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RF功率放大器非线性理论及实验
分析
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钟杰 韩德良
中国电子科技集团第十研究所
邮编 610036 电话 028-87556050
摘要 本文着重从理论上分析了RF功率放大器的非线性特性 讨论了微波电子工程师关
心的三阶交调交截点IP3与RF功率放大器的输出功率关系 导出了简单 易用的公式 另外
以 RF功率放大器非线性特性为理论基础 在实验室做了小模型实验 为某工程 RF功率放大
器的设计及技术指标的确定 提供了可靠的实验数据
关键词 RF功率放大器 三阶交调系数 调幅/调幅转换 调幅/调相转换
AbstractIn This paperby proposing a theoretical method to predict the output
power spectrum of a power amplifierthe traditional linearity parameter IP3 are linked
directly with in band emission levels Using this conventional approachWe have
designed and analysised the model of the power amplifier for a project
KeywordRF power amplifierthird-order intermodulation pointamplitude to
amplitude conversion (AM/AM) amplitude to phase conversion (AM/PM)
1.概述
传统上在讨论RF功率放大器的非线性效应时 主要使用三阶交调系数IM3或者类似的1dB
压缩点来描述放大器的非线性 但在实际设计和分析RF功率放大器中 使用三阶交调系数IM3
是无法定量描述 RF功率放大器的非线性寄生频谱的 显然 不清楚 RF功率放大器的寄生输
出功率电平与放大器的非线性参数之间的关系 在设计RF功率放大器及选择有关元器件时将
是非常困难的 这是在设计非线性RF功率放大器中普遍存在的问题
本文着重从理论上 分析了 RF功率放大器的非线性特性 针对需要传输的十几个频率信
号 讨论了有关非线性参数与RF功率放大器的寄生输出功率电平的关系 给出了简单 易用
的公式 另外 以RF功率放大器非线性特性为理论基础 在实验室做了小模型实验 为某工
程RF功率放大器的设计及技术指标的确定 提供了可靠的实验数据
2.RF功率放大器非线性的理论分析
工程上描述一个RF功率放大器的非线性特性 主要采用1dB压缩点功率 三阶交调系数
IM3 五阶交调系数 IM5 调幅/调幅转换和调幅/调相转换等不同技术指标 其中调幅/调幅转
换和调幅/调相转换指标 对深入分析和了解RF功率放大器非线性特性是非常重要的 RF功
率放大器的调幅/调幅转换和调幅/调相转换 分别是指在无线信道中 由RF功率放大器非线
性所引起的输出信号幅度和相位的变化
明显地 RF功率放大器不是一个线性器件 这意味着 RF功率放大器的输出信号不是线性
放大输入信号 考虑把RF功率放大器当作一个黑匣子 由于 Taylor级数对无记忆非线性函
数是有效的 无记忆的RF功率放大器是指它的输出信号与输入信号有因果关系 另外 一个
RF功率放大器仅仅有几个不同的工作状态 因此 Taylor级数是能够较好的预计它的非线性
特性的 这样 可以用Taylor级数来描述RF功率放大器的输出信号特性
)(
0
)( tUaU
n
in
n
t
¥
=
å= 这里 )( tU )( tiU 分别为信道的输出信号和输入信号 na 是各项系
数 一般为复数 它们的值由RF功率放大器的非线性特性决定
. RF功率放大器的调幅/调幅转换和调幅/调相转换
在上式中略去直流项 只取上述级数的前三项 来
表
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示 RF功率放大器轻微偏离理想线性
的信道 则有 3 )(3
2
)(2)(1)( tititit UaUaUaU ++= -----------
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在上式中 非线性 RF功率放大器的系数a1 a3一般符号相反 设 RF功率放大器输入
tAU ti 0)( cosw= 则代入 可得
tAat
Aa
tAaAaU t 0
3
30
2
2
0
3
31)( 3cos4
12cos
2
cos)
4
3( www +++= -----
在计算 RF 功率放大器非线性特性时 考虑到输出滤波器的影响 则输出基波信号为
tAaAaU t 0
3
31)(0 cos)4
3( w+= 考虑到信道中电感 电容分布参数的影响 a1和a3应该
是复系数 同时 为了简化运算 令a1的相位为零 a3的相位为 3j 则可以得出微波功率
放大器的基波输出信号为 tAaAaU e jt 0331)(0 cos]||4
3[ 3 wj-+=
对上式进行整理可表示为 )](cos[)( 0)(0 AtAgU t qw +=
这里 ]
cos||
4
3
sin||
4
3
[
3
3
31
3
3
3
1
)(
j
j
q
AaAa
Aa
tgA
+
-= - ---------
2
33
32
33
3
1 )sin||4
3
()cos||
4
3
()( jj aAaAAaAg ++= ---------
通常 )(Ag 称为调幅/调幅转换 它是放大器增益压缩的又一种表示形式 )( Aq 称为调幅
/调相转换 它是考虑到放大器的 1a 和 3a 相差180所引起的一项非线性指标
.RF功率放大器的输出描述
针对前面假设的无记忆非线性Taylor级数模型 有一个非常重要的结论是 该模型没有
调幅/调相转换 因此 用Taylor级数来模拟微波功率放大器的特性可以由下式表示
å
¥
=
+
+=
0
)12(
12 )()(
i
i
i tsaty 这里 a1是RF功率放大器的线性部分 s(t)是表示输入信号
的集合 它的数学表达式为 )2cos()(~)( 0 qp += tftsts 在上式中仅仅考虑了Taylor级数
的奇次项 这是因为在实际的无线信道中 微波功率放大器产生的偶次项频谱是非常远离带
通滤波器的中心频率的 B<
方法
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可以作为设计非线性微波放大器理论依据
有关采取有效手段 改善微波功率放大器的非线性的方法 请参考有关技术文献资料 它的
实验原理框图为
f
P f c T r a n
P0
Pi n
I P 3 o u t
P0
Pi n
I P 3 i n
当然 在检测微波功率放大器的非线性参数时 需要注意的是功率谱单位是 dBm/MHz当
计算的功率谱密度与频谱分析仪上所测量的数据进行比较时 单位 dBm/MHz必须转换成频谱
分析仪的解析带宽 另外 必须充分考虑频谱分析仪的失真问题 根据有关仪器资料介绍
当频谱分析仪输入信号的功率每增加 1dB时 都会引起频谱分析仪中的混频器在输入信号附
近产生 1dB的二阶交调失真 同时还会在输入信号附近产生 2dB的三阶交调失真 这些情况
都必须在实验中充分考虑到 避免此类现象的发生 使实验所得数据尽量准确
参考文献
1 H. Xiao, RF Power Amplifier Design for Wireless Communication Signals PhD
thesis, Portland State University, Portland, OR, 1997.
2 T.T. Ha, Solid-state Microwave Amplifier Design, John Wiley and Sons, New York,
NY, 1981.
3 L.W. Couch, II, Digital and Analog Communication Systems, Macmillan Publishing
Co., New York, NY, 1987.
浙公网安备 33021202002483