非线性第二次论文 线性化微波功放现状

线性化微波功放现状1前言线性化技术是一种减小放大器非线性失真的系统方法。采用线性化技术后的放大器，在给定失真水平下，可以输出更大的功率和更高的效率。在设计传统放大器的时候，我们常常加入一些外部元件来改善放大器的线性度，这些外部元件被称为线性化器。对放大器进行线性化的方法很多，根据线性化器工作的电路级别可分为器件级、电路级和系统级。其中器件级线性化技术是最近几年在分析管子大信号互调失真特性IMD基础上提出的一种解决放大器线性度与效率之间矛盾的一种很有发展前景的技术，而系统级线性化技术主要指常见的反馈、前馈和预失真技术。2线性化微波功放研究的历史回顾功放线性化技术研究兴起于美国，早在1928年，贝尔实验室的工作人员Harold.S.Black就发明了前馈(Feed-forward,FF)和负反馈(Negativefeedback,NFB)技术并把它们应用到放大器设计中来减少了放大器的失真。反馈法是减小放大器失真最简单也是最直接的技术。但由于负反馈技术在高频应用中存在带宽及稳定性问题，其直接应用只限于低频放大器，如音频功放中。应用得较多的是改进后的间接反馈，如包络反馈和笛卡尔反馈等。前馈技术尽管其提出时间比反馈技术还要早9年，但在其问世后的二十多年里，由于受当时工艺水平限制，很难实现其要求的精确的幅度、相位及延时匹配，所以没有引起足够的重视。直到VanZelst和McMillan]将反馈技术与前馈技术结合起来应用，前馈技术才重新进入研究领域。特别是过去十年，以CDMA为技术基础的2.5G和3G移动通信的广泛应用以及器件制造技术和数字信号处理DSP的发展，前馈技术得到了更深入的研究，出现了多种自适应前馈技术，如引入固定导频音的方法、导频音跳频方法、梯度法、信号扰动法以及上述方法的组合应用。另外，由于近年来预失真技术的长足发展，预失真可以获得与前馈相比拟的线性度改善性能，同时效率又要比前馈高。因此，除了在宽带、多载波系统功中还有研究外，前馈技术再一次淡出历史舞台。1959年MacDonald就提出了用相反的非线性特性来补偿三极管本身非线性的方法。由此可见模拟预失真(AnalogPre-distortion,APD)的雏形。由于预失真电路结构简单、成本低、对线性度的中等改善程度等优点，近年来取代前馈技术成为了功放线性化研究的一大热点。预失真技术可分为模拟预失真，数字预失真和模拟/数字混合预失真。模拟预失真技术在抵消整个主功放的失真产物方面精度不够高，所以过去基本用它来抵消低峰均比(PAPR)信号的三阶互调失真IM3分量。为了在多载波系统中补偿更高阶IMDs,需要更复杂的电路。数字基带预失真(DigitalPre-distortion,DPD)技术能输出非常复杂的预失真函数，因此，在有限的带宽内与放大器有更好的匹配，互调失真分量IMD的抵消性能更好、更精确。当前的DSP运算速度已经可以处理带宽超过20MHz的信号。但是，基带预失真也有它的缺点，如系统结构复杂，成本高，功耗大，数字电路的计算速度限制了工作带宽。最近提出了数字/模拟混合预失真。是模拟射频预失真和数字基带预失真之间的折中。与模拟预失真相比，由于这种预失真结构采用了DSP技术，可以获得很精确的线性化技术。与数字预失真相比，由于瞬时失真校正是用射频电路实现的，因此校正带宽不受DSP速度的限制，在同样的时钟频率下，可获得比基带预失真更高的带宽。此外，这种结构式是非参数的，其性能与输入的基带信号结构无关，所以可应用于中继系统中。第一个混合预失真系统是Rey提出的自适应极坐标模拟工作函数预失真，之后提出了用I/Q矢量调制器来产生预失真函数信号。到了上个世纪七八十年代，随着无线通信技术的发展，功放的线性化技术的研究，又有了新的发展，出现了一些新的线性化技术，如包络消除与恢复(EnvelopeEliminationandRestoration,EER)、用非线性元件实现线性放大(LInearamplificationwithNonlinearComponents,LINC)、CALLUM技术(CombinedAnalogueLockedLoopUniversalModulator)、包络跟踪(Envelopetracking,ET)。1999年，N.B.Carvalho和J.C.Pedro通过对功放的小信号、大信号IMD特性分析得出，在小信号和大信号工作条件下，功放都可能存在互调失真IMD很小的工作点，即IMDsweetspots。通过改变功放的偏置点及外围匹配电路，在某些输入功率下，功放的线性度很好。器件级线性化技术就是在此基础上提出来的。通常我们所用的功放都是偏置在甲乙类，而甲乙类因存在两个sweetspots，因此，有可能获得比甲类功放更好的线性度，同时效率也提高了。2000年，L.T.Mucenieks等人在前馈中引入了交互抵消技术(CrossCancellation)。2004年，M.Billsberry把这项技术应用在两路平衡放大器和多路平衡放大器中。J.Ocenasek和I.Robinson分别在模拟预失真和数字基带预失真中引入了交互抵消技术。2007年，韩国H.Choi等人把交互抵消技术结合平衡放大器、前馈及后失真提出了交叉后失真平衡功率放大器。交互抵消技术是在平衡放大器的基础上提出来的，它利用平衡放大器的一部分输出来消除整个平衡放大器产生的失真。与前馈技术结合的交互抵消技术，因其与前馈技术具有结构相似性，所以在很宽的输出动态范围内可以很好地抑制交调产物。另外，它不用在每一个主放大器的输出端加有损耗的延时滤波器和耦合器，所以其效率比前馈技术要高(大约高2％)。使用预失真器的交互抵消技术其原理与传统的预失真技术相似，只是产生预失真信号的方式稍有不同，传统的预失真器是根据放大器各自来输出独立地产生预失真信号，而使用了交互抵消技术的预失真器，在开始的时候也是根据每个放大器的输出独立地产生预失真信号，等预失真器稳定后，其中一路放大器的预失真器切换到根据整个平衡放大器的输出信号来产生预失真信号，而另一路放大器的预失真器仍根据这一路的输出信号来产生预失真信号.各种线性化技术都有自己的优点和缺点，很难说一种技术就一定优于另一种技术，随着无线通信技术的发展，对功放的效率、线性度以及频谱利用率等其它指标提出了更高的要求。此时，某单一的线性化技术很难同时满足所有的指标要求，几种线性化技术综合起来应用已经成为当前的一种趋势。例如，预失真中引入负反馈来动态更新预失真信号，在预失真中利用前馈的失真信号抵消环来获得预失真信号，把整个前馈系统用于产生预失真信号形成了前馈预失真(feed-forwardpre-distortionFFP)，在前馈中引入预失真技术来改善误差放大器或主功放的线性度，在前馈中引入负反馈形成自适应前馈技术，在LINC技术中对高效率功放采用预失真技术来提高整个系统的效率及线性度。随着数字信号处理技术的进步，尤其是高速DSP技术的迅速发展，在线性化技术加入数字控制或在数字域来解决功放的非线性问题已成为当前线性化技术研究的一个热点，其中数字基带预失真预失真信号的产生及互调失真的校正都是在数字域完成的。数字/模拟混合预失真其预失真信号的产生既可以是在基带也可以在射频，而互调失真的校正的射频段完成。先前的研究都是假定功放的非线性特性是恒定的，即非时变、无记忆性的，然而，实际上，特别是采用了非恒包络调制方式的现代无线通信系统中的宽带、高功率放大器的失真特性会随输入信号的功率、信号本身的频率及包络频率、功放的热时间常数、环境温度等参数的变化而改变，即功放表现出记忆效应。采用自适应技术可以解决功放失真特性随输入信号的功率、频率及环境温度的变化而改变的问题，但对于功放的短时间记忆效应，自适应技术也无能为力，此时需要优化功放本身的设计或在线性化电路中采用记忆效应补偿电路来提高整个线性化功放系统的性能。表1-1针对有代表性的几种线性化技术进行了一个简单的对比。表1-1各种线性化技术的性能比较国外对功率放大器的线性化技术的研究主要集中在美国、加拿大、欧洲TARGET小组下的各国、澳大利亚、日本、韩国。美国的POWERWAVE公司、线性器件技术公司LTI、MPT公司、Stealth微波公司、ANDREW公司，加拿大的AMPLI集团、韩国电子学与通信研究所、日本的三菱公司信息研发中心等多家公司及研究所均有不同波段不同功率的产品问世。韩国的Pohang科技大学Kim和Jeong等人对各种传统的系统级线性化技术做了大量试验，针对各种线性化技术存在的问题提出了很多改进方法。澳大利亚的非线性电子合作研究小组CNERF在电子电路的非线性产生及电路仿真模型方面进步很大。欧洲的顶级放大器研究小组TARGET整合了欧洲在微波功放的研究和生产方面非常活跃的49家研究院所和工业界合作伙伴，彻底改变了过去各自为政的局面，他们在功放的表征，建模，设计和线性化技术方面取得了巨大的成就，提出了器件级线性化技术和提出了新的线性化技术性能评价标准，百分比线性化和百分比线性化面积。相比之下，鉴于功放在无线通信系统的重要性，国内在功放线性化技术研究方面无论从资金、人力、政策上投入的还远远不够。国内专门从事功放设计研究的公司还没有，像中兴、华为这样的大企业也只有小部门在开展一些工程性的研究。而走在科研前线的科研院校也只有电子科技大学、东南大学、华中科技大学、华南理工大学、同济大学、浙江大学、西安电子科技大学等少数几个大学在从事这方面的研究。各个大学之间、大学与企业、研究所之间的合作交流还刚刚起步。可能是由于国内相关研究起步较晚，学术研究论文数量与国外相比相差很远，专利申请更不乐观，产品性能与国外也有一定差距。为了彻底改变这一局面，迫切需要国内的科研院所和业界同行整合资源、加强合作，尽快的与国际接轨。3几种现阶段主要的线性化技术在各种线性化技术中，最主要的线性化技术是前馈法(FeedForward)、反馈法(Feedback)、预失真法(PreDistortion)。而效率增强技术即基于提高线性功放效率的技术主要有：Dorherty技术、包络跟踪、包络消除再生技术和自适应偏置技术等。另外，功率回退法是以牺牲功放的效率和输出功率为代价的，因此在高功率功放中应用较少。3-1前馈法在1928年，美国电子工程师H.S.Black提出了前馈法。其基本原理框图如图3-1，图3-1前馈法基本原理框图前馈法主要由失真提取环路和失真消除环路这两个环路构成。在第一个环路失真提取环路中，耦合器3输出的只剩下反相的三阶交调分量。第二个失真消除环路中，反相的三阶互调分量经辅助放大器PA2放大后与经延时线2后的主功放输出信号在输出耦合器中叠加，抵消主功放的三阶互调干扰，从而得到线性放大信号。前馈技术精度高，改善指标好，同负反馈法相比，其稳定性和带宽更好。但是前馈电路结构复杂，在整个频率范围内，温度和时间的校准精确度完全依赖系统内各元件的精度。并且还引入了辅助放大器，这就要求辅助放大器本身的失真特性应处在前馈环系统指标的上限。因此电路成本也大大地增加。基于以上原因，前馈法在射频微波频段应用较多，但在毫米波频段，由于其对元件精度要求过高，往往难以实现3-2反馈法反馈技术同样是由美国电子工程师H.S.Black在1937年提出的，有正反馈和负反馈之分，正反馈一般应用于振荡器的设计之中，通常所指的反馈都是指负反馈。负反馈法在低频模拟功率放大器的线性化技术中大量使用，有着较高的精度，但在RF和微波领域，其带宽和稳定性都受到了很大的限制，此时则常使用反馈技术的变形，如极性环反馈法和笛卡尔环反馈法等。典型的直接反馈法原理框图如图3-2所示图3-2直接反馈法原理框图输出信号含有三阶互调失真分量，该输出信号通过耦合器使一部分信号进入反馈网络，通过反馈网络使信号倒相，再经过耦合器输入功率放大器，最后，在功率放大器输出端口输出的基波信号虽比没有反馈网络时有所损失，但同时三阶互调分量得到了明显的抑制。该方法是传统意义上的负反馈。但是这种方法在应用上受到工作频率和输出功率的很大限制，反