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射频功率放大器包络跟踪技术研究

张经纬  
【摘要】:当代通信技术的发展,多载波、高峰均比的调制信号应用越来越广泛。为了满足高峰均比输入信号的线性度要求,一般采用功率回退技术,将输出功率回退至低效率区域,这样就使得射频功放的效率下降很多。包络跟踪技术能够保证功放线性度的情况下提高功放效率,是近几年功放技术的一个研究热点。本文主要研究包络跟踪技术,对相关包络信号的处理做了细致的分析和仿真,重点对包络跟踪技术的核心—包络跟踪器的拓扑,原理以及设计方法进行了讨论。首先,包络信号的成形处理是包络跟踪技术的第一步。本文从原理出发,分别对削峰技术、包络成形技术以及包络降带宽技术进行了讨论和分析,并用仿真证明了三种技术行之有效。接下来,本文重点分析了包络跟踪器的原理和设计方法。首先,对于buck单变换器为拓扑的包络跟踪器,从数学原理入手,提出了以4阶贝塞尔低通滤波器传递函数作为整体数学模型,最大程度的抑制相位失真,并对线性控制部分进行优化设计,使得电路参数的容差性增强,仿真表明,线性控制的buck包络跟踪器效率可达77%。针对线性控制方法存在的瞬态响应慢,延迟较大等缺点,本文又讨论了滑模变结构控制的buck包络跟踪器,重点分析了二阶滑模变结构控制和交错并联buck结构的数学原理和电路参数的选择。仿真表明,滑模变结构控制的buck包络跟踪器响应快,效率高。若仅以开关变换器为拓扑设计包络跟踪器,跟踪带宽始终难以扩展。基于跟踪带宽的扩展,本文研究了线性加buck并联的混合型包络跟踪器拓扑,并对其进行了仿真验证。设计了峰值功率为9W的小功率混合型包络跟踪器,以加偏置电压的正弦信号作为输入包络信号对其进行实验验证,效率可达74%。又设计了峰值功率为112W的中等功率混合型包络跟踪器,同样以加偏置电压的正弦信号作为输入包络信号对其进行实验验证,平均效率最高为70.8%。最后,本文对包络跟踪系统进行了仿真验证。以恩智浦公司的BLP7G22-10晶体管设计AB类功放,在ADS中建立仿真模型,在输出功率相等的情况下,以8倍过采样的WCDMA单载波信号作为输入信号进行仿真,对比包络跟踪供电和恒28V供电情况下包络跟踪器的效率情况和线性度情况。仿真结果表明,包络跟踪供电能够使功放的PAE提高约8%,线性度恶化能够控制在一个较小范围之内。


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