杭州电子工业学院学报
第24卷第6期2004年12月
JOURNALOFHANGZHOUINSTITUTEOF
ELECTRONICENGINEERING
Vol.24,No.6
Dec.2004
一种模拟预失真线性化射频放大器
李宏斌1,刘辉2,官伯然1
(1.杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州310018;2.西安电子科技大学,陕西西安710071)
摘要:通信技术的发展带动了高线性射频放大器的需求,改善线性的方法通常有功率回退法、反馈法、前馈法和预失真法。预失真法与其它方法相比有其自身的优点而受到设计人员的青睐。文中设计了一种反向并联二极管结构的预失真器,并同时采用复增益控制调节器对Agilent公司的放大器ATF34143进行预失真线性化仿真。仿真结果表明在1.9GHz频段,三阶互调失真减小了45dBc。关键词:预失真;线性化;射频放大器
中图分类号:TN722.1+6文献标识码:A文章编号:1001-9146(2004)06-0008-04
0引言
在各种放大器线性化方法中,预失真法是一种低成本,同时又能达中等程度要求的线性化方法。与
前馈放大器相比,它具有低功耗、电路简单的特点[2]。由于它本身就是开环结构,所以能提供比反馈放大器更宽的带宽[2]。本文采用的预失真器,电路结构简单,尺寸小,只使用无源器件。同时又能满足一般应用的要求,具有很好的实用价值。
1放大器的非线性
射频放大器的设计必须考虑宽带稳定性和高增益的成本,因此射频放大器的设计必须权衡线性与效率。对于工作在大信号状态下的AB类、C类放大器,在1dB压缩点附近会出现增益压缩现象。图1所示为分别为ATF34143的输出功率随输入功率变化图和增益变化图。
从图1中可以看出当输入功率达到6dBm时,放大器进入饱和状态。简单的方法是采用功率回退法,使放大器工作在远离1dB压缩点处来达到线性的要求。但这是以放大器功效的损失为代价的。如果放大器的输入是线性调制信号或是多载波信号,则输出会产生互调失真,其中最为严重的是三阶互调失真(IMD3)分量。
放大器的非线性特性主要包括两个方面:幅度-幅度(AM-AM)失真变换和幅度-相位(AM-PM)
收稿日期:2004-06-25
作者简介:李宏斌(1979-),男,陕西宝鸡人,在读研究生,微波通信.
第6期李宏斌等:一种模拟预失真线性化射频放大器9
图1ATF34143输出功率随输入功率变化图和增益变化
失真变换。功率放大器的输出功率压缩现象就是AM-AM变换造成的,AM-PM变换则导致输出信号相位随输入信号幅度的变化而变化。通常放大器的非线性特性可以用网络分析仪来测量放大器的AM-AM和AM-PM失真曲线来描述。图2是仿真得到的ATF34143的AM-AM和AM-PM特性曲线图。
图2ATF34143AM-AM和AM-PM失真曲线
从图2中可以看出随着输入功率增加幅度和相位都出现失真现象,尤其在接近1dB压缩点时开始明显恶化。
对放大器的非线性分析有很多数学模型,常用的非线性功率放大器数学模型有Talor级数、Saleh函数、Volterra级数、广义幂级数等,最简单、最直观的方法就是Talor级数法。设放大器为无记忆系统,输入为Vin(t),则输出可表示为:
Vout(t)=nKnVnin(t)=1
(1)
2反向并联二极管对预失真原理
二极管是一种非线性半导体器件,对应输入信号,例如一个余弦信号,二极管的输出是包含了非线性失真分量的余弦信号。利用二极管的这种特性,构建了一种反向并联二极管预失真器,如图3所示。图3中两个反向并联的二极管用来产生奇次谐波分量,经180!正交电桥的隔离端4输出。理想的3dB正交桥耦合端2的电阻是用来消除二极管对反射输出
图3反向并联二极管预失真器
信号中残留的线性分量。电容用来补偿二极管对的电抗。正交电桥也能使输入输出达到良好的匹配。
10杭州电子工业学院学报2004年对于理想的3dB正交电桥,输入信号等分、正交的传送到耦合端和直接输出端,隔离端没有输出。设正交桥的端口1输入为Vi(t),则直接输出端3的输出即相对于反向并联的两个二极管系统输入为:
90!Vdi(t)=Vi∀t+#/2二极管的特性方程为:
I=Is(e(VA-IRs)-1)
压,这里VA=Vdi(t),在小偏置电流下可忽略式3中的附加项IRs可以省略。输入电流i(t)为:
i(t)=Is[eVA-e-用Talor级数展开:
n VA(-VA)nV3V5AA
i(t)=Isn=2IsVA+++∃(5)=0n!n=0n!3!5!
因为三阶分量是对放大器非线性影响最大的因素,为了分析方便,只取到3次方项就可以了。这时
(2)(3)
式3中,Is是反向饱和电流,主要受温度的影响,在一定温度下可视为恒定值;VA为二极管外加电
V
A
](4)
二极管对可看作为单端口网络,其导纳为:
2
(6)Yd(t)=i(t)%Y0+aV2A%Y0+aVdi(t)Vdi(t)
2Is式6中,Y0=2Is,a=。这时端口3的反射系数3=f(V2di(t)),同理2端口的反射系数4=g3!
(R,C)则在4端口的反射输出为VH,out=3Vdi(t)-4Vdi(t)。式中第二项的负号是电桥端口反射特
性决定的。适当的调整R和C的值,正交电桥的隔离端输出就是我们期望的失真信号。
VH,out=mV3di(t)
式7中,m为常数。将式7代入式1中,可以看出VH,out经放大器放大后只有奇次分量。
(7)
3仿真实现
本文对反向并联二极管预失真系统用ADS进行了仿真研究,其中放大器的模型采用的是Agilent公司的ATF34143的封装模型,二极管采用Agilent公司的HSMS2820。输入为双音功率源,其频率间隔为300kHz。其中的复增益控制调节器用于控失真信号VH,out的幅度和相位,其优化标准是使得整个系统三阶和五阶IMD最小。
图4预失真前和预失真后三阶互调分量变化
图4所示是双音测试仿真结果。由于优化权重三阶高于五阶,仿真结果表明使放大器线性度恶化最为严重的三阶互调失真分量得到很好的抑制,并且五阶失真分量也有一定程度的抑制。
第6期李宏斌等:一种模拟预失真线性化射频放大器11
4结束语
本文采用反向并联二极管预失真器对Agilent公司的一款放大器ATF34143进行仿真研究。利用反向并联二极管的特性,很好的对消了放大器失真的奇次分量,尤其是三阶互调失真分量。在仿真中发现,频带宽度增大时预失真器的两个三阶互调分量将会不平衡。从而使得放大器输出中的两个频率点三阶分量改善度不同,应该通过增加补偿电路,对这一现象进行修正,从而使这种预失真放大器能够运用于更宽的频带。
参考文献
[1]JSKenney,ALeke.DesignconsiderationsformulticarrierCDMAbasestationpoweramplifiers[J].1999,42(2):76-83.[2]TNojima,TKonno.Cuberpredistortionlinearizerforrelayequipmentin800MHzbandlandmobiletelephonesystem[J].IEEE
Trans.Veh.Technol,1985,VT(34):169-177.
[3]RedinholdLudwig,PavleBretchko.RFCircuitDesign:TheoryandApplications[M].Beijing,PubishingHouseofElectronics
Industry,2002.181-205.
[4]廖承恩.微波技术基础[M].西安,西安电子科技大学出版社,1994.268-287.
[5]PeterB.Kenington.High-LinearityRFAmplifierDesign[M].London,ArtechHousemicrowavelibrary,2000.351-423.
AnAnalogPredistortionLinearizerforRFAmplifier
LIHongbin1,LIUHui2,GUANBoran1
(1.SchoolofElectronic&Information,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018China;
2.XidianUniversity,Xin&anShanxi710071China)
Abstract:Thedevelopmentofcommunicationtechnologyhascreatedamoredemandofhigh-linearityRFamplifi
er.Usuallypowerbackoff,feedback,feedforwardandpredistortionareusedtoimprovelinearityofamplifierandpredistortioniswelcomeforitsmanyvirtues.Wehavedevelopedananti-paralleldiode-basedpredistorterandusedcomplexgaincontroladjustortolinearizeATF34143,aamplifiermanufacturedbyAgilentTechnologies,Inc.Theresultofsimulationexperimentsshowsthattheodd-orderintermodulationdistortions(IMDS)arecancelledtoagreatextent,especiallythethirdintermodulation(IM3)reaching45dBc.Keywords:predistortion;linearization;RFamplifier
