大功率多載波發(fā)射機的新設(shè)計

鐘壽永

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

在多載波通信系統(tǒng)中,如果采用多個發(fā)射機分別發(fā)送不同載波頻率的信號,發(fā)射機的技術(shù)方案相對簡單,但系統(tǒng)組織架構(gòu)較為復雜,體積、成本都大為增加,性價比低。而采用單個發(fā)射機實現(xiàn)多載波信號的發(fā)射,體積、成本都大為減少,是目前廣泛應(yīng)用的設(shè)計方式。

發(fā)射機既要保證輸出信號的頻譜質(zhì)量,即交調(diào)分量和雜波信號幅度相對小,又要保證輸出多載波具有一定的功率。而多載波經(jīng)過混頻器、放大器等非線性器件,將產(chǎn)生諸如諧波、交調(diào)等非線性失真,并使輸出頻譜質(zhì)量變差;在對功耗要求嚴格的系統(tǒng)中,諧、雜波和交調(diào)等非有效成分的存在將降低各載波的輸出功率,由此會影響系統(tǒng)技術(shù)指標的實現(xiàn)。盡量減少組合分量和增大載波信號對它們的抑制是設(shè)計發(fā)射機的關(guān)鍵[1]。要得到具有較好頻譜的發(fā)射信號,需對發(fā)射機的3個組成部分即信號產(chǎn)生、上變頻器及功率放大器分別考慮。除對發(fā)射機輸入信號的頻譜要進行優(yōu)化,還要對上變頻器進行精心設(shè)計,同時保證工作頻帶內(nèi)功放的線性度。

2 多載波發(fā)射機的設(shè)計

如圖1所示,信號產(chǎn)生部分如果雜波、交調(diào)成分幅度較大,經(jīng)過上變頻、功率放大器后,這些非線性會變大、變多,輸出頻譜質(zhì)量變差。

圖1 發(fā)射機組成及頻譜示意Fig.1 The transmitter composition and spectrum schematic

2.1 信號產(chǎn)生的優(yōu)化設(shè)計

要獲得理想頻譜質(zhì)量的輸出信號,首先要保證產(chǎn)生信號的頻譜質(zhì)量。使用快速初相搜索算法對信號進行包絡(luò)優(yōu)化后,減小非線性失真,減小每個單頻點的諧波[2]。搜索初相最優(yōu)組合以達到多頻率合成信號包絡(luò)幅值最小,即減小多頻點間的交調(diào)。應(yīng)用快速初相搜索算法前后得到多載波信號的交調(diào)干擾和高次諧波頻譜比較可知,應(yīng)用快速初相搜索算法,多載波信號的交調(diào)和諧波減少和降低,能獲得較好的頻譜質(zhì)量。

2.2 多載波發(fā)射機上變頻器設(shè)計

多載波發(fā)射機由上變頻和功放組成,見圖2。上變頻器采用進口溫補晶振作為頻率源,使得發(fā)射機在要求的溫度范圍內(nèi)保持很小的頻率偏移。鎖相環(huán)的頻綜輸出頻率穩(wěn)定,雜散小?；祛l前后的濾波,對輸入功放的信號頻譜純度起到重要作用。輸入多載波數(shù)量變化時,輸入信號中載波的強度會有所不同,采用AGC增益控制放大,使幅度起伏的多載波信號經(jīng)過AGC后輸出信號幅度保持穩(wěn)定。

圖2 發(fā)射機上變頻器原理圖Fig.2 Schematic diagram of transmitter up converter

上變頻器輸出帶外抑制不大于-40 dBc,帶內(nèi)雜散抑制小于等于-40 dBc,諧波抑制小于等于-45 dBc。

2.3 功率放大器設(shè)計

2.3.1 功率放大器線性分析

功放的非線性特性可以用它的轉(zhuǎn)移特性來分析,數(shù)學表示可近似用功放的偏置電壓V0泰勒級數(shù)展開式表示:

式中,V1、V2分別為兩個單音信號的電壓幅度值,ω1、ω2為角頻率,t為時間。將式(2)代入式(1),輸出信號用泰勒級數(shù)展開式表達,相同頻率合并,得到下式:

由式(3)可以看出,輸出的電流點基波、二次及三次諧波或者互調(diào)分量的振幅分別取決于輸入電壓的一次方、二次方和三次方。因此,線性項、二階項和三階項頻率分量的輸出功率電平分別顯示線性行為,輸入信號電平改變1 dB,輸出改變1 dB、2 dB和3 dB的行為。類推可得,n階分量將改變n dB。這些依賴輸入的各條直線在截斷點交叉,如圖3所示。

圖3 基波、二次諧波和三階互調(diào)分量與輸入信號的直線關(guān)系Fig.4 The linear relationship between input signal and fundamental,second harmonic and third-order intermodulation component

三階互調(diào)分量通常會落在信號帶內(nèi),無法濾除,減小互調(diào)分量,提高功率放大器的線性度顯得尤為重要。

對直線有如下方程:

式中,PIMn為基波的n階分量單位為dBm;Pno為可估算常數(shù);Pin為輸入功率。線性基波輸出功率可寫成

式中,Gp(Gp=PL/Pin)為工作功率增益(單位dBm),故對交截點 IPn有:

由式(6)可得:

于是有:

由式(8)可以估算二次諧波和三階互調(diào)分量:

1 dB壓縮輸出功率電平和三階交截點的關(guān)系由下式?jīng)Q定:

因此,為使功放輸出具有較好的線性度,交截點給定時,可以減小輸出功率。輸入功率減小1 dB,三階互調(diào)減小3 dB,三階互調(diào)抑制要好2 dBc。這種方法又稱為功率回退法。設(shè)計時要選擇功率容量較大的功率管,以保證放大器有足夠的輸出功率的同時對各階的交調(diào)也有足夠大的抑制。

功放線性化技術(shù)除了功率回退法主要還有負反饋法、預(yù)失真法、前饋法。功率回退法的原理簡單且易于實現(xiàn)。

另外,功率放大的靜態(tài)偏置點對其線性特性影響較大,也是放大器的設(shè)計重點。GaAs MESFET功率放大器件直流偏置電流選為0.5Idss(Idss為飽和漏源電流),可使增益最大且互調(diào)交截點最大;對AB類最佳偏置點的MOSFET功率放大器件來說,可改善三階互調(diào)失真10 dB以上[3]。因此,選擇較佳的功率放大器件直流偏置點對改善發(fā)射機的線性特性至關(guān)重要。

2.3.2 設(shè)計實例

功放的設(shè)計原理圖如圖4所示。

圖4 功放原理圖Fig.4 Schematic diagram of power amplifier

前置功率放大器由固定衰減器、溫度補償衰減器、開關(guān)機電路,LDMOSFET寬帶放大器和一級LDMOSFET晶體管放大器組成,見圖5。末級功放見圖6所示。電路采用1分2功率分配器和2合1的功率合成器及兩只大功LDMOSFTET功率管組成。末級功放采用先進的平衡式放大電路,易于匹配,并且放大器的可靠性和穩(wěn)定性大大提高[4],任一路功率放大模塊出現(xiàn)故障,輸出功率僅下降6 dB。對過激勵和過駐波的承受能力大大加強。平衡放大式電路又叫Doherty功率放大器,在功率回退時增加了效率,所以兼顧了效率和線性度的要求。

圖5 前置放大器原理圖Fig.5 Schematic diagram of power preamplifier

圖6 末級功放原理圖Fig.6 Schematic diagram of last stage power amplifier

平衡式放大器的性能優(yōu)劣直接取決于兩個放大器的一致程度,放大器的駐波比以及耦合器的移相精確度,尤其是后者。事實上經(jīng)過試驗測試,當兩路放大器匹配完全一致時,輸出功率并非完全疊加,這是由于耦合器的相移并非完全精確所導致的,這需要對電路進行進一步微調(diào),對匹配電路進行修正,讓輸出信號的相位偏移得到糾正,從而得到預(yù)先估計的最大功率輸出能力。

3 指標測試

最終的發(fā)射機實現(xiàn)單載波(CW)輸出功率40 W,5載波輸入時,輸出每個單頻點大于4 W。圖7為單載波發(fā)射機輸出,圖8為多載波發(fā)射機輸出,通過天線接收測得。具體指標如下:

(1)輸出功率:輸出單點頻46 dBm;輸出2點頻每點頻47.5 dBm;輸出3點頻每點頻39.5 dBm;輸出4點頻每點頻37.8 dBm;輸出5點頻每點頻36 dBm。

(2)帶內(nèi)不平度小于等于±0.5 dB。

(3)諧波輸出抑制(額定功率下)小于等于-30 dBc。

(4)三階交調(diào)小于等于-30 dBc。

圖7 單載波發(fā)射機輸出Fig.7 Output of single carrier transmitter

圖8 多載波發(fā)射機輸出Fig.8 Output of multi-carrier transmitter

本發(fā)射機具有較高的效率,從圖8看出,輸出12個點頻時,交調(diào)和雜波很小,顯示出發(fā)射機的線性度很好。

4 結(jié)束語

多載波系統(tǒng)中,非線性成分難以避免。本文著重分析了功率放大器的非線性特性及線性化技術(shù),通過采用算法優(yōu)化產(chǎn)生交調(diào)較少的多載波激勵信號,采用AGC上變頻器使多載波信號穩(wěn)定,并對功率放大器進行精心設(shè)計,在線性度和效率指標上都達到了較滿意的結(jié)果,獲得了良好的輸出信號頻譜。這種新的多載波發(fā)射機的設(shè)計成功,對系統(tǒng)能滿足指標要求并獲得應(yīng)用,起到了關(guān)鍵作用。

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