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《中国科学技术大学》 2010年
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无线通信基站中的功率放大器研究

倪涛  
【摘要】: 射频功率放大器(Power Amplifier)是无线通信基站发射机中的重要器件,处在发射机的末端,直接连接天线发射功率,而PA又是基站(Base Station)中非线性失真最高的器件,因此其线性度直接影响基站的发射性能和用户的通信质量。同时PA也是基站中消耗电能最高,产生热量最多的器件,其工作效率也会影响基站整体的功耗、稳定性以及温度。在无线频谱资源日益拥挤和全球倡导绿色通信的今天,PA的线性化技术和效率增强技术也已经成为无线基站的关键。但是目前在这两大类技术中,还有很多的实际问题需要解决。本文紧密围绕着功放系统电路的实际应用,就现有的三类功放电路中的线性度和效率问题,展开了相关的分析和探讨。 论文首先对PA常用的分析方法,包括线性度和效率,进行了叙述和归纳。功率放大器在设计时区别于小信号放大器的关键是功率匹配,在此基础上,分析了满足PA最大输出能力时的最优匹配阻抗和晶体管电参数的关系。然后阐述了晶体管由非最优负载阻抗引出的牵引特性等高线,这也是功放在设计匹配方法时的重要工具。最后分析了功放的非线性失真分析时采用的数学模型。 论文的第三、四、五章分别针对两大类“效率增强技术”中的三种功放模式,即LINC(LInear Nonlinear Components)、Doherty和ET(Envelope Tracking),进行了分析和研究: 1、LINC功放属于第一类“效率增强技术”—负载调制类。LINC功放的效率关键是合路器的设计。在LINC的各种合路器中,Chireix合路器由于不存在隔离电阻,没有损耗,可以带来较高的效率,因此作为讨论和设计的对象。文中对Chireix合路器中的有源相位负载牵引进行了详细的分析,利用功放的负载牵引等高线分析得到了Chireix合路器的输入阻抗特性,并在此基础上提出了一种连接PA和Chireix合路器的匹配方法,可以达到输出功率和回退效率的最佳。实际的设计和测试结果也证明了该方法在改善效率方面的有效性,同时匹配的方法也较为简单。 2、Doherty功放也属于第一类负载调制类,和LINC功放不同的是,Doherty的负载牵引属于功率类牵引。Doherty虽然是现在无线基站中的主流,但是实际的设计却存在较多的问题。本文针对一般的Doherty功放在设计时没有达到足够回退量的问题,分析了开启电压Vknee的影响,并在分析的基础上,提出了一种改进的方法,通过提高主功放在功率临界点以前的阻抗,来达到足够的回退量,同时电路参数也做了相应的变化。仿真的结果显示新方法的简单和有效性。 3、ET功放属于第二类“效率增强技术”—电源调制类,和负载调制类技术不同的是,ET功放是通过改变小信号时的电压来实现效率的改善。ET特殊的时变漏压工作模式,造成了其线性度的恶化,并且使得传统的记忆多项式(Memory Polynomial)模型的数字预失真(Digital Pre-Distortion)算法校正存在一定的困难。文中首先分析了时变漏压对PA工作时的电路参数产生的影响,尤其是处于功率管管脚根部的漏源寄生电容,随着漏极静态电压而变化,使得匹配发生改变。然后在此分析的基础上对传统的记忆多项式模型进行了相应的改进,加入了当前时刻和记忆时刻的交叉项。仿真结果显示,新模型在高功率、低功率以及多载波状态下都可以有效的改善DPD校正的效果。
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