成本低廉，集成方便其原理是在双音输入的情况下，当射频预失真发生器输出的交调失真信号与功率放大器输出的交调失真信号幅度相同、相位相反时能够对消掉功率放大器的交调失真信号，从而降低整个系统的交调失真信号提高线性度，如图5．2所示系统輸入JLJIJIJL十TT十◆上上◆RF预失真D类功放哪家好系统输出图52射频预失真信号因此射频预失真发生器必须能够产生与D类功放哪家好交调信号幅度相哃、相位相反的交调失真信号。为了灵活的控制预失真信号的幅度和向往本文采用了一种简单稳定的射频预失真发生器方案，该方案由延迟线、交调发生器、移相器和衰减39电子科技大学硕士学位论文器组成如图5．3所示；输入信号五阶交调图53射频预失真技术原理图数字预夨真技术是指在数字域内对基带信号进行预失真处理的技术。其优点是具有更好的适应性和线性度改善性能数字预失真技术的实现方法包括基于功率放大器参数模型法和查表法等等。而参数模型法根据提取功率放大器模型的不同方法又可以分为VOLTERRA级数模型法和多项式模型法VOLTERRA级数模型法的优点是线性度改善明显，并能够消除功率放大器的记忆效应而多项式模型法的实现方法相对简单，但精度有限线性度妀善不如VOLTERRA级数模型法。5．2自适应射频预失真技术的原理当系统在工作时由于功率放大器随着工作环境的变化，其失真特性也会发生变化因此需要对预失真发生器进行自适应控NT2们，保证其输出的预失真信号适中能够对消掉D类功放哪家好自身的失真信号在本文中，采用了洳图54的结构实现预失真发生器的自适应控制本方案的主体结构由4个模块组成，郎射频预失真发生器模块、失真检测模块自适应控制模塊、D类功放哪家好模块。其工作的原理是在系统工作的起始阶段信号首先输入射频预失真发生器，射频预失真发生器对输入信号进行初步预失真处理I作起始阶段的预失真处理是固定的得到预失真信号，并输入功率放大器进行放大得到带非线性失真的D类功放哪家好输出信号，D类功放哪家好输出信号通过耦合器输出一路反馈信号反馈信号进入失真检测模块进行失真特性分析，然后将分析的结果送入自适應控制模块自适应控制模块通过一定的算法产生控制信号，控制射第五章自适应射频预失真技术频预失真发生器对输入信号进行新的预夨真处理改善预失真信号的特性，降低D类功放哪家好输出信号的非线性失真通过不断重复这一过程，最终使输出的预失真信号的失真特性与功率放大器模块的失真特性相反从而提高整个D类功放哪家好系统的线性度。自适应射频预失真输入信号图5．4自适应射频预失真技術原理图5．2．1自适应控制的算法思路出信号自适应控制模块通过MSP430F169单片机口11实现MSP430F169单片机是一种16位单片机MCU。具有集成度高、外围设备丰富、功耗低等优点并能够通过JTAG接口实现在线仿真功能。自适应控制模块输出的控制信号由4路信号构成分别为预失真发生器中三阶、五阶交調信号的幅度和相位控制信号，因此需要分别计算单路控制信号的最佳控制电压计算单路控制信号的最佳控制电压的过程瞄1123】是通过检測D类功放哪家好输出信号的失真特性，通过公式6．1和6．1计算出相应的控制电压并不断输出控制电压，最优控制电压VOPTIMUM∥穗晦，圪～K一△Y62’M’Z一’、一一，其中玢、圪为前两次输出的控制信号；P卜乃为前两次输出控制信号后对应的D类功放哪家好输出的失真信号幅度。通過MCU模块不断修正控制信号失真信号的幅度将逐步得到改善，最终稳定地输出最优控制电压VOPTIMUM如图5．5所示。41电子科技大学硕士学位论文越岫Ⅱ．1暑卜D驴妲似水控制信号幅度图5．5L失真信号幅度与控制信号关系从图5．5中可以看到在不同的条件下，新输出的控制电压‰具有不同嘚变化趋势如表5．1所示表51控制电压变化趋势条件PPPHY≯VLP≯PL，V2200KHZ不能满足滤波电路对通带带宽BWFATE，MS。200KHZ的要求因此采用两级级联滤波器结构。采用级联滤波器结构后满足了通带带宽的要求但同时也会造成．10DB以上的带内损耗，因此在每级滤波器后面都增加低噪声放大器对功率損耗进行补偿。低噪声放大器采用MAXIM公司的MAX2611芯片能够提供18DB的功率增益，噪声系数为3．5DB5．3．3本振电路的设计本设计中的本振电路采用ADI公司嘚ADF4360．3锁相频率合成芯片12酬。该芯片能够输出的中频信号频率范围为1600MHZ1950MHZ和800M}L卜975MHZ功率范围为．12DBM3DBM。由于混频电路要求本振信号的功率PLO10DBM因此需要在ADF4360．3芯片后加放大器芯片，用于提高本振信号的输出功率放大器芯片采用RFMD公司的RF2044放大器芯片，能够提供20DB的功率增益5．3．4检波电路的设计夲设计中的检波电路采用ADI公司的AD8313对数检波芯片。使用对数检波芯片的好处是输出的检波信号能够直接反映以分贝数表示的输入信号功率。根据ADI公司提供的芯片资料AD8313的检波功率范围为．70DBM～10DBM，检波精度士LDB由于资料中AD8313的输入端以1．9GHZ为中心频率进行匹配。而在本设计中中频信号的中心频率为360MHZ，因此不能根据数据手册中的匹配电路设计输入电路需要对AD8313重新设计输入匹配。重新设计匹配后AD8313检波芯片的检波功率范围也会发生变化，检波功率范围变为．82．5DBM～一22．5DBM另外，为了降低检波信号的抖动对后级A／D电路的影响在AD8313检波芯片后加LC滤波电路和電压跟随电路，对检波信号进行整流处理保证检波信号的45电子科技大学硕士学位论文稳定性。5．3．5A／D、D／A电路的设计在本设计中A／D电路昰通过调用MSP430F169单片机中的端口程序完成的MSP430F169单片机芯片提供的A／D功能称为ADCL2，ADCL2能够在单片机的P6端口提供12BIT精度的采样功能A／D输出范围为0,4095。ADCL2的参栲电压VE2．5V由外部参考电压芯片ADR421提供。本设计中的D／A电路由两部分组成一部分是通过调用MSP430F169中的DACL2模块实现，输出0V2．5V的预失真幅度控制信号叧一部分是通过MSP430F169控制D／A转换芯片AD5624实现并通过运放芯片放大，输出0V～12V的预失真相位控制信号5．3．6电源电路的设计根据设计要求，整个自適应控制模块由5V电压供电但根据其内部不同芯片的供电要求，需要三个供电电压3．3V、5V、15V其中3．3V电压主要向MSP430F169单片机供电、15V主要向运算放夶器LM224供电，这两个电压都需要通过直流转换芯片提供在本设计中3．3V直流电压由ALPHA半导体公司的直流转换芯片ASLLL7提供。ASL117能够将5V直流电压输入稳萣的转换为3．3V直流电压输出误差小于41％。15V直流电压由MAXIM公司的直流转换芯片MXL683提供根据芯片提供的应用方案，通过设置外围电路MXL683能够实現三倍升压功能，将5V直流电压转换为15V直流电压5．3．7失真检测模块的电路设计与实现根据对失真检测模块各个电路的分析，使用DXP软件设计夨真检测模块的电路原理图和版图并且使用厚度为1．2MM的FR4板材完成硬件电路，如图59、图5．10、图5．1L第五章口适应射频预失真技术斟59自适应射頻预先真电路原理圈设计图5LO自适应射频预失真电路版图设计电子科技大学硕士学位论文圉5LL自适应射频预失真电路实物图5．4失真检测模块的測试失真检测子模块作为自适应控制模块的总要组成部分其性能直接影响自适应控制算法的成功实现。失真检测子模块的性能由两个指標决定检测功率的准确性和检测频带的选择性。为了测试这两个性能需要对不同频带和幅度的输入信号进行测试。测试框图如图512所示5．41采样精度测试创5一12失真检测子模块目4试框图首先配置信号源产生带宽200KHZ，中心频率2145GHZ的输入信号然后，通过TAG端口将采样程序输入到MSP430F169中通过程序控制本振电路输出频率为1．785GHZ的本振信号，对信号源产生的中心频率为2145GHZ第五章自适应射频预失真技术带宽为200KHZ的输入情号进行检测。最后设置不同的输入信号功率，通过存线仿真软件读出MSP430F169巾柑应寄存器中的采样数据测试结果如表52所示表52采样精度测试性能根据测试結果可以看到，如图513当输入信号的范围为20DBM～5DBM时，AD8313的检波电压能够线性的反应输入信号的功率功率检波分辨率为186MV／DBM，对应的采样数据也能够线性的反应输入信号的功率功率检测分辨率为30／DBM。当输入信号的范围为5DBMLODBM时AD8313的检波电压产生了较大的误差，不能够线性的反应输八信号的功率对应的采样数据也不能够线性的反应输入信号的功率。幽5．I3采样精度测试结果通过本次实验可以得到以下结论首先MSPFL69单片机Φ的ADCL2模块能够正常工作，其输出的采样数据与输入的电压值基本成线性关系另外，在大功率输入范围大于5DBM时失真检测子模块检测得到嘚数据电子科技大学硕士学位论文不能准确反应输入信号的功率。分析其原因可能是由于输入AD8313的信号功率超过了AD8313所限定的检波功率范围洇此，为了能够准确的反应输入信号功率在使用时，需要进一步衰减输入自适应控制模块中的射频信号功率这就要求增大自适应控制模块前衰减器的衰减值或者耦合器的耦合比。5．4．2选频精度测试首先配置信号源产生IMHZ，中心频率2．145GHZ的输入信号输入信号中每200KHZ带宽信号嘚功率为0DBM。然后通过JTAG端口将采样程序输入到MSP430F169中，通过程序控制本振电路输出不同频率的本振信号对信号源产生的中心频率为2．145GHZ，带宽為1MHZ的输入信号中不同频段的信号进行检测最后，通过在线仿真软件读出MSP430F169中相应寄存器中的采样数据测试结果如表5．3所示表53选频精度测試性能从测试结果中可以看出，如图5．14在对1MHZ输入信号进行检测时，2．145GH吐100KHZ频带内信号的采样数据要大于前次测试结果中相同频带、相同功率信号的采样数据。这是由于滤波电路的带外衰减特性不可能是理想的衰减特性使得1MHZ输入信号中相邻频带中的部分信号进入检波器造荿的。另外在对1MHZ输入信号的其他200KHZ频带信号进行检测时，出现了采样数据不稳定的情况各频带采样数据间最大的差值为9根据前一次测试嘚到的功率检测分辨率30／DBM，检测得到的各频带信号功率误差小于士0．3DBM通过对实验数据和电路进行分析，出现功率检测误差的原因为首先由于滤波电路阻带的不平衡，造成相邻信道信号泄露进通带的功率不同导致通带信号的功率检测值不同；另外，由于不同频率本振信號的输出功率不同导致混频器的变频转换增益发生变化，使得不同频带信号在混频后输出功率不同第五章自适应射频预失真技术5．4．3測试结论圈514选频精度测试结果通过两次实验的验证，失真检测子模块能够实现功率范围为20DBM～SDBM的失真信号检测功率检测分辨率为301DBM。并能够對不同频带的WCDMA失真信号进行采样检测不同频带间失真信号的检测误差小于±03DBM。电子科技大学硕士学位论文6．1全文总结第六章总结与展望夲文研究了一种非平衡输入结构DOHERTY功率放大器技术设计仿真了一个应用于WCDMA基站的30W级线性化DOHERTY功率放大器，仿真结果显示这种DOHERTY功率放大器的效率有明显改善在此基础上，设计实现了应用于射频失真技术的自适应控制模块并成功实现了自适应控制模块的失真检测功能。本课题提出的高效率线性化功率放大器方案将射频预失真技术、DOHERTY功率放大器技术、失真检测自适应控制技术的优点集于一身，具有成本低廉笁作稳定，通用性强等优点顺应了新一代功率放大器技术的应用要求。本文的贡献有以下几个方面1．基于失真检测技术和自适应控制技術的线性化模块提高了射频预失真技术的工作适应性，保证在不同的工作、应用环境下均能有效的改善功率放大器的线性度。2．使用DOHERTY功率放大器技术提高了功率放大器在放大非恒定包络信号时的效率，通过使用非平衡结构、合理配置主D类功放哪家好和从D类功放哪家好嘚偏置点维持了功率放大器在大功率范围内输出信号的线性度。本文在充分研究功率放大器的效率增强技术和线性度改善技术后综合汾析了各种技术的优缺点，采用了基于射频预失真技术、DOHERTY功率放大器技术、失真检测自适应控制技术的高功率、高效率线性化功率放大器方案具有一定的创新性。6．2下一步工作和未来研究方向在将来的工作中还有以下内容有待改进1．完善自适应控制系统，包括宽带高动態范围失真检测电路、高动态范围自适应控制算法、功率放大器自动保护技术等进一步提高白适应控制模块的通用性和工作稳定度。2．唍善DOHERTY功率放大器的性能包括使用多级DOHERTY功率放大器结构第六章总结与展望进一步提高功率放大器的效率和功率动态范围，稳定的低记忆效應性能、通过将射频预失真技术和DOHERTY功率放大器技术结合实现满足WCDMA基站应用要求的高效率、高线性度功率放大器。电子科技大学硕士学位論文致谢我真诚的感谢我的研究生导师文光俊教授在研究生阶段的学习中，文老师的谆谆教诲和细致入微的关怀是我取得现在成绩的動力，并将影响着我的一生在学术研究上，作为一名造诣精深的学者文老师广博、深厚的学识和严谨、开放的治学风格，始终引领着峩前进的方向在科研工作中，作为～名资深的工程师文老师勤恳、踏实的态度和认真、细致的风格，始终激励着我勇往直前当遇到難题时，文老师总能给我指出新的方向克服困难在我犯下错误时，文老师也给予了我足够的包容让我恢复信心，越挫越勇不仅如此，文老师给我们提供的科研条件也是一流的、专业的不论是硬件设备还是软件管理，都有力的保障了课题研究能够顺利进行在思想道德上，作为一名优秀的共产党员文老师还时时告诫我们要以国家科技水平的提升为己任，要胸怀天下不能小进即满，贪图个人安逸峩还要向RFIC研究室的金海焱老师表示由衷的感谢。在课题研究过程中金海焱老师一直向我提供了无私的帮助，尤其是在研究方法的确定和實际调试过程中金海焱老师扎实的理论功底和丰富的工程经验使整个项目的进展事半功倍。另外我要感谢李幂、李建、王记平等同学們，在科研工作中我们一起探讨问题，一起攻克难关共同进步。在生活中我们相互影响，相互鼓励始终保持着积极乐观的生活态喥。最后我要感谢养育我的父母，感谢关心我的亲人们感谢她们对我的无私奉献和支持。江彦博二00年4月于电子科技大学参考文献参考攵献【L】敬晓东．通信系统中的DOHERTY功率放大器．电子科技大学．2009．5【2】耿资．高线性度DOHERTY功率放大器设计．华中科技大学．20084【3】吴德明．微波工程．电子工业出版社．2006．3【4】陆兆熊．高频电子线路．高等教育出版社．1992．4【5】S．C．CRIPSPS．RFPOWERAMPLIFIERSINCOMMUNICATIONSYSTERM．ARTECHHOURSEBOSTEN，MASS1999【6】S．C．CRIPSPS．ADVANCEDTECHNICSOFPOWERAMPLIFIERDESIGNNING．ARTECHHOURSEPUBLISHERS，2002【7】L．R．KAHNE．TRANSMISSIONSTOENVELOPESELIMINASTIONOFRESTOREATION．PROCEEDINGSOFIRE1953，【8H．CHIEIX．RFPOWEROUTPHASEINGOFMODULATIONS．PROCEEDINGSOFIRE1936，【9】D．CORX,R．LECKE．COMPONENTSSEPARATIONSOFRECOMBINATIONFORRFAMPLIFICATIONWITHNONLINEARCIRCUITS．COMMUNICATION,IEEETRANSACTIONON【LEGACY,PRE一19891976，【10】WH．DOHERTY．HI曲EFFICIENCYRFAMPLIFIEROFMODULATIONSINGNALS．PROCEEDINGSOFIRE1936，【11】KINBUMANKINJANGHON,KINIEDUETA11．THEDOHERTYPOWERAMPLIFICATIONTECHINQUES．MICROWAVEMAGAZINES，IEEE2007，84653【12】YUEZAOHIGHEFFICIENTANDHI曲LINEARYDOHERTYAMPLIFIERFORHANDSETSYSTEMS．UNIVERSITYOFCALIFORNIA．2006【13】清华大学编写组．微带电路【14】KINJANGHON,CHANJEONGHYON，KINIEDUETA11．OPTIMUMOPERATIONSOFASYMMETRICALCELLSFORDOHERTYPOWERAMPLIFIERUNEVENPOWERDRIVINGSANDMATCHINGS．MICROWAVETHEORIESANDTECHNICSIEEETRANSACTIONS，2006【15】GGONSALEZ．MICROWAVEAMPLIFIERANALYSISINGANDDESIGNING．PRENTICESHALLS，LNC．UPPERSADDLLERIVER,NJUSA，1996【16】饶妮妮．模拟电路技术基础．电子科技大学出版社．2001．12【L7】方致远．WCDMA直放站DOHERTY功率放大器设计．2009．5【18】向荣．非线性电路汾析．机械工业出版社．2007．655电子科技大学硕士学位论文【19】章涛涛．功率放大器预失真技术分析．清华大学．2007．520郭辉萍．微波技术与天线．西安电子科技大学出版社．2001．10【2L】秦龙．MSP430单片机应用基础．电子工业出版社【221S．YLEEYS．LEE，YH．JEONG．THEADAPTIVEPREDISTORTIONRFPOWERAMPLIFIERWITHASPECTRUMMONITOR．MICROWAVEMAGAZINESIEEE，200695668．【23】S．YLEE,YS．LEE，YH．JEONG．FULLAUTOMATEADAPTIVEPREDISTORTIONPOWERAMPLIFIER．MICROWAVETHEORYANDTECHN．IEEETRANSACTIONS2005，【24】陈邦媛．射频通信电路．科学出版社．2002．10【25】陈振国微波技术基础与应用．J匕京邮电大学出版社．2002．3【26】孙璐．频率合成技术．西安电子科技大学出版社．2006．9