【摘 要】
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功率放大器（功放）的线性化技术是平衡功放效率与线性矛盾的关键。为了获得更高的传输速率,5G（第五代移动通信）系统采用了MIMO（多入多出）架构,且信号的频率提高,带宽增加,调制方式愈加复杂,峰均比进一步增大,这些复杂场景对线性化技术提出了更高的性能需求。模拟线性化器与数字预失真相比,实现方式更简单、工作带宽更宽、功耗和成本更低,但是传统线性化器在复杂场景中低下的线性化能力制约了其在通信系统中的广泛
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功率放大器（功放）的线性化技术是平衡功放效率与线性矛盾的关键。为了获得更高的传输速率,5G（第五代移动通信）系统采用了MIMO（多入多出）架构,且信号的频率提高,带宽增加,调制方式愈加复杂,峰均比进一步增大,这些复杂场景对线性化技术提出了更高的性能需求。模拟线性化器与数字预失真相比,实现方式更简单、工作带宽更宽、功耗和成本更低,但是传统线性化器在复杂场景中低下的线性化能力制约了其在通信系统中的广泛应用。本文围绕5G系统对线性化器提出的性能需求展开研究,探索适用于5G系统的线性化器设计理论与创新架构。本文的主要内容及创新点如下:1.对传统线性化器的工作模式（幅度与相位扩张）进行扩展,提出了基于多种工作模式（幅度或相位压缩）之间幅相自补偿特性的设计理论,实现了幅度/相位特性可以独立且连续调整的线性化器,改善了传统线性化器的幅度/相位特性在偏置调节时的相关性较高,难以对功放的幅度/相位失真同时进行精确补偿的问题。设计的线性化器在3.4 GHz～3.6 GHz的频率范围内可获得超过3 d B/30?的幅/相独立调整范围,在多种应用场景下均实现了良好的线性化效果,最大信号带宽为55MHz时可以将功放输出的邻信道功率比改善至-40 d Bc以下,且在载波功率回退以后也表现出良好的功率动态范围。该线性化器不需要与功放进行联合设计即可提供非线性特性的精确补偿,而且与传统线性化器相比有相近的功耗与更简便的控制逻辑,在设计和使用上有良好的普适性。2.证明了功放的非线性特性与激励信号频率的关系,静态非线性主要与载波频率相关,记忆效应主要与包络频率相关,并根据这种关系提出了一种模拟/数字混合的双域线性化技术,实现了线性化器与数字预失真分别对宽带/多带信号激励下功放的静态非线性与记忆效应进行补偿。该技术弥补了线性化器难以补偿记忆效应的缺陷并降低了信号处理的开销,实验结果表明该技术相比数字预失真改善了2 d B的邻信道功率比和归一化均方误差,且基带模型的参数数量从32降至20。3.利用两个幅相自补偿的线性化器实现了灵活配置回退量的Doherty线性化器架构,改善了现有线性化器难以精确补偿Doherty功放的复杂非线性特性的问题。实验结果表明在3.5 GHz中心频率,信号带宽为20 MHz时,使用该架构可以获得12 d B的邻信道功率比改善。幅相自补偿的特性使该线性化器可以对各段非线性特性进行独立调节,简化了控制逻辑,且不依赖与Doherty功放联合设计,可以灵活地应用于复杂调制的通信系统中。4.对传统线性化器的带宽受限因素进行了分析,提出了一种基于宽带负载匹配网络的线性化器结构,通过设计负载匹配网络的参数,实现了恒压偏置的宽带线性化器;并提出了一种恒压偏置线性化器目标函数的设计空间扩展理论,在保证线性化器宽带性能的同时,扩展了设计空间,降低了设计复杂度;两种方案改善了传统线性化器的宽带特性调整依赖于非线性器件的偏置调节的问题,有效缓解了线性化器带宽、性能与控制成本之间的矛盾。分别设计了两款工作在29 GHz～31 GHz和40 GHz～43 GHz的恒压偏置宽带线性化器,线性化后功放在宽带内的输出1 d B压缩功率改善超过1.2 d B和1.7 d B,100 MHz双音信号的三阶交调失真改善超过12.2 d B和8.6 d B。
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