宽带射频功率放大器记忆效应的研究

射频功率放大器的研究与设计一、本文概述随着无线通信技术的飞速发展，射频功率放大器作为无线通信系统中的关键组件，其性能对整体系统的性能具有重要影响。

本文旨在深入研究射频功率放大器的设计原理、优化方法以及实现技术，旨在提升功率放大器的效率、线性度和可靠性，以满足现代无线通信系统对高性能功率放大器的迫切需求。

本文首先介绍了射频功率放大器的基本原理和分类，分析了不同类型功率放大器的优缺点及适用场景。

随后，详细阐述了功率放大器的设计流程和关键参数，包括增益、效率、线性度等，并探讨了影响这些参数的主要因素。

在此基础上，本文重点研究了功率放大器的线性化技术和效率提升方法，包括预失真、反馈控制、功率合成等，旨在通过优化电路设计、材料选择和工艺实现等手段，提高功率放大器的整体性能。

本文还关注功率放大器的可靠性问题，分析了功率放大器在工作过程中可能出现的失效模式和原因，并提出了相应的改进措施。

通过对功率放大器可靠性设计的探讨，本文旨在为工程师提供实用的设计指导，以提高功率放大器的稳定性和可靠性。

本文总结了射频功率放大器的研究现状和发展趋势，展望了未来功率放大器可能的技术创新和应用领域。

通过本文的研究与设计，希望能够为射频功率放大器的发展和应用提供有益的参考和借鉴。

二、射频功率放大器的基本原理射频功率放大器是无线通信系统中的关键组件，其主要功能是将低功率的射频信号放大到足够高的功率水平，以便在无线信道中进行有效的传输。

射频功率放大器的基本原理可以从线性放大器和非线性放大器两个方面来阐述。

线性放大器在放大信号时，保持输入信号与输出信号之间的线性关系。

这意味着放大器的增益在输入信号的整个动态范围内是恒定的。

线性放大器通常用于需要低失真度和高线性度的应用，如调制和解调过程。

线性放大器的设计需要考虑增益平坦度、噪声系数和线性度等关键指标。

非线性放大器则允许输出信号与输入信号之间存在一定的非线性关系。

这种非线性特性可能会导致信号失真，但在某些应用中，如通信系统中的功率放大，非线性放大器能够提供更高的效率。

射频功率放大器的研究作者：张磊来源：《电子技术与软件工程》2016年第16期摘要随着现代通信技术的不断发展，射频功率放大器在通信系统中的应用越来越广泛，它主要是用来将小信号在指定频段高效率的将其放大，再利用馈线系统将放大的信号传送给发射天线。

由此可见，通信系统中的大部分能量都被射频功率放大器所消耗，因此，对于射频电路设计来说，怎样进一步提高射频功率放大器的工作效率和输出功率是研究的重点也是难点。

本文首先分析了我国射频功率放大器的研究现状，并对射频功率放大器进行了简要的概述，然后以E类功率放大器为基础进行深入的研究。

另外，本文还深入的分析了功率合成器，旨在提高输出功率。

【关键词】射频功率放大器功率合成 E类功率放大器射频功率放大器是各种无线发射机中十分关键的组成部分，对现代通信系统有非常重要的意义，它主要被用来将射频小信号在指定工作频段高效率的放大，然后再将其传送给发射天线。

要想使整个通信系统的水平得到进一步提高，提高射频功率放大器的输出功率、工作效率等指标至关重要。

目前，4G无线通信网络被广泛应用于各个领域，为了尽可能的满足人们的生产和生活需求，提高通信速率和频带利用率是重要手段，但在此过程中，也使得通信系统中的调试方式越来越复杂，再加上数字传输技术的出现，在提高工作效率及线性度方面都给射频功率放大器提出了更高的要求。

1 射频功率放大器国内的研究现状我国涉足射频领域较晚，很多方面与国外相比还处于初级阶段，再加上军工产品的禁运限制，很多先进的射频功率放大器无法运往国内。

功率放大器的应用极为广泛，涉及到的领域包括航天科技、卫星通信、军用通信等，因此，充分了解和掌握射频电路设计核心技术，进一步提高半导体方面的工艺设计，是提高射频技术的唯一途径。

值得庆幸的是，我国对于高精度设备的设计和产生给予了高度重视，越来越多的专家学者致力于射频技术的研究，这就使得国内的射频技术也得到了很大程度的提高，取得的成果也较为瞩目。

基于记忆效应的射频功放建模和线性化研究的开题报告一、研究背景和意义射频功放广泛应用于通信、雷达、导航等领域，是无线通信系统中的重要元器件。

传统的射频功放存在许多问题，如效率低、非线性失真、带宽不足等，这些问题不仅影响了系统的性能和可靠性，还限制了系统的发展潜力。

因此，射频功放的建模和线性化研究具有重要的理论和应用价值。

本课题的研究目的是建立一种基于记忆效应的射频功放建模和线性化方法，用于提高射频功放的效率和线性度。

该方法不仅可以有效地解决传统射频功放存在的问题，而且可以为无线通信系统的高速、高频、高可靠性发展提供技术支持，具有较高的实用价值。

二、研究内容和方法1. 射频功放的建模方法研究：在考虑单项和交叉项的情况下，研究各种材料中的电介质常数如何准确地计算，并提出基于记忆效应的射频功放的建模方法。

2. 射频功放的线性化方法研究：考虑到传统线性化方法会引入噪声并使功率效率降低，本研究将结合固态回路和信号处理，提出一种基于记忆效应的高效低噪声线性化方法。

3. 射频功放的实验验证：建立基于记忆效应的射频功放实验平台，对比传统方法的性能差异，评估新技术的可行性和实用性。

三、研究预期结果通过研究基于记忆效应的射频功放建模和线性化方法，预期结果如下：1. 提出一种新型的射频功放建模和线性化方法，具有较高的效率和线性度。

2. 通过实验验证，证明该方法可以有效地提高射频功放的性能和可靠性。

3. 为无线通信系统的高速、高频、高可靠性发展提供技术支持，具有较高的实用价值和经济效益。

四、可行性分析本研究涉及的技术和理论基础较为成熟，已有许多相关的研究成果。

在现有的基础上，本研究将结合理论分析和实验验证相结合，提出一种新型的射频功放建模和线性化方法，具有较高的可行性。

五、研究进度安排1. 前期准备（2022年1月-2022年6月）：阅读文献、了解相关理论和技术，并编写开题报告和选题方案。

2. 研究方案设计（2022年7月-2022年12月）：根据研究目标和研究内容，设计详细的研究方案和实验方案，并进行相关验证。

第三章射频功率放大器的记忆效应记忆效应,定义为由带宽决定的非线性效应，是本章的主题.射频功率放大器在 现代无线电通信中起着重要的作用，然而其相应的设计目标却使得功放的性能优化 变得十分困难.在第二章中已经讨论过线性，一会儿将在第3.1节中研究直流到射频 的转换质量，它包括了射频功率放大器的主要问题，也就是线性和效率之间的平衡问 题.为了提高此平衡，功放可以通过设计来达到高的效率，然而却牺牲了线性.于是,需要通过外部的线性化方法来使功放满足线性要求 .然而不幸地是，记忆效应却引起 了信号波段内互调音调的变化.尽管记忆效应并没有显著地减少功放本身的线性，却降低了所用的线性化方法 的性能，因此使得效率和线性之间的平衡产生恶化在3.1节中定义了功放效率，3.2节讨论了最常用的线性化方法以及记忆效应对 其的影响.然后3.3节,3.4节,3.5节讲述射频功率放大器内部不同类型的记忆效应 例如区分由非常量阻抗引起的电记忆效应和由动态自我加热引起的电热记忆效 应.3.5节介绍了在适当信号幅度时出现的由幅度决定的记忆效应3.1效率功放的效率描述了被转换为射频功率的直流功率部分 ，表示如下:“OUTn其中，P OUT 是输出射频功率，是来自直流源的功率.然而，附加功率效应(PAE),考虑到了输入信号的功率，表示如下:其中，P IN 是输入信号的功率,G 是功放的增益.(3+1) (3,2)移动电话的最大发射功率通常在1V左右,基站的功率更高.然而,调制器或上变频混频器只能够产生1mW以下的发射信号.结果,在发射链路中需要一个大的功率增益,它使用一级一级的级联来产生期望的输出特性.两级级联的总效率计算如下：(3*3)□ TOT其中1和耳2分别是第一级的集电级效率和第二级的漏级效率（非附加功率效应PAE）, G2是末级的增益.从（3.3）可以看出,系统的总效率主要由末级的效率决定.假设末级效率是50%对应增益是15 dB.如果前级效率从20%曾加到30%总效率只增加了1%（从46%变到47%）上面的计算表明，若要提高总体效率，必须提高末级效率.因此，大部分努力应该放在末级效率和线性的平衡上.由于功放的前级设计不会有太大问题，本书将重点放在功放末级的设计上.多级功放设计也会遇到一些额外的困难，这起因于级间的匹配，例如，文献中［1-3］已详细涵盖了这些改进措施，本书中没有必要再进行重复，即使是这里出现的测试设备和分析，同样可以引申到多级功率放大器来.3.2线性化3.2.1线性化和效率在A类放大器中，回退是用来满足线性需求的传统方法.一旦输出功率从最大值开始减小,幅度变换和失真产物的数量也减小.不幸的是，回退降低了效率，所以是一种不引人注意的功放线性化方法.图3.1描述了一个A类放大器在不同回退值下的IM3（即三阶互调）标准（它是效率的函数）.此仿真中使用了一个三阶多项式输入-输出功放模型,结果表明,当IM3较低时,效率迅速下降.好的线性的同时还要兼顾合理的效率，就必须采用一些线性化方法.线性化的主要思 想就是功放本身的设计能在牺牲线性的前提下达到良好的效率 ，然后再通过外部线 性化来满足线性的要求.这在图3.1中被论证.我们假设IM3是F5dBc.如果不进行线 性化,满足IM3的回退值会产生一个接近10%勺效率.图中较低的曲线描述了线性化的IM3值,在达到同样线性的情况下,功放的效率比20泌要好.在这个例子中,功放的功 率消耗减小量多于二分之一.上文的计算仅仅考虑了功放的功耗，但是实际上，线性化也会消耗一大部分功率. 假定输出功率被压缩了 0.25 dB,这是现化无线电功放的一个标准值.现在,输出需要 ]（）0.25; 10 _ ] = 6%的额外功率来恢复基本的输出信号功率，额外的1%足够用 来删除大约-25-dBc IM3成分.因此，用来恢复基本的和删除IM3信号的总共额外功率接近功放输出功率的7%,这并不过多.然而,这却足够影响到线性化电路的效率和 结构.3.2.2线性化方法[5-7]中详细介绍了一些线性化方法.这里仅简单介绍了一些最常用的种类，表 3.1是对其做的一个简短的比较.反馈应用普遍，只要反馈回路有足够的增量增益，它就能抑制失真.为了增加环 路增益,通常采用笛卡尔形式［图3.2（a ）］或极坐标形式的基带误差放大器.环路内部 o o o 2 6 8 ■ ■■■ 畐PA I linearized PAlefficiency II increases by ifactor of two■ I I I ■15 2( Efficiency%25 30 35图3.1在独立和线性化结构中功率放大器的线性（是效率的函数） 在传统的功放设计中，效率和线性是相互对立的需求 ，如果设计目标是要达到良必须的上下转换增加了噪声源和环路延迟，限制线性化电路的稳定带宽在100 kHz以下. 由于功放受驱动接近压缩, 环路增益和带宽也随信号幅度变化, 使得系统分析更加复杂.多频功放通常采用前馈. 这里, 主功放产生的失真通过从主功放输出送到线性成分来得到. 此失真信号被辅助功放放大并最终从输出中去除. 由于这样的排列不含反馈环路, 所以没有稳定性限制, 但是合路器和移相器的带宽限制了补偿带宽. 然而, 反馈环路中所需的移相器和衰减器对谐音十分敏感, 使用线性辅助放大器显著地降低了总体效率.预失真［见图3.2（c）］在功率放大器之前对信号进行扩展.因此，前置补偿功放对可当作一个线性的电路.原则上讲,尽管预失真需要一个缓慢的反馈以适应其预失真功能, 它仍然是一种功率高效的, 多频率的线性化方法. 一个简单的射频前置补偿器可能仅仅包含两个偏压二极管,或者预失真信号可以在数字基带内产生,这需要使用适合的查询表.最后一种广泛使用的方法被称作包络消除和恢复（EER）,或者称作Kahn发射机.此时, 通过限幅器将幅度信息从载波中移除, 然后通过调制功放的电源又将其送回.因此，可以达到轨道对轨道的驱动以及高效率.然而,EER对载波路径（仅传输相位信息）和供给调制路径（仅包含幅度信息）的时间差和相位差十分敏感3.2.3线性化和记忆效应不同的线性化方法的复杂程度不同，所以它们对记忆效应的敏感度也不同.表3.1中对现行的一些线性化方法做了简短的比较3.1复杂性效率 带宽 补偿性能 产生记忆效应的主要原因 笛卡尔反馈适中 高 窄 高 回路带宽 前馈高 适中 高 高 无源器件EER 适中高 适中 低 时间延迟 (b) main PA P REDFAaux PAVout A P REDVin (c)图3.2线性化原理（a ）笛卡尔反馈（b ）射频反馈（C ）预失真（PRED 弋表前置补偿器）反馈系统（例如笛卡尔反馈）对功放内部的记忆效应十分不敏感，这是因为它们实际上对输出失真进行抽样并试图用足够的环路增益来去除输出失真.然而,为了使回路稳定,必须限制带宽，这就使得载波远处的补偿减小.前馈的方法同样直接对输出失真进行抽样，然后从输出中放大并送去补偿.在这里,主要的记忆效应来源于对辅助路径和无源元件的频率响应，辅助路径和无源元件可能使得载波远处的补偿减小.主要关注前置放大器双减/加回路调谐的复杂性.EERT法基于两个信号路径（一个针对相位信息，另一个针对幅度信息）的匹配.我们主要关注的是这些信号路径的延迟和线性数字和模拟射频预失真是让人感兴趣的事物，这是因为在功放之前，失真便被校正了.因此,线性化电路的输出功率较小，并且效率不成问题，例如,前馈系统中的辅助放大器.然而,预失真系统依靠的是功放非线性的精确反转复制，这就意味着不仅记忆效应有高的敏感度，漂移也有.通常,前置补偿器需要一些缓适应.数字前置补偿器在本质上更具灵活性，但是需要高带宽和数字基带的动态范围，并且前置补偿器和功放之间所有的基带和中频（IF）滤波器都对记忆效应有影响.本书中大量讨论涉及模拟射频预失真系统的实现，或降低功放记忆效应到这样的一个低水平（可以使用一个简单的无记忆数字前置补偿器）.尽管如此,这里展示的分析方法还是对其它的大多数线性化方法适用对任何线性化电路最简化的方法就是将它看成一个删除者：产生了某一定量的失真,并且必须用此失真的精确的反相复制来消除好的抵消性能对功放失真成分和线性化电路产生的信号成分间的幅度和相位匹配有着很严格的要求.图3.3（a）证明了这种抵消.剩余的IM成分功率可用余弦定理计算,图（3.4）给出了给定量抵消的所需匹配,△彷是相位误差,△ A是幅度误差.图3.3（b）给出了相应的数字值.例如,为了在互调水平内达到一个25-dB的减少量,在整个信号和IM 波段内,相位误差不得超过2至3 ,增益匹配△A/A （增益平坦 度）优于0.25 dB （3%的幅度误差）.CANC = 10 log( 1-2(1 ) + (1+ 畀F) (3.4) 图3.3清楚地图解了记忆效应的重要性.在一个有记忆效应的功放内，失真元件 的幅度和相位由于调制频率（双音信号间的音频间距）和幅度的作用而变化.补偿信号必须在整个调制带宽内跟踪实际的互调信号，并且跟踪任何会引起补 偿性能恶化的调制幅度或调制频率.图3.4对此做出说明.IM 信号的相对相位随着调制频率而变化，但是在一个简单 的模拟前置补偿器内，预失真信号在相位固定时通常没有记忆.为避免这类问题，可 以使用一个更复杂的数字前置补偿器运算法则，即采用一个前馈放大器，或采用一个 记忆效应效能较低的功放图3.3 （a ）失真补偿的原理（b ）已达到的补偿（是相位误差和幅度误差的函数）失真成分是随着信号瞬时幅度和调制频率变化的确定性信号 .然而,在相同情况下,它们表现却相似.本书的主要贡献就是查明了在信号变化的情况下，失真成分 如何运行.这能帮助改进功放以达到好的补偿（使用简单射频前置补偿器型的线性化 方法，此方法通常不会提供足够的补偿）。

基于记忆多项式模型的射频功率放大器的线性化研究
作者：周晨昱张倩吴贞宇
来源：《科技与创新》2017年第03期
摘要：由于放大器存在非线性效应，将造成信号的包络波动，产生交调失真和频谱扩展，而随着无线通信的迅速发展，功放的线性化研究也变得越来越重要。

主要研究了基于记忆多项式的数字预失真模型和功放模型的参数估计算法，以使预失真算法能够对宽带和带记忆效应的功放产生更加理想的线性化作用，并通过搭建软硬件联合的闭环测试系统进行了测试。

关键词：功率放大器；线性化；数字预失真；记忆多项式
中图分类号：TM933.3 文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2017.03.024。

射频功放建模及其延时匹配的研究赵晓晨;邱应强;盛艳萍;黄华灿【摘要】介绍了记忆多项式模型结构,使用载波频率为2.14 GHz、带宽5 MHz的单载波3GPPFDD WCDMA信号作为测试信号,经过一个额定输出功率为8 W的射频功率放大器,并采用基于查找表的记忆多项式方法对其建模.采用了快速的延时匹配算法,有效抑制了延时估计偏差及输入输出信号相位幅度的改变对建模的影响.【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2010(029)009【总页数】3页(P47-49)【关键词】数字预失真;射频功放建模;记忆多项式;延时匹配【作者】赵晓晨;邱应强;盛艳萍;黄华灿【作者单位】华侨大学,信息科学与工程学院,福建,泉州,362021;华侨大学,信息科学与工程学院,福建,泉州,362021;华侨大学,信息科学与工程学院,福建,泉州,362021;华侨大学,信息科学与工程学院,福建,泉州,362021【正文语种】中文【中图分类】TP802+.7数字预失真技术具有电源效率高、功放成本低、散热量小、系统实现难度低等优越性。

同时随着数字技术的高速发展，使得数字预失真系统的实现成本越来越低，而性能却不断得到提高。

由于数字预失真系统自身所具备的各种优势，它正逐渐成为未来无线通信系统中射频大功率放大器的主要线性化技术。

在WCDMA基站和移动台的发射机中，从复杂性和成本的角度出发，最重要的成分是射频(RF)部分的功率放大器。

由于系统采用了带宽受限的线性调制方式，邻信道载波间的频谱泄漏取决于功率放大器(PA)的线性。

此外，宽带射频功率放大器也会呈现出严重的电记忆效应，其非线性呈现为动态的非线性[1-2]。

因此，建立射频功放的动态非线性模型显得至关重要。

有记忆预失真的研究已经成为数字预失真领域的一个新兴的研究方向。

1 记忆多项式模型无记忆效应的失真是由功放的AM/AM和AM/PM失真引起的，输出信号的幅度和相位变化是当前输入信号幅度的函数。