摘要摘要射頻功率放大器POWERAMPLIFIER是無線通信基站發(fā)射機(jī)中的重要器件，處在發(fā)射機(jī)的末端，直接連接天線發(fā)射功率，而PA又是基站BASESTATION中非線性失真最高的器件，因此其線性度直接影響基站的發(fā)射性能和用戶的通信質(zhì)量。同時(shí)PA也是基站中消耗電能最高，產(chǎn)生熱量最多的器件，其工作效率也會(huì)影響基站整體的功耗、穩(wěn)定性以及溫度。在無線頻譜資源日益擁擠和全球倡導(dǎo)綠色通信的今天，PA的線性化技術(shù)和效率增強(qiáng)技術(shù)也已經(jīng)成為無線基站的關(guān)鍵。但是目前在這兩大類技術(shù)中，還有很多的實(shí)際問題需要解決。本文緊密圍繞著功放系統(tǒng)電路的實(shí)際應(yīng)用，就現(xiàn)有的三類功放電路中的線性度和效率問題，展開了相關(guān)的分析和探討。論文首先對(duì)PA常用的分析方法，包括線性度和效率，進(jìn)行了敘述和歸納。功率放大器在設(shè)計(jì)時(shí)區(qū)別于小信號(hào)放大器的關(guān)鍵是功率匹配，在此基礎(chǔ)上，分析了滿足PA最大輸出能力時(shí)的最優(yōu)匹配阻抗和晶體管電參數(shù)的關(guān)系。然后闡述了晶體管由非最優(yōu)負(fù)載阻抗引出的牽引特性等高線，這也是功放在設(shè)計(jì)匹配方法時(shí)的重要工具。最后分析了功放的非線性失真分析時(shí)采用的數(shù)學(xué)模型。論文的第三、四、五章分別針對(duì)兩大類“效率增強(qiáng)技術(shù)”中的三種功放模式，即LINCLLNEARNONLINEARCOMPONENTS、DOHERTY和ETENVELOPETRACKING，進(jìn)行了分析和研究1、LINC功放屬于第一類“效率增強(qiáng)技術(shù)”一負(fù)載調(diào)制類。LINC功放的效率關(guān)鍵是合路器的設(shè)計(jì)。在LINC的各種合路器中，CHIREIX合路器由于不存在隔離電阻，沒有損耗，可以帶來較高的效率，因此作為討論和設(shè)計(jì)的對(duì)象。文中對(duì)CHIREIX合路器中的有源相位負(fù)載牽引進(jìn)行了詳細(xì)的分析，利用功放的負(fù)載牽引等高線分析得到了CHIREIX合路器的輸入阻抗特性，并在此基礎(chǔ)上提出了一種連接PA和CHIREIX合路器的匹配方法，可以達(dá)到輸出功率和回退效率的最佳。實(shí)際的設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果也證明了該方法在改善效率方面的有效性，同時(shí)匹配的方法也較為簡(jiǎn)單。2、DOHERTY功放也屬于第一類負(fù)載調(diào)制類，和LINC功放不同的是，DOHERTY的負(fù)載牽引屬于功率類牽引。DOHERTY雖然是現(xiàn)在無線基站中的主流，但是實(shí)際的設(shè)計(jì)卻存在較多的問題。本文針對(duì)一般的DOHERTY功放在設(shè)計(jì)時(shí)沒有達(dá)到足夠回退量的問題，分析了開啟電壓VKNC。的影響，并在分析的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的方法，通過提高主功放在功率臨界點(diǎn)以前的阻抗，來達(dá)到足夠的回退量，同時(shí)電路參數(shù)也做了相應(yīng)的變化。仿真的結(jié)果顯示新方法的簡(jiǎn)單和有效摘要性。3、ET功放屬于第二類“效率增強(qiáng)技術(shù)”一電源調(diào)制類，和負(fù)載調(diào)制類技術(shù)不同的是，ET功放是通過改變小信號(hào)時(shí)的電壓來實(shí)現(xiàn)效率的改善。ET特殊的時(shí)變漏壓工作模式，造成了其線性度的惡化，并且使得傳統(tǒng)的記憶多項(xiàng)式MEMORYPOLYNOMIAL模型的數(shù)字預(yù)失真DIGITALPREDISTORTION算法校正存在一定的困難。文中首先分析了時(shí)變漏壓對(duì)PA工作時(shí)的電路參數(shù)產(chǎn)生的影響，尤其是處于功率管管腳根部的漏源寄生電容，隨著漏極靜態(tài)電壓而變化，使得匹配發(fā)生改變。然后在此分析的基礎(chǔ)上對(duì)傳統(tǒng)的記憶多項(xiàng)式模型進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，加入了當(dāng)前時(shí)刻和記憶時(shí)刻的交叉項(xiàng)。仿真結(jié)果顯示，新模型在高功率、低功率以及多載波狀態(tài)下都可以有效的改善DPD校正的效果。關(guān)鍵詞功率放大器效率增強(qiáng)線性化技術(shù)LINCCHIREIXDOHERTY功放ET功放數(shù)字預(yù)失真NABSTRACTABSTRACTPOWERAMPLIFIERLSANIMPORTANTDEVICEINTHEWIRELESSCOMMUNICATIONBASESTATIONLOCATEDATTHEENDOFTHETRANSMITTER,ITCONNECTSTOTHEANTENNAANDTRANSMITSPOWERSIGNALPAPRODUCESMOSTOFTHENONLINEARDISTORTIONINTHEBASESTATION，SOTHELINEARITYOFPAWILLAFFECTTHEEMISSIONPERFORMANCEOFBASESTATIONANDCOMMUNICATINGQUALITYPAISALSOTHEDEVICETHATCONSUMEMOSTPOWERANDPRODUCEMOSTHEAT，ANDITSWORKINGEFFICIENCYWILLAFFECTTHEPOWERCONSUMPTION、STABILITYANDTEMPERATURESOTHELINEARIZATIONANDEFFICIENCYENHANCEMENTARETWOKEYTECHNIQUESINTHEBASESTATIONBUTTHEREAREMANYPROBLEMSINPRESENTDAYTECHNOLOGICALDEVELOPMENTSOFPABASEDONTHEPRACTICEAPPLICATIONSOFPASYSTEM，THISDISSERTATIONISFOCUSEDONTHELINEARITYANDEFFICIENCYOFTHREETYPESPAFIRSTOFA11，GENERALANALYSISMETHODSOFPA，INCLUDINGLINEARITYANDEFFICIENCY,AREPRESENTEDANDSUMMARIZEDTHERELATIONSHIPOFOPTIMALIMPEDANCEANDELECTRICALCHARACTERISTICSOFTRANSISTORSATMAXIMUMOUTPUTPOWER,ISANALYZEDBASEDONTHEPOWERMATCH，WHICHISTHEKEYDIFFERENCEBETWEENPAANDSMALLSIGNALAMPLIFIERTHENTHELOADPULLCONTOURSOBTAINEDFROMTHENONOPTIMALIMPEDANCE，ANDTHEMATHMODELFORNONLINEARITY,AREANALYZEDINTHISDISSERTATION，CHAPTERTHREE，F(xiàn)OURANDFIVEAREFOCUSEDONTHREETYPESPAINTWOCATEGORIESTECHNIQUESOFEFFICIENCYENHANCEMENT，WHICHISLINC，DOHERTYANDET,RESPECTIVELY1、LINCPABELONGSTOTHEFIRSTCATEGORYTHATISCALLEDLOADMODULATIONTHEKEYDESIGNOFLINCEFFICIENCYISITSCOMBINERAMONGVARIOUSKINDSOFCOMBINERFORLINC，CHIREIXCANBRINGHIGHEREFFICIENCYSINCETHEREISNOISOLATIONRESISTORANDTHERELATEDPOWERCONSUMPTION，SOITWILLBEDISCUSSEDANDDESIGNEDINTHISDISSERTATIONTHENTHEPHASELOADPULLINCHIREIXCOMBINERISANALYZEDINDETAILSTHEINPUTIMPEDANCEOFCHIREIXCOMBINERISOBTAINEDBASEDONTHELOADPULLCONTOURSBASEDONTHECHARACTERISTICOFIMPEDANCE，ANOVELIMPEDANCEMATCHMETHODBETWEENPAANDCOMBINERISPROPOSED，TOIMPROVETHESATURATEPOWERANDTHEEFFICIENCYINTHEBACKOFFREGIONOFOUTPUTPOWERTHEVALIDITYTOIMPROVEPERFORMANCEANDTHECONVENIENCETOCIRCUITTUNINGOFTHISMETHODAREPROVEDBYIMPLEMENTATIONANDMEASUREMENT2、DOHERTYPAALSOBELONGSTOTHECATEGORYOFLOADMODULATIONBEINGDIFFERENTFROMLINC，THELOADPULLTYPEINDOHERTYISPOWERPULLALTHOUGHDOHERTYISTHEIIIABSTRACTMAINSTREAMPAINMODEMWIRELESSBASESTATION，THEREAREMANYPROBLEMSTOBESOLVEDINTHISDISSERTATION，THETHRESHOLDVOLTAGEOFTRANSISTORDRAINTHATCAUSEDDOHERTYCANNOTACHIEVEIDEALPOWERBACKOFF,ISANALYZEDBASEDONTHIS，ANOVELIMPROVEMENTMETHODTOREACHTHEDESIREDPOWERBACKOFF,ISPRESENTEDBYINCREASINGTHEIMPEDANCESEENBYMAINPOWERAMPLIFIERINTHEPOWERBACKOFFREGIONTHEVALIDITYOFTHISMETHODTOIMPROVEOUTPUTPOWERBACKOFFANDEFFICIENCYISPROVEDBYSIMULATIONRESULTS3、ETPABELONGSTOTHESECONDCATEGORYTHATISCALLEDPOWERSUPPLYMODULATIONTHISKINDPACANIMPROVEEFFICIENCYBYMODIFYINGTHEDRAINSUPPLYACCORDINGTOTHEAMPLITUDEOFINPUTSIGNALTHELINEARITYOFETPAISDETERIORATEDBECAUSEOFTHEDYNAMICSUPPLY,SOTHEPERFORMANCEOFDPDLINEARIZATIONWITHTRADITIONALMEMORYPOLYNOMIALMODELOFPAHASSOMEDIFFICULTIESINTHISDISSERTATION，THEIMPACTTOTHECIRCUITPARAMETERCAUSEDBYTHETIMEVARIEDSUPPLYISDISCUSSEDESPECIALLYTHEDRAINSOURCEPARASITICALCAPACITORATTHEPINOFTRANSISTORISVARIEDWITHTHEPOWERSUPPLY,ANDTHEMATCHISALSOCHANGEDBASEDONTHEANALYSIS，THEIMPROVEMENTOFTRADITIONALMEMORYPOLYNOMIALMODELISPRESENTED，BYADDINGCROSSTERMOFCURRENTANDMEMORYSIGNALSTHEVALIDATIONOFTHISNEWMODELTOIMPROVEPERFORMANCEOFDPDINETPAISPROVEDBYSIMULATIONRESULTS，F(xiàn)ORBOTHHIGHANDLOWPOWEROUTPUTWITHSINGLECARTIERANDMULTIPLECARRIERSKEYWORDSPOWERAMPLIFIER,EFFICIENCYENHANCEMENT，LINEARIZATION，LINC，CHIREIX，DOHERTYPA，ETPA，DIGITALPREDISTORTION圖目錄圖目錄圖11功放系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展框圖2圖12無線基站功放的發(fā)展趨勢(shì)3圖2。L共軛匹配與負(fù)載線匹配10圖22相同晶體管在共軛匹配和功率匹配下的輸出增益曲線11圖23一般放大器電路示意圖12圖24一般場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線族12圖25A類放大器在低阻和高阻阻抗下的負(fù)載線分析。13圖26以電抗和電阻串聯(lián)形式為負(fù)載的放大器電路和等效電路圖15圖27低阻下的功率等高線族16圖28A類放大器的“功率等高線”示意圖17圖29一般LOADPULL測(cè)試系統(tǒng)示意圖18圖29裸芯片和封裝的阻抗變換關(guān)系A(chǔ)電路模型B等高線隨著CDS的變化趨勢(shì)。19圖31LINC放大器系統(tǒng)原理框圖22圖32LINC分解解析式的幾何表達(dá)關(guān)系23圖33單載波和兩載波WCDMA信號(hào)SI。和異相分量ET的頻譜24圖34兩條支路存在一定失平衡下的輸出頻譜。24圖35常見的兩種合路器AWILKINSON合路器；B正交耦合合路器。25圖36采用“隔離匹配”類合路器的LINC整體效率26圖37有源負(fù)載牽引分析A等效電路B牽引出的電抗27圖38負(fù)載牽引出的附加電抗分析A并聯(lián)等效電路；B加入補(bǔ)償電抗的等效電路。28圖39CHIREIX合路器28圖310采用微帶線的CHIRIEX合路器29圖31LCHIREIX合路的效率曲線31圖312兩種CHIREIX合路器的補(bǔ)償微帶線實(shí)現(xiàn)方式32圖313串聯(lián)微帶線CHIREIX合路器等效電路分析33圖314在不同的補(bǔ)償角度下6兩路功放看到的阻抗86萬6B67“4；C6尼334圖315功放和CHIREIX直聯(lián)時(shí)的效率和平衡式AB類效率的對(duì)比35圖316等高線分析參考面36圖317單管功放的等高線和功放看到的阻抗的比較37圖318加入調(diào)節(jié)微帶線的LINC放大電路38圖319掃描調(diào)節(jié)線角度T時(shí)，兩個(gè)交點(diǎn)在BB面顯示出的阻抗38圖320選擇合適的T后，功放的等高線和功放看到的阻抗的比較39VII圖目錄圖321單管功放匹配到功率頂點(diǎn)之后的LINC阻抗比較40圖322采用新匹配方法的LINC和平衡式AB類效率仿真結(jié)果對(duì)比40圖323功放和CHIREIX合路器電路版圖42圖324LINC和平衡式AB類的效率測(cè)試結(jié)果對(duì)比42圖41幅度有源負(fù)載牽引原理圖46圖42一般雙路DOHERTY電路結(jié)構(gòu)47圖43在對(duì)稱DOHERTY中，小信號(hào)時(shí)的負(fù)載線分析49圖44負(fù)載分別為ROPT和2ROPT時(shí)的增益和效率對(duì)比49圖45DOHERTY大信號(hào)階段的等效電路分析50圖46理想條件下，DOHERTY中主功放和輔功放的電流電壓隨著輸入信號(hào)的變化趨勢(shì)53圖47主功放看到的阻抗Z1和輔功放看到的阻抗Z2變化趨勢(shì)示意圖53圖48理想條件下DOHERTY和B類的連續(xù)波效率對(duì)比55圖4。9理想DOHERTY和B類的連續(xù)波效率，以及輸入信號(hào)為PAR10DB的WCDMA信號(hào)時(shí)的調(diào)制信號(hào)效率對(duì)比56圖410導(dǎo)通角模式的直流、基波、二次和三次諧波的幅度，隨著導(dǎo)通角度C【的變化61圖4“具有相同功率等級(jí)的DOHERTY和平衡式的增益和效率對(duì)比62圖412主功放和輔功放輸出的基波電流和電壓幅度，隨著輸入電壓幅度的變化趨勢(shì)63圖413主功放和輔功放的負(fù)載阻抗隨著輸入電壓信號(hào)幅度的變化63圖414DOHERTY輔功放的柵壓分別設(shè)定為13V、17V和21V時(shí)的效率和增益曲線64圖415MRF7S21170的漏極輸出特性曲線66圖416VLCIL。對(duì)于負(fù)載線的影響66圖417功率回退量隨著歸一化開啟阻抗RX的變化關(guān)系68圖418MRF7S21170在IBPT和2ROPT下的增益曲線69圖419功率面積分析70圖419在不同高阻下主功放的輸出增益壓縮曲線70圖420新匹配方式的DOHE啊電路阻抗分析7L圖422新方法和傳統(tǒng)方法的效率和增益對(duì)比73圖51一般EER電路框圖76圖52一般ET電路框圖76圖53ET的負(fù)載線分析78圖54晶體管在漏極電壓VDD掃描時(shí)的效率和增益曲線，其中箭頭方向是VDD由5V增加到28V的方向80圖55在最優(yōu)效率下的效率、增益和VDD隨著輸出功率的變化，以及VDD隨著輸入信號(hào)電壓的變化80II圖目錄圖56圖57圖5圖5圖5圖5O1圖512圖513圖514圖515圖516圖517圖518圖519圖520圖521圖5。22VDD的最優(yōu)選擇和線性選擇兩種條件下的效率對(duì)比8L輸出相同平均功率的ET和AB類功放，歸一化增益、相移以及頻譜對(duì)比，其中左列三張圖是ET功放特性，右列三張圖是AB類功放的特性83ET和AB類功放的鄰道泄露比隨著輸出功率的變化趨勢(shì)84一般數(shù)字預(yù)失真的原理框圖85單載波輸入時(shí)，AB類功放的統(tǒng)計(jì)特性A增益；B豐FL移。88單載波輸入時(shí)，建模誤差的變化曲線A記憶深度為1時(shí)，建模誤差隨著非線性階數(shù)的變化；B非線性階數(shù)為5時(shí)，建模誤差隨著記憶深度的變化。89四載波輸入時(shí)，AB類功放的統(tǒng)計(jì)特性A增益；B才FL移。90四載波輸入時(shí)，建模誤差的變化曲線A記憶深度為3時(shí)，建模誤差隨著非線性階數(shù)的變化；B非線性階數(shù)為6時(shí)，建模誤差隨著記憶深度的變化90傳統(tǒng)記憶多項(xiàng)式建模下的數(shù)字預(yù)失真和直通下的增益和相移統(tǒng)計(jì)特性92傳統(tǒng)記憶多項(xiàng)式模型下，DPD校正前后功放的ACPR和NMSE性能隨著輸出功率的變化93漏源電容CDS隨著漏極電壓的變化趨勢(shì)94動(dòng)態(tài)漏壓引起的額外漏源電容E。95傳統(tǒng)記憶多項(xiàng)式模型和新模型下的數(shù)字預(yù)失真校正效果對(duì)比97ET在低功率左圖和高功率右圖時(shí)的增益校正效果98某個(gè)時(shí)間區(qū)間里的輸入信號(hào)和預(yù)失真后的信號(hào)對(duì)比98DPD對(duì)于平均效率的影響99雙載波信號(hào)下，新模型的數(shù)字預(yù)失真校正效果100IX中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性和授權(quán)使用聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行研究工作所取得的成果。除已特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含任何他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說明。本人授權(quán)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)擁有學(xué)位論文的部分使用權(quán)，即學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱，可以將學(xué)位論文編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。保密的學(xué)位論文在解密后也遵守此規(guī)定。勱紗年多月乙日作者簽名第1章緒論11引言第1章緒論現(xiàn)代無線通信正處于飛速發(fā)展的時(shí)代，有限的頻譜資源上需要承載越來越高的數(shù)據(jù)流量。在2G時(shí)代，如GSM只有10KBPS的傳輸速率，到3G時(shí)代，如WCDMA擁有384KBPS的傳輸速率，以至未來的4G時(shí)代中，LTE將要達(dá)到100MBPS的傳輸速率。在這種數(shù)據(jù)量指數(shù)增長(zhǎng)的需求下，無線基站的設(shè)計(jì)和工作承受著巨大的壓力。2009年底世界首個(gè)4G網(wǎng)絡(luò)在瑞典和挪威的正式運(yùn)行，標(biāo)志著全球的無線通信即將進(jìn)入一次革命化的進(jìn)程。在國內(nèi)，三大通信運(yùn)營(yíng)商在進(jìn)行了重組之后，為了發(fā)展自己3G的服務(wù)，需要對(duì)現(xiàn)有2G基站進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)和更新?lián)Q代。因此現(xiàn)在無線基站正處于一個(gè)發(fā)展較為迫切的階段。無線基站作為無線通信系統(tǒng)中的發(fā)射端，需要更高效更有效的發(fā)射信號(hào)，而作為發(fā)射機(jī)末端的功率放大器，位于無線網(wǎng)絡(luò)金字塔的底層，數(shù)量最多、成本最高、能耗也最大。其性能的好壞直接影響基站的工作狀態(tài)，主要表現(xiàn)在功率、效率和線性方面【2巧J。在功率方面，功放是基站放大發(fā)射信號(hào)的主要部件，其輸出功率會(huì)影響信號(hào)的發(fā)射距離，同時(shí)功放在無線網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)能耗中占據(jù)了大權(quán)重，功放還是無線網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)能耗最主要的部分，射頻功放、電源等硬件，是能耗的具體載體。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、信道功率資源調(diào)度算法等軟特性，直接影響發(fā)射功率的大小。功放能耗的這個(gè)特征，是無線網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于有線網(wǎng)絡(luò)能耗的主要差異部分。同時(shí)高功率的要求也是功率放大器設(shè)計(jì)的基本要求和出發(fā)點(diǎn)I2刁兒6I。在效率方面，作為基站中消耗功率最大的模塊【2】，功放的效率提高也是基站中的關(guān)鍵技術(shù)，不僅可以使基站在更低的能耗下工作，同時(shí)也可以降低基站的運(yùn)行成本，并提高基站工作的穩(wěn)定性。效率的提升不僅有利于基站的工作，同時(shí)也是全球環(huán)保的要求。在剛剛結(jié)束的“哥本哈根全球氣候大會(huì)”中，中國政府已經(jīng)向世界承諾到2020年，中國的單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放量比2005年下降40到45，為了達(dá)到這個(gè)要求，國內(nèi)的三大電信運(yùn)營(yíng)商相繼給出了相應(yīng)的承諾中國移動(dòng)承諾到2012年底，相比2008年單位業(yè)務(wù)量耗電下降20；中國電信承諾在“十一五”期間，單位業(yè)務(wù)收入能耗降低16；中國聯(lián)通同時(shí)承諾在2010年底，能耗降低20。這些都對(duì)基站中功放的效率提出了要求和期望，因此如何提高功放的效率也成為了一門專門的學(xué)科方向。在線性方面，由于功放處于發(fā)射端的末級(jí)，它是基站發(fā)射信號(hào)失真的主要來源。在大功率功放下，功放通常具有非常強(qiáng)烈的非線性效應(yīng)和記憶效應(yīng)，因此會(huì)第1章緒論影響發(fā)射信號(hào)的質(zhì)量。這些影響包括兩個(gè)方面，即帶內(nèi)和帶外。帶內(nèi)的失真影響通信質(zhì)量，帶外的失真會(huì)影響鄰道。由于無線通信頻譜資源的日益擁擠，需要在一定的帶寬內(nèi)無失真地實(shí)現(xiàn)更多的業(yè)務(wù)量，而功放本身的失真又不可避免，因此就產(chǎn)生了又一類學(xué)科方向，即功放線性化技術(shù)，以此來保證基站的線性度。從以上的敘述中可以看出，功放的技術(shù)發(fā)展就是在一定的功率等級(jí)上，實(shí)現(xiàn)更高的效率和更高的線性度。因此，本文的主要內(nèi)容也是在這個(gè)范圍內(nèi)，針對(duì)無線基站中的幾種常見功放類型，即LINC，DOHERTY和ET，分別進(jìn)行分析和研究。12功率放大器的技術(shù)發(fā)展功率放大器從最早只具有放大功能的簡(jiǎn)單AB類電路，到現(xiàn)在的大規(guī)模應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化，已經(jīng)包含了電路、算法和結(jié)構(gòu)等多方面的系統(tǒng)化技術(shù)，研究領(lǐng)域也越來越開闊，研究課題也越來越廣泛。關(guān)于功率放大器以及周邊的技術(shù)可以由圖11所示DOHERTY優(yōu)化功率器件選擇高效率功放卜，F(xiàn)峰平比抑制圖11功放系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展框圖限幅法壓縮擴(kuò)展法圖11中所示的功放系統(tǒng)可以分為兩大類，第一類是功放系統(tǒng)電路，主要研究電路級(jí)的應(yīng)用，包括了高效功放、功放結(jié)構(gòu)以及大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)；第二類是信號(hào)處理部分，主要配合功放系統(tǒng)，研究功放輸入輸出信號(hào)的特征，包括了數(shù)字預(yù)失真記。ILDPDDIGITALPREDISTORTION平LL峰均比抑制CFRCRESTFACTORREDUCE。2|一一一一一一差一第1章緒論這兩大類技術(shù)中，核心部分是功放系統(tǒng)電路，信號(hào)處理部分可以對(duì)功放的性能進(jìn)行改進(jìn)。本論文的主要研究對(duì)象是功放系統(tǒng)電路，其發(fā)展流程可以由圖12所示。而功放電路中最為核心的部分是具有放大功能的晶體管，其也是功放設(shè)計(jì)和發(fā)展的基礎(chǔ)；其次是單管電路的發(fā)展，主要包括傳統(tǒng)導(dǎo)通角模式AB類和開關(guān)類等最后是功放系統(tǒng)的發(fā)展，主要包括功率合成、效率增強(qiáng)和線性化技術(shù)。圖12無線基站功放的發(fā)展趨勢(shì)121功率晶體管工藝的發(fā)展從最初第二代通信時(shí)代的GSM900MHZ蜂窩電話技術(shù)開始，無線通信基站功率放大器所用的晶體管類型一直被LDMOSLATERALLYDIFFUSEDMETALOXIDESEMICONDUCTORL型所主導(dǎo)。相對(duì)于更早的雙極型晶體管，LDMOS在很多方面存在著優(yōu)勢(shì)，如可以經(jīng)受住3倍的駐波比，能在較高的反射功率下正常工作，同時(shí)它也更能承受輸入信號(hào)的過激勵(lì)，以及更適合發(fā)射數(shù)字信號(hào)，這些都是歸因于它可以承受相當(dāng)高的瞬時(shí)峰值功率，而且LDMOS增益曲線一般也較為平滑并且允許多載波數(shù)字信號(hào)放大且失真相對(duì)較小。LDMOS型的功率管有一個(gè)較低的互調(diào)飽和區(qū)，而且走勢(shì)也比較平坦，而雙極型晶體管互調(diào)較高，并且隨著功率電平的增加而變化較為劇烈。互調(diào)好的特性可以使LDMOS晶體管的工作功率高于雙極型晶體管二倍之多，并保持較好的線性，這種特性使得LDMOS型功率管頻率范圍寬，線性度高，使用壽命也較長(zhǎng)，因此特別適和CDMA、WCDMA、TETRA、以及數(shù)字地面電視等的應(yīng)用。當(dāng)然它也存在著一些缺點(diǎn)，如功率密度低和容易受第1章緒論到靜電的破壞等等。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，第三代材料有望能夠突破輸出功率和耐壓的限制，其中研究和進(jìn)展最多的是GAN材料，這是一種高電子遷移率晶體管HEMTHIGHELECTRONMOBILITYTRANSISTOR，已經(jīng)成為第三代半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，其主要優(yōu)勢(shì)是【LI】1、較高的二維電子氣2DEG密度。由于GAN加強(qiáng)了對(duì)2DEG二維限制，使得電子遷移率也得到很大的提高，這樣可以使得晶體管具有高跨導(dǎo)、高飽和電流和高截止頻率的優(yōu)勢(shì)2、較高的溫度。由于GAN的禁帶寬度為34EV，達(dá)到了硅材料的3倍之多，因此可以在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)，都可以很精確的控制自由載流子的濃度，很適合高溫的工作，同時(shí)高的熱導(dǎo)率也可以有效的改善器件的散熱特性，提高功放工作的可靠性；3、較高的功率特性。GAN材料的擊穿電場(chǎng)通常可以達(dá)到4MVCM，這樣可以使得晶體管工作在相當(dāng)高的偏壓下，同時(shí)輸出的功率密度可以達(dá)到10WRAM2，可以有效的減小器件尺寸。如現(xiàn)在的常見的大功率LDMOS型功率管通常的工作漏壓都在28V左右，而現(xiàn)有的GAN功率管通常都可以工作在50V左右。同時(shí)，GAN還有漏源寄生電容較低等優(yōu)點(diǎn)。但是目前GAN的發(fā)展還處于起步階段，價(jià)格昂貴，而且性能提升尚不明顯，還沒有進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。122單管功放電路的發(fā)展單管電路的發(fā)展以傳統(tǒng)的AB類降低導(dǎo)通角模式為基礎(chǔ)，發(fā)展出了很多種開關(guān)電路，如D12131、E14181、F19221和逆F類23261，以及最近提出的J類271等等。這些電路的主要目的都是達(dá)到較高的飽和效率。而實(shí)際上，單管開關(guān)電路是不適合用于基站功放的。原因主要有以下2個(gè)方面1、較窄的帶寬。無線信號(hào)通常具有一定的帶寬，而且隨著通信業(yè)務(wù)量的增加，所需要的帶寬也在增加，因此如F類需要對(duì)諧波進(jìn)行控制的電路，當(dāng)頻率偏離中心頻率時(shí)，效率會(huì)降低。2、功率回退時(shí)的效率仍然較低。現(xiàn)代無線信號(hào)為了充分利用頻譜資源，通常都是需要進(jìn)行幅度調(diào)制，因此信號(hào)通常具有一定的峰均比PARPEAKTOAVERAGERATIO，尤其對(duì)于越來越多的多載波信號(hào)，峰均比會(huì)更高。在放大這樣的信號(hào)時(shí)，為了保證信號(hào)的峰值不會(huì)被過分壓縮并保證一定的線性度，功率放大器的平均輸出功率通常處于較多的回退狀態(tài)下，這時(shí)候功放輸出的平均效率相對(duì)于飽和峰值效率要更重要一些。單管開關(guān)類功放雖然具有較高的峰值效率，但是在小功率的時(shí)候的效率仍然較低，提升并不明顯。4第1章緒論雖然單管電路的單獨(dú)應(yīng)用具有一定的局限性，而在實(shí)際的基站中，如果將其用于功放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，可以利用開關(guān)類功放較高的飽和效率來實(shí)現(xiàn)功放系統(tǒng)電路整體更高的回退效率。如有用開關(guān)類作為DOHEW主功放的設(shè)計(jì)【192831】，也有用開關(guān)類作為ET功放的設(shè)計(jì)【321。123功放系統(tǒng)電路的發(fā)展在實(shí)際的基站中，用的最多的還是功放系統(tǒng)電路。所謂功放系統(tǒng)電路，就是利用兩個(gè)或者更多的晶體管來實(shí)現(xiàn)功率放大功能，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)一些關(guān)鍵性能的提高，如效率增強(qiáng)類技術(shù)【3卅，主要可以分為兩大類L、負(fù)載牽引類。負(fù)載牽引類主要有LINC和DOHEW，這也是本論文其中兩個(gè)研究?jī)?nèi)容，他們都是通過改變負(fù)載阻抗的方式來增強(qiáng)效率。LINC中最關(guān)鍵的兩個(gè)問題是效率提升陋391和支路平衡【404卯。在效率提升方面，QURESHI461等人通過獨(dú)立控制兩條放大支路的調(diào)制器，在大回退功率時(shí)，將兩路功放的異相角度保持恒定，使得LINC在低功率時(shí)工作在B類，以此來改善小功率時(shí)的效率，并通過調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)來優(yōu)化增益、效率和線性化。還有在傳統(tǒng)的L玳C基礎(chǔ)上提出了多層LINCMMLINC的概念并加以實(shí)現(xiàn)【35471，通過設(shè)定功率從高到底時(shí)的最大信號(hào)點(diǎn)，來分級(jí)進(jìn)行異相處理，可以有效的改善小信號(hào)的效率。在改善效率方面最多的還是利用CHIREIX合路器的形式148。53J，方法簡(jiǎn)單，也不需要添加額外的器件和電路。DOHEN，功放從上個(gè)世紀(jì)末到現(xiàn)在一直是功放領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，由于其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，效率改善明顯，已經(jīng)成為了無線基站中應(yīng)用最為廣泛的一種功放形式體61】。但是傳統(tǒng)的DOHE啊功放形式仍然存在很多可以改進(jìn)的空間，有將多個(gè)DOHEN，并聯(lián)形成N路分布式功放的形式【6玉邱J，可以改善高增益和高效率，同時(shí)帶寬也有所增加有將DOHEW的峰值功放采用包絡(luò)跟蹤的形式，以隨著輸入信號(hào)的變化，動(dòng)態(tài)改變峰值功放開啟的形式來改善整體效率；也有將開關(guān)類類功放和ET功放作為主功放來提升DOHEW效率的形式【1928。31】。在提升回退功率方面，為了滿足現(xiàn)代通信信號(hào)越來越高的峰均比，在傳統(tǒng)對(duì)稱DOHEW的基礎(chǔ)上，又衍生出了非對(duì)稱DOHENV【缽65】以及三路和多路DOHEW形式【66。681，這幾種電路形式，都可以增加回退功率，在輸出功率回退更多的時(shí)候提升效率。2、電源牽引類。電源牽引類的功放主要是EER和ET，其中ET也是本文其中一個(gè)研究對(duì)象。EER和ET的工作形式類似，都是通過跟隨輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)的改變漏極供電，來使得功放在每個(gè)輸入功率點(diǎn)上都能達(dá)到飽和，實(shí)現(xiàn)大功率范圍的高效。由于EER的諸多問題U869。，如相位對(duì)準(zhǔn)困難、小功率效率低下、調(diào)相信號(hào)帶寬過寬等，又衍生出了HYBRIDEER類型【7卜陀】。HEER的工作機(jī)制非常接近ET，因此本文也主要以ET作為研究對(duì)象，近期ET成為功放領(lǐng)域的個(gè)研究第1章緒論熱點(diǎn)，是最有希望取代DOHERTY，成為下一代主流的功放模式【731。在ET功放中，研究的熱點(diǎn)問題是時(shí)變漏壓【32,7374鬟J產(chǎn)生和線性化【54,7576，而實(shí)際上這兩個(gè)問題是需要同時(shí)解決的，因?yàn)閷拵д{(diào)制信號(hào)的幅度帶寬通常是較寬的，一般的電源模塊很難進(jìn)行寬帶的放大，針對(duì)這個(gè)問題，JINSEONG77等人提出了對(duì)包絡(luò)信號(hào)降低帶寬再進(jìn)行自適應(yīng)數(shù)字預(yù)失真的辦法，信號(hào)首先經(jīng)過低通濾波器，降低帶寬，然后再利用數(shù)字預(yù)失真的辦法進(jìn)行校正，得到了較好的效果。在線性化方面，ANDINGZHU78】等人根據(jù)動(dòng)態(tài)漏壓的變化范圍過大，提出了一種幅度分階預(yù)失真的辦法，對(duì)于信號(hào)不同幅度等級(jí)的區(qū)域分別進(jìn)行預(yù)失真，這樣可以更精確的模擬ET的大幅度范圍變化，可以比傳統(tǒng)的方法得到更好的效果。124線性化技術(shù)的發(fā)展隨著無線通信的信號(hào)帶寬越來越寬，基站發(fā)射功率越來越高，傳統(tǒng)的功率回退方法不僅效率非常低下，而且已經(jīng)不能滿足線性度的要求。而線性化技術(shù)不僅可以改善功放的線性度，改善基站發(fā)射信號(hào)的質(zhì)量，同時(shí)也能使得功放工作在更高的功率等級(jí)上，這也就意味著間接提高了功放的效率，可謂是雙重改善，因此線性化技術(shù)也成為近期功放系統(tǒng)發(fā)展的熱門課題。功放的線性化方法分為兩大類，電路類和信號(hào)處理類，傳統(tǒng)的電路類主要有功率回退法，前饋法、負(fù)反饋法以及電路預(yù)失真法2356】。這些方法在早期的電路中都有廣泛的應(yīng)用。而后來隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，將預(yù)失真方法從電路域轉(zhuǎn)換到信號(hào)域，也就形成數(shù)字預(yù)失真技術(shù)。數(shù)字預(yù)失真是目前無線通信基站中廣泛采用的一種線性化的技術(shù)，也是本論文的一項(xiàng)研究?jī)?nèi)容。DPD技術(shù)通常只在在數(shù)字域內(nèi)完成信號(hào)預(yù)失真處理的技術(shù)，既可以應(yīng)用在數(shù)字通信的基帶部分，也可以應(yīng)用在射頻部分。在DPD技術(shù)中，有通用的方法，即可以滿足多種功放的線性化要求7985】；也有專屬類，即滿足某一特定功放模式的線性化要求4771，78，婚9，總體來說，實(shí)現(xiàn)方式一般有兩種1、基于射頻功放的非線性參數(shù)模型【78841。對(duì)于功放的建模，有很多方式，如VOLTERRA、記憶多項(xiàng)式以及級(jí)數(shù)模型等。其中VOLTERRA模型可以完整的表達(dá)功放的模型，但是建模較為復(fù)雜，也很難求得反函數(shù)，記憶多項(xiàng)式模式是非線性和記憶模型的通用模型，因此成為了研究的熱點(diǎn)。2、基于查找表方式9293】。這是NAGATA在1989年提出的映射預(yù)失真技術(shù)【94】，通過采用兩張二維預(yù)失真表，通過以輸出信號(hào)查表得方式來實(shí)現(xiàn)預(yù)失真功能。除了這兩種預(yù)失真的實(shí)現(xiàn)方式以外，最近還有采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNSNEURALNE咐ORKS模擬功放行為95母71，如RAWATM等人采用了延遲神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)功放進(jìn)行建模98】，通過對(duì)AB類和DOHERTY的測(cè)試，達(dá)到了很好的效果，同時(shí)這也是第一6第1章緒論次采用自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)失真方法?？傊琍A線性化技術(shù)己成為下一代無線通訊基站發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。不僅可以提高未來無線通信系統(tǒng)的性能，同時(shí)也可以提高功率效率，節(jié)約能源，實(shí)現(xiàn)綠色通信，具有非常重大的意義。因此近年來各大通信設(shè)備供應(yīng)商以及各種研究單位都已經(jīng)積極投入研究，并且技術(shù)也更加多樣化，針對(duì)的功放也更多元化。第2章射頻功放電路設(shè)計(jì)方法研究第2章射頻功放電路設(shè)計(jì)方法研究21引言射頻放大器主要分為兩類，即小信號(hào)放大器和大信號(hào)放大器【2。】。雖然它們的用途都是用于放大信號(hào)，但是由于工作環(huán)境和狀態(tài)的不一樣，使得理論分析、關(guān)注指標(biāo)和設(shè)計(jì)方法都有比較大的差異。小信號(hào)放大器，顧名思義，就是用于放大極其微弱的信號(hào)，通常工作在接收機(jī)的前端，其工作功率通常是微不足道的，較為關(guān)注的指標(biāo)包括增益、駐波、信噪比以及穩(wěn)定性系數(shù)。而大信號(hào)放大器，即功率放大器，通常工作在發(fā)射機(jī)的末端，用于提供較大的功率輸出，在大功率工作狀態(tài)下，較為關(guān)注的指標(biāo)包括輸出功率、效率以及線性度。本論文主要討論的是基站中的功放系統(tǒng)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是建立在單管功放的基礎(chǔ)上，因此在本章中，主要討論和分析單管功放的設(shè)計(jì)方法和理論。在22節(jié)中闡述功放獨(dú)有的“功率匹配”的概念，這也是功率放大器區(qū)別于小信號(hào)的匹配方式，在23節(jié)中介紹放大器的“負(fù)載線理論”，以及晶體管的“負(fù)載牽引”特性。最后在25節(jié)對(duì)本章的工作進(jìn)行總結(jié)。22功率匹配如前所述，放大器的工作環(huán)境和狀態(tài)決定了其設(shè)計(jì)方法的差異性。對(duì)于小信號(hào)放大器，為了更有效的放大較為微弱信號(hào)，獲取較高的增益，通常采用的是共軛匹配的方式CONJUGATEMATCH，即放大器的負(fù)載阻抗值和晶體管的輸出阻抗值成共軛關(guān)系。但是在用于方法大功率信號(hào)的功率放大器中，共軛匹配方式不再適合，需要采用功率匹配POWERMATCH。如圖21所示，將晶體管等效成電流源IGEN，具有輸出阻抗RCEN，這里簡(jiǎn)化分析，設(shè)為實(shí)數(shù)，也就是輸出阻抗為純組狀態(tài)。那么根據(jù)共軛匹配的要求，當(dāng)輸出匹配負(fù)載RLOAD等于IKEN的時(shí)候，晶體管可以產(chǎn)生最大的增益。上述的分析都是在理想情況下，晶體管的物理電參數(shù)限制并沒有考慮在內(nèi)。實(shí)際上每個(gè)晶體管在輸出信號(hào)時(shí)，都存在最大電壓VM積和最大電流IM。在大信號(hào)功率放大器系統(tǒng)中，功放晶體管的功率等級(jí)是昂貴的資源，為了不造成浪費(fèi)，負(fù)載阻抗的選擇不能根據(jù)最大增益，而要根據(jù)最大輸出功率的要求。如果采用共軛匹配，輸出形式如圖21中RGENRLOAD的負(fù)載線，當(dāng)電壓己經(jīng)達(dá)到飽和VM。X時(shí)，電流并沒有達(dá)到最大值IM戤，因此在共軛匹配的條件下，晶體管的最大輸出能力降低。為了更有效的利用最大電流和最大電壓，需要降低匹配電路的負(fù)載阻第2章射頻功放電路設(shè)計(jì)方法研究抗值，這樣可以根據(jù)晶體管電參數(shù)V呦X和IM瓠，在功率匹配方式下負(fù)載RLOAD的最優(yōu)值IBPT【35】埤譬2IRGENROPTL徽、IIGENRLOADVM4X圖21共軛匹配與負(fù)載線匹配以上簡(jiǎn)單分析了共軛匹配和功率匹配在實(shí)際設(shè)計(jì)中的區(qū)別。簡(jiǎn)單的來說，共軛匹配只適用于器件沒有極限電流電壓性能限制的情況，或者說對(duì)輸出功率沒有限制的環(huán)境中，而功率匹配適用于大功率下電流電壓輸出存在較多限制的情況。為了觀察晶體管在兩種匹配方式下的表現(xiàn)差異，下面對(duì)某一款功率管分別進(jìn)行共軛匹配和功率匹配兩種方式的仿真驗(yàn)證，AMAM特性結(jié)果如圖2。2所示。圖中橫軸表示輸出功率，縱軸表示增益，藍(lán)色曲線代表的是在共軛匹配方式下的增益曲線，紅色曲線代表的是在功率匹配方式下的增益曲線。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，功率匹配的方式在相同的輸出功率等級(jí)下，雖然增益較低，但是具有較高的飽和輸出能力，即PIDBPIDB是放大器一分貝壓縮點(diǎn)功率，表征放大器的輸出功率的能力。實(shí)際上，非最優(yōu)阻抗也存在一定的應(yīng)用環(huán)境，雖然在非最優(yōu)阻抗下不能夠達(dá)到晶體管的某些特性，但是可以利用這種輸出功率隨著阻抗變化的特性來實(shí)現(xiàn)一定的功能，如第四章中的DOHERTY功放就是利用了晶體管在非最優(yōu)阻抗下可以實(shí)現(xiàn)飽和功率回退的現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)回退效率提升。從圖21和圖22中，我們也看出了晶體管存在著這樣一種特性，就是飽和輸出功率會(huì)隨著阻抗的變化而變化，這種現(xiàn)象被稱為負(fù)載牽引特。T牛LOADPULL，就是晶體管的輸出特性被負(fù)載阻抗所“牽引“著變化。下面就來分析晶體管的這種特性。10第2章射頻功放電路設(shè)計(jì)方法研究刁C門。圖22相同晶體管在共軛匹配和功率匹配下的輸出增益曲線23負(fù)載線理論和負(fù)載牽引特性在上一節(jié)中，定性地分析了功率放大器設(shè)計(jì)時(shí)的基礎(chǔ)出發(fā)點(diǎn)，即功率匹配，也可以發(fā)現(xiàn)功放的輸出性能隨著負(fù)載阻抗有著一定的變化關(guān)系，在這個(gè)基礎(chǔ)上，本節(jié)再通過定量地分析功率放大器負(fù)載線理論，導(dǎo)出放大器的負(fù)載牽引特性，這也是放大器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要的工具。利用場(chǎng)效應(yīng)管FETFIELDEFFECTTRANSISTOR建立的放大器電路模型如圖23所示。場(chǎng)效應(yīng)管是一個(gè)強(qiáng)烈的非線性器件，在一般情況下可以等效成一個(gè)“壓控電流源”，這種等效的方式是由FET的輸入輸出特性決定的。圖24所示的是FET的輸出特性曲線族，實(shí)際的FET在漏極具有一定的開啟電壓VKNE。，這里先忽略其影響，即假設(shè)VKNEE虧年50Q900萬一卜354Q9050QTO一L年50Q900占H卜_B，A圖318加入調(diào)節(jié)微帶線的LINC放大電路圖319掃描調(diào)節(jié)線角度T時(shí)，兩個(gè)交點(diǎn)在BB面顯示出的阻抗50Q第3章LINC功放匹配方法研究在圖320中，代表回退功率的阻抗點(diǎn)ZM2BB仍然離效率頂點(diǎn)較遠(yuǎn)，效率并沒有得到最大的改進(jìn)，因此這里需要進(jìn)一步的優(yōu)化。通過上面的分析，我們知道ZMLBB代表的是飽和輸出功率點(diǎn)的阻抗，對(duì)于用來放大具有一定峰均比信號(hào)的功放來說，功率回退時(shí)的效率通常要比功率飽和時(shí)的效率重要，而飽和點(diǎn)所關(guān)注的通常只是飽和功率的大小。在圖320中，ZNL2BB離效率頂點(diǎn)較遠(yuǎn)的一個(gè)原因，就是ZML的位置，由于兩路功放在設(shè)計(jì)匹配電路時(shí)，需要綜合考慮了輸出功率和輸出效率兩個(gè)指標(biāo)，因此就必須把匹配電路匹配到效率等高線頂點(diǎn)和功率等高線頂點(diǎn)中間的位置【4巧】。那么如果能改變單管功放的匹配電路，使得匹配到最大輸出功率，而忽略效率，也就是可以將圖320中的ZMLBB移動(dòng)到功率等高線的頂點(diǎn)，也就是圖中兩條阻抗相交線整體往左上移動(dòng)，這樣，ZIIL2BB就會(huì)更加靠近效率頂點(diǎn)，如圖32L所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)單管功放匹配到了功率頂點(diǎn)，即ZMBB移動(dòng)到功率等高線的頂點(diǎn)時(shí)，ZM2BB離效率頂點(diǎn)也更近了。圖320選擇合適的T后，功放的等高線和功放看到的阻抗的比較第3章LINC功放匹配方法研究圖32L單管功放匹配到功率頂點(diǎn)之后的LINC阻抗比較輸出功率DBM】圖322采用新匹配方法的LINC和平衡式AB類效率仿真結(jié)果對(duì)比40第3章LINC功放匹配方法研究以上述的方法為指導(dǎo)，加入調(diào)節(jié)微帶線和改變單管功放的匹配，再仿真連續(xù)波的效率，和平衡式AB類對(duì)比，可以得到如圖322所示的結(jié)果。和圖315所示的結(jié)果相比，LINC在功率回退的時(shí)候，效率得到了較大的提升。344測(cè)試結(jié)果和分析以上述的分析和仿真為基礎(chǔ)，為了驗(yàn)證新方法的有效性，這里設(shè)計(jì)并加工了一套LINC的功放模塊，如圖323所示。其中功率管模型采用EUDYNA公司的EGN21090型號(hào)，功率頻率在21GHZ，飽和輸出功率為90W?；宀捎肦OGERS4350材料，介電常數(shù)為348，厚度為30MIL。在測(cè)試過程中，為了更精確的設(shè)定兩個(gè)功放輸入信號(hào)的相位差，這里使用一種特殊的信號(hào)源，可以產(chǎn)生兩路射頻輸入信號(hào)，而且輸入信號(hào)的功率和相對(duì)相位差是可以人工調(diào)節(jié)的，然后掃描這個(gè)相位差，就相當(dāng)于掃描輸入信號(hào)的功率等級(jí)，通過這樣的方法來實(shí)現(xiàn)功率掃描。測(cè)試的頻率基于功率管的工作頻率，選擇WCDMA頻段的3個(gè)頻點(diǎn)，即211GHZ、214GHZ和217GHZ。這三個(gè)頻點(diǎn)的效率測(cè)試結(jié)果如圖324所示，測(cè)試結(jié)果和圖322的仿真結(jié)果比較接近，證明了這種方法的有效性。觀察圖324所示的效率曲線，當(dāng)輸出功率從飽和狀態(tài)回退過渡時(shí)，經(jīng)歷了2個(gè)過程，首先是效率有略微的上升，然后再開始下降。這種現(xiàn)象可以結(jié)合圖321中的負(fù)載牽引圖來分析。首先圖321中的ZMLBB，是功率飽和點(diǎn)，Z1112黜B是功率回退點(diǎn)，當(dāng)輸入信號(hào)從飽和開始回退時(shí)，兩路功放的負(fù)載阻抗都會(huì)經(jīng)過效率等高線的頂點(diǎn)位置，而這附近是效率較高的，因此也就形成了圖324中的效率頂點(diǎn)處于一定的功率回退位置上。然后隨著輸入信號(hào)更多的回退，功放看到的阻抗離效率頂點(diǎn)越來越遠(yuǎn)，因此效率再持續(xù)下降。345新匹配方法的優(yōu)勢(shì)一易實(shí)現(xiàn)性對(duì)于功放工程師來說，在功放的設(shè)計(jì)和制作中，較難的一步是調(diào)試的過程。在調(diào)試匹配電路的時(shí)候，通常要兼顧很多指標(biāo)和因素，最重要的是效率和功率。在一般的AB類功放中，既要達(dá)到最大的功率輸出，又要達(dá)到較高的效率，就要把功放的匹配阻抗匹配到功率和效率等高線頂點(diǎn)的中央位置，如圖319中的ZMLBB位置，這個(gè)過程是比較難以控制的，因?yàn)閷?duì)于大功率器件來說，隨著功率等級(jí)的上升，功放的最優(yōu)阻抗ROPT會(huì)越來越小，只有幾個(gè)歐姆的量級(jí)，匹配略微的變化也會(huì)使得匹配阻抗發(fā)生較大的飄移。在本節(jié)提出的新方法中，在這個(gè)問題上實(shí)現(xiàn)了一定的簡(jiǎn)化，也就是功率匹配4L第3章LINC功放匹配方法研究圖323功放和CHIREIX合路器電路版圖輸出功率D8M】圖324LINC和平衡式AB類的效率測(cè)試結(jié)果對(duì)比第3章LINC功放匹配方法研究和效率匹配的分離，作為兩個(gè)步驟調(diào)節(jié)，而不需同時(shí)滿足最優(yōu)，這兩個(gè)步驟為1、調(diào)節(jié)每個(gè)功放的匹配電路，使得功放輸出最大功率，無需兼顧效率。也就是將單管功放的匹配電路匹配到功率的頂點(diǎn)位置，如圖321中的ZMLBB位置；2、調(diào)節(jié)附加的調(diào)節(jié)微帶線，使得LINC在輸出功率回退的時(shí)候，達(dá)到最優(yōu)的效率，而這一步就是將回退功率的阻抗匹配到圖321中的ZM2BB位置。從以上的過程描述可以看出在調(diào)試的過程中，不用兼顧效率和功率，這樣的分離過程可以使得調(diào)試更容易理解，也更簡(jiǎn)單。35總結(jié)本章對(duì)“負(fù)載調(diào)制”類效率增強(qiáng)技術(shù)中的第一種功放LINC功放提升效率的方法進(jìn)行了研究，在分析了CHIREIX合路器的阻抗特性的基礎(chǔ)上，提出了一種改善LINC回退效率的方法，本章的工作可以總結(jié)為1、分析并建立了LINC中功放和CHIREIX合路器聯(lián)合時(shí)的阻抗模型，通過分析其等效電路，得到了在合路時(shí)的相位負(fù)載牽引特性；2、提出了改善LINC回退效率的匹配方法。通過對(duì)相位負(fù)載牽引特性的分析，得到了當(dāng)兩路功放在掃描初始相位差時(shí)，看到的阻抗特性，即存在兩個(gè)交點(diǎn)，一個(gè)是同向合成點(diǎn)，是由50歐姆通過匹配電路變換得到，代表著功放飽和時(shí)的負(fù)載阻抗，一個(gè)是異相合成點(diǎn)，代表著功放回退時(shí)的負(fù)載阻抗。通過引入一段50歐姆的微帶調(diào)節(jié)線，既可以不影響飽和功率的匹配過程，也可以通過調(diào)節(jié)這段微帶線來將第二個(gè)交點(diǎn)移動(dòng)到離效率頂點(diǎn)較近的位置，來改善回退效率。3、驗(yàn)證了新方法的有效性和簡(jiǎn)易性。根據(jù)理論分析和仿真模型，制作并測(cè)試了新方法電路，測(cè)試結(jié)果證明了新方法的有效性，同時(shí)調(diào)試過程也得到一定的優(yōu)化，和傳統(tǒng)的調(diào)試方法，降低了一定的調(diào)試的復(fù)雜度。43第4章DOHERTY功放回退功率優(yōu)化的匹配方法第4章DOHERTY功放效率優(yōu)化的匹配方法41引言和第三章中的LINC功放一樣，DOHERTY功放也是最早在1930S1031被提出來，由貝爾實(shí)驗(yàn)室的WHDOHERTY提出來并以他的名字命名，電路最初應(yīng)用于真空管中，可以提高傳統(tǒng)振幅調(diào)制的效率。之后一直到上個(gè)世紀(jì)末，DOHERTY技術(shù)都沒有引起關(guān)注，直到近些年將其引入微波領(lǐng)域之后，其簡(jiǎn)單的電路模式，明顯的效率提升，都體現(xiàn)出了較高的潛力，因