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基于Volterra级数的射频功率放大器非线性分析

作　者: 张晓东
导　师: 程建春
学　校: 南京大学
专　业: 声学
关键词: 射频功率放大器 Volterra 放大器带宽偏置电路放大器线性度功放线性功率放大器线性化技术功率附加效率功率回退共射极 Cascode 非线性系统级数法非线性元件预失真补偿网络放大器电路 Doherty 大学博士
分类号: TN722.75
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着无线技术的发展,通讯速率越来越快,无线通信系统对射频功率放大器的线性度要求也越来越高。设计高效率的线性功率放大器已经成为无线发射系统中的一项关键技术。传统的通过功率回退提高功率放大器线性度的方法,大大牺牲了功率放大器的功率附加效率。而目前新型的线性化技术都需要通过额外的电路来改善功率放大器的线性,增加了系统的复杂性。本论文针对常用的AB类射频功率放大器,研究如何在不增加系统复杂性的前提下,提升功放的线性度。Volterra 级数法是一种有效的非线性分析方法。Volterra核函数具有鲜明的物理意义,可以进行频域分析,非常切合工程技术领域的实际。本文以Volterra级数为理论基础,根据功率放大器的特点,针对功放中的非线性元件,总结出一套完整的分析技术。利用该分析技术,获得放大器电路的系统行为模型。根据系统的行为模型,在不增加额外电路和系统复杂度的情况下,研究功率放大器的匹配电路、补偿网络和偏置电路对线性度的影响,提出改善线性度的设计方法,从而改善功率放大器自身的线性度。实验结果验证了本文提出的设计方法的有效性：1、在共射结构放大器中,通过匹配电路的设计,优化谐波负载阻抗,使得放大器3阶互调IM3改善了6dB以上。2、在Cascode结构放大器中,通过补偿网络的设计,将放大器3阶互调截止点OIP3提高了3dB。3、通过研究偏置电路与放大器调幅-调幅(AM-AM)性能的关系,得到了最优偏置电路的解析式,从而简化了放大器的设计和调测过程,缩短了设计周期。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-9
第一章绪论  9-18
  1.1 课题背景  9-10
  1.2 功率放大器线性化技术及研究现状  10-14
  1.3 本文的研究工作及创新  14-16
  1.4 本文的章节安排  16-18
第二章射频功率放大器的非线性失真  18-35
  2.1 射频功率放大器的非线性来源  18-24
    2.1.1 晶体管的非线性物理特性  18-22
    2.1.2 晶体管工作状态与非线性  22-24
  2.2 非线性失真指标  24-30
    2.2.1 幅度失真AM-AM与P1dB  25
    2.2.2 互调失真IM3与OIP3  25-26
    2.2.3 相位失真AM-PM  26-29
    2.2.4 误差向量幅度EVM  29-30
    2.2.5 邻信道功率比ACPR  30
  2.3 非线性分析方法  30-35
    2.3.1 时域分析法  31-32
    2.3.2 谐波平衡法  32-35
第三章 Volterra级数理论  35-52
  3.1 线性非时变系统  35-36
    3.1.1 线性系统的因果性  36
    3.1.2 线性系统的记忆性  36
  3.2 Volterra级数的时域表示  36-39
    3.2.1 非线性系统的因果性  37
    3.2.2 Volterra核函数的对称性  37-38
    3.2.3 非线性系统的多阶响应  38-39
    3.2.4 非线性系统的记忆性  39
  3.3 Volterra核函数的测量  39-42
  3.4 Volterra级数的频域表示  42-43
  3.5 非线性系统的谐波输入响应  43-44
  3.6 谐波输入法  44-47
  3.7 非线性系统的分解与Volterra级数  47-52
    3.7.1 非线性系统的分解  47-50
    3.7.2 分解系统的Volterra级数  50-52
第四章针对功放电路的Volterra分析技术  52-69
  4.1 基本的非线性元件  52-54
    4.1.1 非线性电阻  52-53
    4.1.2 非线性电容  53
    4.1.3 非线性电感  53-54
    4.1.4 非线性受控源  54
  4.2 含记忆元件时的谐波输入法  54-65
    4.2.1 含线性记忆元件时的谐波输入法  54-57
    4.2.2 含非线性记忆元件时的谐波输入法  57-61
    4.2.3 一般性谐波输入法  61-65
  4.3 非线性系统的级联  65-69
第五章基于Volterra级数的功放非线性分析  69-93
  5.1 输出匹配与功放线性度  69-78
    5.1.1 谐波负载阻抗与非线性的Volterra分析  70-75
    5.1.2 谐波负载阻抗优化设计有效性的验证  75-78
  5.2 RLC补偿网络与Cascode功放线性度  78-85
    5.2.1 RLC补偿网络改善放大器线性的原理  78-81
    5.2.2 补偿网络与非线性的Volterra分析  81-83
    5.2.3 补偿网络优化设计有效性的验证  83-85
  5.3 偏置电路与功放线性度  85-93
    5.3.1 偏置电路与放大器线性的关系  86-88
    5.3.2 偏置电路与非线性的Volterra分析  88-90
    5.3.3 偏置电路优化设计有效性的验证  90-93
第六章功放研究中Volterra级数的局限性  93-106
  6.1 Volterra级数的缺陷  93-96
    6.1.1 收敛域限制  93-95
    6.1.2 连续性限制  95-96
  6.2 Weierstrass逼近定理  96-97
  6.3 Wiener理论  97-106
    6.3.1 正交多项式的构造  97-100
    6.3.2 G泛函的形式  100-104
    6.3.3 非线性系统分解与Wiener级数  104-106
第七章工作展望  106-109
  7.1 热效应对功放非线性的影响  106-107
  7.2 功放的大信号输入性能  107-109
参考文献  109-115
博士期间工作成果  115-116
致谢  116-117

基于Volterra级数的射频功率放大器非线性分析

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