宽带射频发射机线性化技术与杂散抑制技术的研究

摘要

为了满足高速率数据和多媒体业务迅速增长的需求，现代移动通信系统在拓展信号带宽的同时采用了频谱效率更高的调制方式。这样，无线信道中传输的信号就具有宽带和高峰均比的特性。另一方面，随着信道数量的增加，系统对邻道干扰的要求也在不断提高。此外，由于各种无线通信系统不断涌现，电磁兼容问题变得越来越严重，因此对射频发射信号的带外杂散也提出了越来越高的要求。所有这一切都对发射链路的线性度和带外抑制度提出了严峻挑战。影响发射链路线性度的主要部件是射频功率放大器，而带外杂散的抑制往往是通过滤波器实现。本文针对现代无线通信系统的要求，主要研究了高功率射频功率放大器的宽频带线性化技术和抑制带外杂散的宽阻带带通滤波器。论文的主要工作如下：
　　 ⑴高功率前馈线性化功率放大器的性能取决于环路的幅度、相位及延时的匹配精度，其中时延的失配是影响线性化带宽的决定性因素。针对误差抵消环宽频带内时延波动对系统性能的影响，从理论角度分析了误差抵消环时延波动产生的原因，提出了时延波动与电路参数的定量关系，利用电路仿真验证了理论计算的正确性。在此基础上，提出了增加隔离单元减少时延波动的方法。仿真和实验结果表明该方法可以在100MHz范围内将时延波动降低到原来的十分之一，从而为功率放大器宽频带线性化技术奠定了基础。
　　 ⑵针对自适应前馈线性化系统中的误差检测问题，提出了双边带导频注入的方法，在宽频带中有效地兼顾了上下边带的互调分量。在此基础上，提出了正交解调的双边带导频检测方法，从理论上验证了该方法相对于普通的下变频而言检波幅度不受双边带导频的相差和频差影响。实验结果表明，采用该方法可以有效检测相对-65dBc以下的互调分量。
　　 ⑶应用前述方法，针对第三代移动通信中的W-CDMA系统，设计并实现了包括大功率射频功放和前馈环路在内的前馈功放系统、双边带导频产生及检测电路、自适应控制算法和硬件电路。整机测试表明，在输出功率为40dBm时，对于频率间隔为20MHz的双音信号，互调改善度为27dB。对于高峰均比的四载波W-CDMA信号，邻道泄露(ACLR)指标的改善度达17dB以上。
　　 ⑷针对实际应用中CDMA功放输出功率范围较大，低输出功率时效率低的情况，在研究预失真器非线性特性的基础上，提出了根据输出功率联合调整功放偏置电压和预失真器控制电压的方法。实验结果表明，该方法可以在满足协议指标要求的基础上，改善线性指标并提高效率。在此基础上设计并实现了输出功率为42dBm的cdma2000功放，互调改善大于10dB，单载波ACPR性能改善5～7dB。针对反向并联二极管预失真器中主信号对消的问题，给出了残余主信号与电路参数的关系式并指导设计，验证了端口反射系数与主信号对消的关系。在此基础上设计并实现了输出功率为41dBm的W-CDMA功放，互调改善大于10dB，双载波ACPR性能改善5～7dB。所有功放指标满足标准要求。
　　 ⑸针对宽频带大功率应用场合功放的记忆效应，提出了采用在漏极加载低阻终端并结合最佳电流偏置的方法降低射频功放的记忆效应。在此基础上，设计并制作了3.5GHz，峰值功率为40dBm的射频功率放大器，根据实验数据采用记忆多项式和人工神经网络对该放大器进行了行为级建模。实验结果表明对于所设计的低记忆功放，简单的模型就可以获得很高的建模精度，从而验证了方法的有效性。此外，针对多载波信号输入条件下功放行为级模型记忆长度的预测问题，提出了选用最佳时延并结合Cao方法估计功放记忆长度。实验结果验证了该方法的准确性。
　　 ⑹针对带外杂散的抑制，研究了宽阻带带通滤波器。针对微带双膜滤波器中二次谐波的不利影响，从增加耦合度和改善谐波抑制度的角度出发，提出了一种新型的滤波器耦合结构。实验结果表明，该结构具有紧耦合和抑制二次谐波的特性，通带内插入损耗为0.92dB，二次谐波抑制度在45dB以上。将所设计的单环双模滤波器进行级联，可以进一步改善滤波器的频率选择性和阻带特性。针对级联双膜滤波器中的杂散响应，提出了通过调整两个单环滤波器的零点位置抵消各个杂散响应的方法。实验结果表明，应用该方法可以在得到陡峭的过渡带的同时，在宽频带内保持良好的杂散抑制特性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪 论

1.1研究背景

1.2研究现状

1.2.1反馈法线性化技术

1.2.2前馈法线性化技术

1.2.3预失真线性化技术

1.2.4功率放大器的记忆效应和模型

1.2.4微带双模滤波器

1.3论文的结构和主要工作

参考文献

第二章前馈线性化功率放大器系统设计

2.1技术指标和基本原理

2.2环路参数对系统性能的影响

2.2.1信号对消的基本条件

2.2.2环路平衡的基本条件

2.2.3输入耦合器1的选择

2.2.4主功放输出耦合器2的选择

2.2.5误差抵消耦合器4的选择

2.2.6误差放大器的的选择

2.3前馈线性化放大器的系统仿真

2.4小结

参考文献

第三章基于导频的前馈线性化系统的研制

3.1信号抵消环(环路1)的设计

3.1.1可控衰减器的设计

3.1.2可控相移器的设计

3.1.3信号抵消环的测试结果和分析

3.2误差抵消环(环路2)的设计

3.2.1时延失配对环路2性能的影响

3.2.2环路2时延失配的改善

3.2.3误差抵消环的测试结果和分析

3.3双边带导频(DSP)的产生及检测

3.3.1基于导频的前馈系统的实现方案

3.3.2双边带导频产生电路的设计

3.3.3双边带导频产生电路的实测结果

3.3.4双边带导频的检测

3.4自适应控制电路的硬件实现

3.4.1自适应优化算法的基本原理

3.4.2前馈环路自适应控制的硬件实现

3.4.3前馈环路自适应控制的测试结果

3.5前馈线性功率放大器的整机测试结果

3.6小结

参考文献

第四章射频预失真功率放大器系统设计

4.1预失真放大器的基本原理

4.2预失真器的系统方案选择

4.2.1预失真器的数学模型

4.2.2简单预失真器的基本形式及特点

4.2.3带环路预失真器的基本形式和特点

4.3预失真放大器的中非线性功放性能仿真

4.4于是真器的中三阶失真发生器的方案选择及性能仿真

4.4.1非线性分量的产生

4.4.2主信号分量的抑制

4.5预失真放大器的误差分析与及性能验证

4.5.1三阶预失真器幅度和相位误差对线性化性能的影响

4.5.2仿真结果

4.6小结

参考文献

第五章射频预失真功率放大器电路实现

5.1 CDMA2000功率放大器的研制

5.1.1 CDMA功率放大器的技术指标

5.1.2偏置电路的设计

5.1.3匹配电路的设计

5.2 CDMA2000预失真器的研制

5.2.1预失真电路的设计与实现

5.2.2预失真电路特性的仿真结果

5.3 CDMA2000预失真器功率放大器的测试结果

5.3.1互调测试的结果

5.3.2谱信号测试的结果

5.3.3动态偏置测试的结果

5.4 W-CDMA功率放大器的研制

5.4.1 W-CDMA功率放大器的技术指标

5.4.2偏置电路的设计

5.4.3匹配电路的设计

5.5 W-CDMA预失真器的研制

5.5.1预失真电路的设计与实现

5.5.2预失真电路特性的仿真结果

5.6 W-CDMA预失真器功率放大器的测试结果

5.6.1互调测试的结果

5.6.2谱信号测试的结果

5.7小结

参考文献

第六章射频功率放大器模型及记忆效应

6.1 3.5GHz WiMAX功率放大器的研制

6.1.1 WiMAX功率放大器的系统仿真

6.1.2WiMAX功率放大器的电路设计

6.2.3实验结果

6.2 3.5GHz功率放大器的行为级模型

6.2.1测试信号的产生

6.2.2记忆多项式模型

6.2.3时延神经网络(TDNN)模型

6.3射频功率放大器的记忆长度预测和模型简化

6.3.1射频功放记忆效应的改善

6.3.2射频功放记忆长度的预测

6.3.3实验结果

6.4小结

参考文献

第七章微带双模滤波器的研究

7.1方环谐振器的基本特性

7.1.1方环谐振器的基本模式和电流分布

7.1.2方环谐振器的等效模型及电流分布

7.2双模方环谐振器的基本特性

7.2.1双模方环谐振器的基本原理

7.2.2双模方环谐振器模式间的耦合

7.2.3方环谐振器与端口的耦合

7.3采用U形DGS结构双模滤波器

7.3.1 U形DGS的特性

7.3.2 U形DGS的特性

7.4采用改进耦合结构的双模滤波器

7.4.1改进型耦合结构的基本原理

7.4.2具有改进型耦合结构双模滤波器

7.4.3改进型耦合结构加工误差的考虑

7.4.3实验结果

7.5级联双模滤波器

7.5.1阶跃阻抗谐振器的谐波特性

7.5.2采用阶跃阻抗谐振器和改进型耦合结构的双模滤波器

7.5.3采用阶跃阻抗谐振器和改进型耦合结构的双模滤波器

7.5.4实验结果

7.6小结

参考文献

结论与展望

致谢

作者及其成果简介