微波功率放大器的非线性功率放大器的非线性课件.ppt

1、微波功率放大器设计微波功率放大器设计基础基础Mao Wenjie基本内容基本内容微波功率放大器的分类 微波功率放大器的非线性微波功率放大器设计示例 nEDGE 标准功率放大器设计微波功率放大器线性化设计技术n器件级线性化设计技术n电路级线性化设计技术n线性化设计技术总结 微波功率放大器微波功率放大器的分类的分类A类功率放大器类功率放大器A类是所有功放结构中线性最好的。效率较低、增益较大。最大输出功率：功率效率：B类和类和AB类功率放大器类功率放大器无论有无信号，A类功放都保持导通，B类功放只是有信号时才工作，提高了效率。功率增益比A类功放低。匹配网络需要滤除谐波成份，但推挽式结构可免去这些麻烦

2、。推挽式B类功率放大器B类放大器的输出功率及效率类放大器的输出功率及效率输出功率同A类放大器相同通过降低直流功耗提高了效率C类功率放大器类功率放大器通过改变晶体管的导通角实现C类放大输出功率和增益比A类放大器小的多匹配网络设计复杂，很少应用。A、B、AB和和C类功率放大器总结类功率放大器总结晶体管都以压控电流源方式工作，不同之处在于直流工作点偏置。导通角、最高效率和输出功率D类功率放大器类功率放大器理论上可以达到100功率由于寄生参数大增益低导致应用很少。E类功率放大器类功率放大器效率可达100%，效率与导通角无关。极电极电压严重不对称，峰值电压较高。Q值及开关电阻会影响效率。F类功率放大器类

3、功率放大器谐振回路L3C3增加了3次谐波阻抗，从而使电压波形“变方”。微波功率放大器微波功率放大器的非线性的非线性功率放大器的非线性功率放大器的非线性功率放大器是放大器中的一个“异类”n大信号工作n效率和线性都：两个最基本的矛盾功率放大器的非线性：n谐波失真n增益压缩n交调失真n频谱扩展nAM/AM和AM/PM转换n三拍失真谐波失真谐波失真谐波失真n当信号增加到一定程度，功率放大器因工作在非线性而产生一系列谐波。n窄带功放，可用滤波器滤除。0.51.01.52.02.53.03.54.04.50.05.0-140-120-100-80-60-40-20-1600f req,G H zSpect

4、 rum增益压缩增益压缩饱和输出功率：n输入功率达到某一值时，再加大不会改变输出功率的大小。1 dB压缩点输出功率压缩点输出功率功率放大器增益压缩1 dB所对应的输出功率，记作P1dB。交调失真交调失真交调失真是有不同频率的两个或更多的输入信号经过功放而产生的混合分量。n若输入 个不同频率的信号，输出分量为:交调系数：n单位是 dBc，交调分量比载频分量的分贝数。lpnm21l1lg10PPMpmpm三阶交调失真三阶交调失真三阶交调分量：n三阶交调系数n不可能把它从信道中滤除。3M三阶交调交截点三阶交调交截点IP3基波信号输出功率特性延长线与三阶交调特性延长线的交点称为IP3，与其对应的输入信

5、号的幅值IIP3。线性度：线性度：IIP31 dB压缩点和IIP3之间的关系：当系统由一组电路单元组成时，总的IIP3可用下式计算：dBIIPdB1013压缩点二阶交调二阶交调二阶交调系数 ：n二阶交调 失真比二次谐波失真严重，也比三阶交调严重。n窄带功放：可以用滤波器滤除，不需考虑。n宽带功放：必须考虑n可以用平衡电路减少这种失真二阶交调交截点：n类似于三阶交调交截点的定义)(122M频谱扩展（再生）频谱扩展（再生）ACPR：Adjacent Channel Power RatioAM/AM转换和转换和AM/PM转换转换AM/AM：对输入信号的幅度调制效应AM/PM：对输入信号的相位调制效应

6、三拍失真三拍失真三拍失真定义：n具有三个不同频率 的信号同时输入放大器时，其中 和 非常接近，而 离开 和 比较远，这时功率放大器输出端出现 的失真分量。三拍失真系数n注意与三阶失真的区别321、12312)(123功率效率、功率附加效率功率效率、功率附加效率功率效率：n表示功率放大器把直流功率转换成射频功率的能力。n没有考虑晶体管的放大能力。功率附加效率：直流输入功率射频输出功率P直流输入功率入功率射频输出功率射频输add 微波功率放大器微波功率放大器设计示例设计示例EDGE 标准功率放大器设计标准功率放大器设计功率放大器设计的主要目的是得到晶体管的最大功率。n负载线分析法n负载牵引法n大信

7、号参数分析法EDGE：一种提高数据速率的新技术，是“全球通”向第三代移动通信系统（IMT-2000）过渡的台阶。EDGE 标准功率放大器指标标准功率放大器指标 设计主要满足上面斜体表示的指标，包括功率、增益和一些非线性指标。整个功率放大器结构整个功率放大器结构驱动放大级设计驱动放大级设计小信号设计技术，以得到最大增益为目标。稳定性考虑，R1是稳定电阻仿真结果仿真结果13.643M axi m umA vai l abl eP ow er G ai n,dB0.524/41.998S our ce R ef l ect i onC oef f i ci ent f or M i ni m um

8、N FZopt for N Fm i n73.2 +j 70.7 Si m ul taneous M atchZsour ce16.424+j 46.478Si m ul taneous M atchZl oad22.954+j 36.67211.64839.3 +j 22.2 P ow er G ai n w i t h t heseS our ce and Load R ef l ect i on C oef f i ci ent sC onj ugat e M at ch Load I m pedance i f S our ce R ef l ect i on C oef f i ci

9、 ent i s S opt f or M i ni m um N FM at chi ng For G ai nM at chi ng For N oi se Fi gureN Fm i n,dB2.361 Syst emI m pedance50.000K1.231St abi l i t y Fact orZsourceZl oadD U T*ZoptC onj ugat e m at ch Zl oad i f source i m pedance i s ZoptD U T*D U T=D evi ce U nder Test(si m ul at ed ci rcui t or d

10、evi ce)驱动级输入匹配电路设计驱动级输入匹配电路设计13.643M axi m umAvai l abl ePower G ai n,dBSi m ul taneous M atchZsource16.424+j 46.478Si m ul taneous M atchZl oad22.954+j 36.672M at chi ng For G ai nZsourceZl oadD U T*输入匹配电路性能输入匹配电路性能驱动级输出匹配电路设计驱动级输出匹配电路设计整个驱动级放大电路性能整个驱动级放大电路性能m 3f r eq=1.880G H zdB(S(1,2)=-19.437m 3

11、f r eq=1.880G H zdB(S(1,2)=-19.4371.861.871.881.891.901.851.91-19.55-19.50-19.45-19.60-19.40freq,G HzdB(S(1,2)m 3m 2f r eq=1.880G H zdB(S(2,1)=13.642m 2f r eq=1.880G H zdB(S(2,1)=13.6421.861.871.881.891.901.851.91681012414freq,G HzdB(S(2,1)m 2m ag(S(2,1)m 4f r eq=1.880G H zS(2,2)=0.009/-66.567i m pe

12、dance=Z0*(1.007-j 0.016)m 4f r eq=1.880G H zS(2,2)=0.009/-66.567i m pedance=Z0*(1.007-j 0.016)freq(1.850G Hz to 1.910G Hz)S(2,2)m 4m 1f r eq=1.880G H zS(1,1)=0.014/-96.148i m pedance=Z0*(0.997-j 0.027)m 1f r eq=1.880G H zS(1,1)=0.014/-96.148i m pedance=Z0*(0.997-j 0.027)freq(1.850G Hz to 1.910G Hz)S

13、(1,1)m 1功率放大级设计功率放大级设计设计目标是得到最大输出功率功率器件的输出阻抗是输出功率的函数，存在一个理想输出阻抗可以得到最大的输出功率。输出匹配电路的目的是把50 Ohm匹配到该理想输出阻抗。这里采用两种技术来设计输出匹配电路nLoadpull method 负载牵引法nLoadline analysis method 负载线分析法有时需要在输出功率和增益之间进行选择最大功率输出设计方法最大功率输出设计方法负载线分析方法负载线分析方法计算负载线计算负载线计算负载线电阻计算负载线电阻负载线分析方法仿真负载线分析方法仿真仿真结果仿真结果m 1VD S=6.500 VG S=-0.90

14、0000I D S.i=336.9mm 2VD S=1.100 VG S=0.000000I D S.i=631.1mm 1VD S=6.500 VG S=-0.900000I D S.i=336.9mm 2VD S=1.100 VG S=0.000000I D S.i=631.1m2468100120.00.10.20.30.40.50.6-0.10.7VG S=-4.00 VG S=-3.90 VG S=-3.80 VG S=-3.70 VG S=-3.60 VG S=-3.50 VG S=-3.40 VG S=-3.30 VG S=-3.20 VG S=-3.10 VG S=-3.00

15、VG S=-2.90 VG S=-2.80 VG S=-2.70 VG S=-2.60 VG S=-2.50 VG S=-2.40 VG S=-2.30 VG S=-2.20 VG S=-2.10 VG S=-2.00 VG S=-1.90 VG S=-1.80 VG S=-1.70 VG S=-1.60 VG S=-1.50 VG S=-1.40 VG S=-1.30 VG S=-1.20 VG S=-1.10 VG S=-1.00e+003mVG S=-900.mVG S=-800.mVG S=-700.mVG S=-600.mVG S=-500.mVG S=-400.mVG S=-300

16、.mVG S=-200.mVG S=-100.mVG S=0.000 V D SI D S.i,Am 1m 2l i ne_optl i ne2.190 17.589794.4m36.28 875.6m6.650 315.5m18.3532.098 41.73 D C-t o-R F Ef f i ci ency,%D C PowerC onsum pt i onR l oadO ut put PowerW at t s dBm D C-t o-R F Ef f i ci ency,%O pt i m al VD SO pt i m al I D SD C Power C onsum pt i

17、 on at O pt i m al Bi as O ut put Powerat O pt i m al Bi asW at t s dBm R l oad atO pt i m al Bi asO pt i m al C l ass A bi as poi nt val ues.M arker m 1 bi as poi nt val ues,(Assum i ng C l ass A,AC current l i m i t ed t o m arker m 2 val ue and AC vol t age nohi gher t han VD Sm ax.)29.42 29.00 D

18、 evi ce I V C urves,Load Li nes,and M axi m um D C D i ssi pat i on C urve输出匹配电路设计输出匹配电路设计负载牵引法负载牵引法负载牵引仿真负载牵引仿真仿真结果仿真结果功率放大级整体仿真功率放大级整体仿真功率放大器整体仿真功率放大器整体仿真功率放大器整体仿真结果功率放大器整体仿真结果 微波功率放大器微波功率放大器线性化设计技术线性化设计技术线性化技术的重要性（一）线性化技术的重要性（一）线性化调制技术的广泛采用n线性调制技术（如pi/4-DQPSK、16QAM）具有频谱效率高的特点，因而被现代通信系统所广泛采用。n功率放大

19、器本质非线性可以造成交调失真，从而造成频谱扩展。多载波放大系统对线性化的需求n由于远近效应的存在，基站系统对邻信道干扰（ACI）的要求非常严格（-60 dB），要求高线性化的功率放大器，减少交调分量对邻信道的干扰。线性化技术的重要性线性化技术的重要性(二二)多载波调制方式的逐渐采用n多载波调制方式（如OFDM）具有一系列明显的优点，正为许多标准（如802.11、4G、HDTV、DVB）所采用。nOFDM信号具有高的峰值/平均功率比（PAPR），功率放大器的非线性失真将影响传输系统的性能。功率效率的考虑n电池寿命、热管理等要求采用高效的功率放大器，因此不能通过功率回退(Back-off)的方法，

20、使之工作在线性放大区线性化技术总揽线性化技术总揽器件级线性化设计技术电路级线性化设计技术n反馈线性化设计技术n前馈线性化设计技术n预失真线性化设计技术nEE&R 线性化放大器nLINC 技术功率放大器线性化设计技术总结器件级线性化设计技术器件级线性化设计技术A类功率放大器的功率回馈（Back-off）偏置（Biasing）线性化技术n二极管偏置n低阻抗偏置n电压动态调节偏置无源射频负反馈（Passive RF Feedback）n串联负反馈（Series feedback）n并联负反馈（Shunt feedback）包络（包络（Envelope）负反馈负反馈优缺点分析：n输出功率稳定n不能补偿

21、相位信息n稳定增益低和大的相位漂移A1/KModulationinputUpconverterRF PARF outputEnvelopedetectorVoltagedividerPolar-Loop发射机结构发射机结构Polar-Loop发射机分析发射机分析优点分析：n可用C类放大器，组成高效、线性的发射机结构。n射频部分比较简单，只包括VCO和功率放大器。n没有采用上变频，因此不需镜频抑制滤波器。缺点分析：n相位回路本质上有相位不连续问题，因此需要较高的回路反馈带宽，限制了它的应用。n在信号幅度较小时PLL环路有锁定问题，相位快速变化时有快速响应问题。Cartesian-Loop发射机结

22、构发射机结构Cartesian-Loop发射机分析发射机分析优点分析：n不需要PLL/VCO元件，由此引起的快速跟踪、相位误差和锁定等问题也不会存在。n结构比较简单，实现方便。n可适用于任何调制方式该技术已在150MHz-1.8G 的商业系统中出现，如RF Micro Devices的RF2422器件，线性化程度能提高25-45 dB。结构通用，Cartesian-Loop技术可应用软件无线电系统中。前馈线性化基本原理前馈线性化基本原理前馈线性化技术分析前馈线性化技术分析优点：n前馈技术不会降低放大器的增益。n基本形式的前馈系统是无条件稳定的。n采用多环前馈技术，可以达到任意高的精度。n误差放

23、大器可以采用高线性、低噪声的放大器，提高系统性能。缺点：n器件特性随时间和温度的变化没有补偿。n器件之间的幅度和相位特性必须很好匹配。n电路结构比反馈系统复杂。相关检测自适应前馈系统结构相关检测自适应前馈系统结构预失真技术基本原理预失真技术基本原理射频预失真所采用的技术射频预失真所采用的技术同前馈控制一样，射频预失真也需要反馈控制技术来纠正补偿系统性能的变化。普通的射频预失真技术n功能单元（多项式、幂级数）n查找表（Look-up table）n模拟预失真（二极管）自适应的射频预失真技术n邻频干扰（ACI）功率最小n基于相关检测的反馈控制自适应射频预失真技术自适应射频预失真技术复杂增益查找表技

24、术复杂增益查找表技术效率高运算速度快EE&R AmplifierEnvelope Elimination and RestorationEE&R Amplifier基本结构EE&R技术分析技术分析优点：n由于采用了高效率的C、D、E或S类放大器，功率附加效率非常高，理论上可达100。n潜在的高线性化，只是受到输出功率放大器的限制。n基本形式实现简单缺点n对包络变化很大的信号无能为力。n基本形式不能监视本身信号的输出，不能纠正系统本身元件的非线性。LINC 技术技术Linear Amplifier using Nonlinear Components其中：必须满足条件：GGSignalsepar

25、ation/generation)(cos)()(ttwtVtSc)(cos)(max2ttwVtSc)(cos)(max1ttwVtSc)()(21tStSG)()()();()()(tttttt/)(cos)();()()(2max121VtVttStStSLINC 技术分析技术分析潜在的优点：n由于可以使用非线性元件，工作频率很高。n可以使用高效非线性的元件，如D、E或F类功率放大器，效率很高。n理论上实现比较简单。一些缺点：n两条射频通路要求增益和相位严格匹配，因此必须采用反馈机制。n较好的功率耦合和低损耗最大的问题，潜在的功率损耗达到50。线性化技术总结（一）线性化技术总结（一）采用

26、Cartesian-Loop结构的C类放大器已在第二代移动通信系统中采用，如DAMPS、PDS系统。这种发射机结构接口比较简单，能够方便的实现功率控制，效率也可以。在卫星和蜂窝通信系统中，前馈技术是一个可选技术。通过一定的控制策略，可以达到75 dBc 以上的线性度。目前这个技术已从传统的AMPS/DAMPS领域延伸到GSM/DCS中。线性化技术总结（二）线性化技术总结（二）射频预失真也是一个成熟的技术，它通常可以作为一个前馈系统的一个补充来达到较高的线性度，单纯的射频预失真技术很难达到较高性能。目前已经出现了自适应基带预失真的ASIC芯片，这样降低系统的功率消耗。然而在实际应用还有一些问题，如自适应算法的收敛速度等。EE&R和LINC/CALLUM技术目前已经逐渐实用化，WSI公司成功开发了以CALLUM为基础的基站发射机。谢谢大家！谢谢大家！