大功率多載波發射機的新設計

鐘壽永

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

1 引 言

在多載波通信系統中,如果采用多個發射機分別發送不同載波頻率的信號,發射機的技術方案相對簡單,但系統組織架構較為復雜,體積、成本都大為增加,性價比低。而采用單個發射機實現多載波信號的發射,體積、成本都大為減少,是目前廣泛應用的設計方式。

發射機既要保證輸出信號的頻譜質量,即交調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。而多載波經過混頻器、放大器等非線性器件,將產生諸如諧波、交調等非線性失真,并使輸出頻譜質量變差;在對功耗要求嚴格的系統中,諧、雜波和交調等非有效成分的存在將降低各載波的輸出功率,由此會影響系統技術指標的實現。盡量減少組合分量和增大載波信號對它們的抑制是設計發射機的關鍵[1]。要得到具有較好頻譜的發射信號,需對發射機的3個組成部分即信號產生、上變頻器及功率放大器分別考慮。除對發射機輸入信號的頻譜要進行優化,還要對上變頻器進行精心設計,同時保證工作頻帶內功放的線性度。

2 多載波發射機的設計

如圖1所示,信號產生部分如果雜波、交調成分幅度較大,經過上變頻、功率放大器后,這些非線性會變大、變多,輸出頻譜質量變差。

圖1 發射機組成及頻譜示意Fig.1 The transmitter composition and spectrum schematic

2.1 信號產生的優化設計

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

2.2 多載波發射機上變頻器設計

多載波發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,使得發射機在要求的溫度范圍內保持很小的頻率偏移。鎖相環的頻綜輸出頻率穩定,雜散小。混頻前后的濾波,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過AGC后輸出信號幅度保持穩定。

圖2 發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移特性來分析,數學表示可近似用功放的偏置電壓V0泰勒級數展開式表示:

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分量與輸入信號的直線關系Fig.4 The linear relationship between input signal and fundamental,second harmonic and third-order intermodulation component

三階互調分量通常會落在信號帶內,無法濾除,減小互調分量,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;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分量:

1 dB壓縮輸出功率電平和三階交截點的關系由下式決定:

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,三階互調減小3 dB,三階互調抑制要好2 dBc。這種方法又稱為功率回退法。設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也有足夠大的抑制。

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

另外,功率放大的靜態偏置點對其線性特性影響較大,也是放大器的設計重點。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射機的線性特性至關重要。

2.3.2 設計實例

功放的設計原理圖如圖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定性大大提高[4],任一路功率放大模塊出現故障,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,對匹配電路進行修正,讓輸出信號的相位偏移得到糾正,從而得到預先估計的最大功率輸出能力。

3 指標測試

最終的發射機實現單載波(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為單載波發射機輸出,圖8為多載波發射機輸出,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)三階交調小于等于-30 dBc。

圖7 單載波發射機輸出Fig.7 Output of single carrier transmitter

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

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

4 結束語

多載波系統中,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,通過采用算法優化產生交調較少的多載波激勵信號,采用AGC上變頻器使多載波信號穩定,并對功率放大器進行精心設計,在線性度和效率指標上都達到了較滿意的結果,獲得了良好的輸出信號頻譜。這種新的多載波發射機的設計成功,對系統能滿足指標要求并獲得應用,起到了關鍵作用。

[1]漆家國,一種連續波多站式發射機及頻譜分析[J].電訊技術,2002,42(2):44-47.QI Jia-guo.A Multi-station Continuous Wave Transmitter and Its Spectrum Analys[J].Telecommunication Engineering,2002,42(2):44-47.(in Chinese)

[2]鄧宇,李大芳,梅勇兵,等.多頻率合成信號包絡優化的初相搜索方法[J].電訊技術,2008,48(3):74-78.DENG Yu,LI Da-fang,MEI Yong-bing,et al.Initial Phase Searching Algorithm for Optimizing Multi-frequency Compound SignalEnvelo[J].Telecommunication Engineering,2008,48(3):74-78.(in Chinese)

[3]Wood A.LDMOS Transistor Powers PCS Base-Station Amplifiers[J].Microowaves&RF,1998,37(3):69-90.

[4]Ludwig R,Bretchko P.射頻電路設計——理論與應用[M].王子宇,張肇儀,徐承和,譯.北京:電子工業出版社,2002.Ludwig R,Bretchko P.RF Circuit Design theory andAplications[M].Translated by WANG Zi-yu,ZHANG Zhao-yi,XU Cheng-he.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2002.(in Chinese)