Энергетически эффективный метод линеаризации активной обратной связью транзисторного усилителя мощности СВЧ диапазона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Ланда, Александр Эдуардович

• Ланда, Александр Эдуардович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ланда, Александр Эдуардович

СОДЕРЖАНИЕ

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Ланда, Александр Эдуардович

Выводы

1) Экспериментальные исследования подтверждают возможность линеаризации нелинейных усилителей мощности СВЧ диапазона методом активной обратной связи

2) Экспериментальные исследования подтверждают работоспособность созданной математической модели, что позволяет применить эту математическую модель для проектирования устройств линеаризации активной обратной связью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе исследована возможность применения метода активной обратной связи для линеаризации нелинейного транзисторного усилителя мощности СВЧ диапазона, и проведен анализ работы усилительного устройства СВЧ диапазона, реализующего метод линеаризации активной обратной связью. Основные результаты диссертационной работы:

1. Показана возможность линеаризации транзисторного усилителя мощности СВЧ диапазона методом активной обратной связи, и сформулированы условия, при выполнении которых эта линеаризация достигается. Условием линеаризации является точная компенсация потерь во входной цепи отрицательным сопротивлением (которое должно быть включено во входную цепь). Отрицательное сопротивление может быть реализовано в виде линейного транзисторного усилителя, охваченного положительной обратной связью.

2. Найдены выражения, позволяющие рассчитывать КПД усилительного устройства СВЧ диапазона, реализующего метод линеаризации активной обратной связью. Как показывает анализ этих выражений, КПД устройства, при правильной конструктивной реализации, будет примерно соответствовать КПД используемого нелинейного усилителя.

3. Проведен расчет рабочей полосы частот и глубины подавления интермодуляционных искажений устройства линеаризации активной обратной связью транзисторного усилителя мощности СВЧ диапазона. Расчеты показали, что метод линеаризации активной обратной связью позволяет создавать усилительные устройства СВЧ диапазона, не уступающие, по таким параметрам как глубина подавления интермодуляционных искажений и рабочая полоса частот, устройствам, основанным на компенсационном методе линеаризации (feed-forward linearisation). Степень подавления интермодуляционных искажений и рабочая полоса частот устройства линеаризации двойной обратной связью определяется зависимостью фазовых набегов в кольцах положительной и отрицательной обратной связи от частоты, точностью настройки кольца положительной обратной связи, линейностью вспомогательного усилителя, а также глубиной отрицательной обратной связи.

4. Проведен анализ шумовых характеристик устройства. Показано, что шумы основного (нелинейного) усилителя подавляются устройством линеаризации. Подавление шумов основного усилителя устройством зависит от точности настройки кольца положительной обратной связи и глубины отрицательной обратной связи. Шумовые характеристики устройства линеаризации, в рабочей полосе частот, примерно соответствуют шумовым характеристикам вспомогательного линейного усилителя

5. Результаты анализа рабочей полосы частот, глубины подавления интермодуляционных искажений, энергетических и шумовых характеристик устройства, позволяют определить оптимальную конструкцию устройства и сформулировать требованиям к его элементам.

5. Проведено экспериментальное исследование макета устройства линеаризации активной обратной связью транзисторного усилителя мощности СВЧ диапазона. Сравнение теоретических результатов с экспериментальными, подтвердило соответствие теории и эксперимента.

1. Аблин А.Н., Могипевская Л.Я., Хотунцее Ю.Л., Транзисторные и варакторные устройства (анализ и синтез) // М.: Изд-во " Мир", 1971

2. Беидат Дэ!с.} Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов// М.: Изд-во " Мир", 1971

3. Борисов Б.П. Измерение нелинейных характеристик элементов аппаратуры и трактов дальней связи// М. 1969г. 61стр.

4. Гассанов Л.Г., Липатов A.A., Марков В.В., Могилъченко H.A. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи// М.: Изд-во " Радио и связь", 1988

5. Жидков С.В.Влияние нелинейности амплитудной характеристики тракта приема-передачи на работу модемов со многими несущими// Труды учебных заведений свяи 2002 в. 168 стр. 212 -223

6. Зевеке Г.В., Иоикин П.А., Нетушил A.B., Страхов C.B. Основы теории цепей. М. 1975 г. 751 стр

7. Иванов O.A., Корнилов С.А., Овчинников К.Д. Линеаризация амплитудной характеристики СВЧ усилителей мощности методом комплексной обратной связи. 1994 Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника С. 88 - 95

8. Колесов Л.Н. Введение в инженерную микроэлектронику // М.: Изд-во " Советское радио", 1974

9. Конторович М.И. Нелинейные колебания в радиотехнике// М.: Изд-во " Советское радио", 1973

10 .Корнилов С.А., Ланда А.Э., Овчинников К.Д., Седышев Э.Ю. Линеаризация твердотельных СВЧ усилителей методом двойной обратной связи // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2004 вып. 4 стр. 71-77

М.Ланда А.Э. Разработка схемы подавление интермодуляционных искажений транзисторного усилителя СВЧ методом комбинированной обратной связи //сборник докладов «Техника и технология связи - 4-я международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов стран СНГ» Алмата 2002, стр.253-255

12. Ланда А.Э. Автоматизированный расчет эллиптических полосно-пропускающих фильтров СВЧ на микрополосковой линии.//сборник докладов «Техника и технология связи — 4-я международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов стран СНГ» Одесса 2001, стр. 464-467

13. Левин Б.Р. Статистические основы радиосвязи // М.: Изд-во " Советское радио", 1973

14. Мазепова О.И., Мещанов В.П., Прохорова Н.И, Фельдштейн А.Л., Ярвич Л.Р. Справочник по элементам полосковой техники// М.: Изд-во "Связь", 1979.

15. Сивере М.А., Зейтленюк Г.А., Несвижский Ю.Б. Проэктирование и техническая эксплуатация радиопередающих устройств.// М.: Изд-во " Радио и связь", 1989

16. Фуско В. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование.// М.: Изд-во " Радио и связь", 1990

17. Aitchison С. S., Mbabele M., Moazzam M. R., Budimir D., Ali F. Improvement of Third Order Intermodulation Products of RF and Microwave Amplifiers by Injection// IEEE MTT Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 49, No. 6, pp.1148-1154, June 2001.

18. Antony M., Pavio J. A Network modeling and design method for a 2-18 GHz feedback amplifier// IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. mtt-30, pp. 2212-2216, Dec. 1982.

19. Asbeck M. P. Lawrence E. L. Galton G. I. Synergistic design of DSP and power amplifiers for wireless communications // IEEE Trans. Microwave Theory and Tech, V. 49, N. 11, NOVEMBER 2001 P. 2163 - 2170

20. AsbeckP., Mink J., Itoh T., Haddad G. Device and circuit approaches for next-generation wireless communications// Microwave J.,vol. 42, no. 2, pp. 22-42, Feb. 1999.

21 .Baggelly W. Grid current compensation in power amplifiers // Wireless Engineering. 1933. №2. P. 15 - 23

22.Bonn F. Limitations in feed-forward-linearization// Microwave Journal,August 2000, pp. 24-40 (Part I), September 2000, pp. 94-106 (Part

II)

23. Briffa M.A., Faulkner M. Stability analysis of Cartesian feedback linearisation for amplifiers with weak nonlinearities// Communications, IEE Proceedings Aug 1996 pp 212-218 Volume: 143, Issue: 4

24. Budimir D., Modeste M, Aitchison C. S. A Difference Frequency Technique for Improving IM Performance of RF Amplifiers// Microwave and Optical Technology Letters, February 2000

25. Cox D. C. Linear amplification with nonlinear components //IEEE Trans. Commun., vol. COM-22, pp. 1942-1945, Dec. 1974

26.Dawson J. L. Linearization Techniques:An Overview// Workshop on RF Circuits for 2. 5G and 3G Wireless Systems February 4, 2001

21.Eid E.E. Channouhi F.M. Beuregard F. Optimal feedforward linearisation system design // Microwave journal. 1995 nowember. P 78 - 86.

28.Fock L. S., Tucker R.S. Simultaneous reduction of intensity noise and distortion in semiconductor lasers by feedforward compensation// Electron. Lett. Vol 27, No 14, pp 1297-1299, July 1991

29.Gatti G. A new predistortion lineariser based on monolithic microwave integrated circuit technology // Radio Frequency Systems Division. ESTEC. 1995.V 5. N4.

30.Geller B., Assal F., Gupta R., Cline P. A technique for the maintenance of FET power amplifier efficiency under backoff // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., June 1989, pp. 949-952

31 .Han J., Nam S. Power amplifier linearisation using postdistorshion error canceler // Electron. Lett. Vol 36, No 19, pp 1665-1666, September 2000

32.Hanington G., Chen P.F., Asbeck P. M., Larson L.E. High-efficiency power amplifier using dynamic power-supply voltage for CDMA applications// IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 47, pp. 1471-1476, Aug. 1999.

33 .Hojvendahl M. 2.4 GHz Power Amplifier with Cartesian Feedback for WLAN // Examensarbete utfort i Elektroniska komponenter vid Linkopings tekniska hogskola av LiTH-ISY-EX-3254-2002

34.Iwamoto M. An Extended Doherty Amplifier with High Efficiency over a Wide Power Range// IEEE MTT Symposium, May 2001

35.-Jayaranlan A., Chen P. F., Hanington G., Larson L., Asbeck P.M. Linear High-Efficiency Microwave Power Amplifiers Using Bandpass Delta-Sigma modulators// IEEE MICROWAVE AND GUIDED WAVE LETTERS, VOL. 8, NO. 3, MARCH 1998 121

36 Johansson M., T. Mattsson T. Transmitter linearization using cartesian feedback for linear TDMA modulation// Proc 41st IEEE Vehicular Technology Conference, pp. 439-444, May 1991.

31 .Jung-Suk G. High frequency noise in CMOS low noise amplifiers// a dissertation submitted to the department of electrical engineering and the committee on graduate studies of Stanford university in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy August 2001

3%.Kahn L. Single sideband transmission by envelope elimination and Restoration// Proc. IRE, vol. 40, pp. 803-806, July 1952.

39.Keningion P.B. Efficienccy of feedforward amplifiers // IEE procedurings. 1992.V 139. N5 P 591-593.

40.Kenington P. Linearized RF Amplifier and Transmitter techniques //Microwave Engineering Europe, November 1998, pp. 35-50

41 .Kenington P. Methods Linearize RF Transmitter And Power Amps (part 1) //Microwave & RF, December 1998, pp. 102-116

42.Kenington P. Methods Linearize RF Transmitter And Power Amps (part 2)// Microwave & RF, January 1999, pp. 79-89

43.Koch M., Fisher R. A high efficiency 835 MHz linear power amplifier for digital cellulartelephony// Proceedings of 39th IEEE Vehicular Tech. Conf., pp. 17-18. May 1989.

44.Kumar S. Power amplifier linearisation using MMICs Microwave journal. 1992 april. P 96 - 104.

45.Langridge R., Thornton T., Asbeck P.M., Larson L.E. A Power Re-Use Technique for Improved Efficiency of Outphasing Microwave Power Amplifiers // IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., V. 47, N. 8, AUGUST 1999 P. 1467-1471

46.LiangC., Jong J., Stark W.E. East J.R Nonlinear Amplifier Effects in Communications Systems // IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., VOL. 47, NO. 8, AUGUST 1999 P. 1461-1467

47.Maas S. Third-order inermodulation distortion in cascade stages// IEEE Microwave and Guided Wave Letters, vol 5 no 6, June 1995, pp. 189-191

48.Maeda M. Source Second Harmonic Control for High Efficiency Power Amplifiers// IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 43, No. 12, December 1995, pp. 2952-2958.

49.Males-Ilic N., Milovanovic B., Budimir D. The linearization technique for multichannel wireless system with injection of second harmonic// Wireless Communications Research Group, Department of Electronic Systems, University of Westminster, London W1W 6UW, UK

50.Males-Ilic N., Milovanovic B., Budimir D. Design of Low Intermodulation Amplifiers for Wireless Multichannel Applications// Proceedings of International Conference EUMC'01, pp. 347-351.

51 .Mayer M., Arthaber H. RF Power Amplifier Design // Department of Electrical Measurements and Circuit Design Vienna University of technology June 11,2001

52.McNeilage C., Ivanov E. N.,. Stockwell P. R, Searls J. H. REVIEW OF FEEDBACK AND FEEDFORWARD NOISE REDUCTION

TECHNIQUES //Poseidon Scientific Instruments Pty Ltd, Fremantle, WA, Australia+Dept. of Physics, University of Western Australia, Nedlands, WA, Australia// http://www.psi. com. au/pdfs/fcs98-noisered-a4.pdf

53.Moazzam M.R., Aitchison C.S. A Low Third Order Intermodulation Amplifier With Harmonic Feedback Circuitry// IEEE MTT-S Digest, pp. 827-830, 1996.

54.Myer D. Design Linear Feedforward Amplifiers For PCN Systems// Design Feature, Microwaves & RF, pp.121-133, September 1994.

55.Nesimoglu T., Canagarajah C.N., McGeehan, J.P. Analysis and performance of simple active feedback linearisation scheme// Electronics Letters 13 Apr 2000 pp 703-705 Volume: 36, Issue: 8

56.Pengelly R.S. Improving the linearity and efficiency of RF power amplifiers//High Frequency Electronics. 2002, N10.

57.Perez F. Ballesteros E. Perez J. Linearisation of microwave power amplifier using active feedback networks // Electronic letters. 1985,V 21, N1 P 9-10.

58.Raab F. Envelope elimination and restoration system requirements// Proc RF Technology Expo '88, Anaheim, CA, pp. 499-512, Feb. 1988.

59. Raab F. H. Efficiency of envelope-tracking RF power-amplifier systems//Proc. RF Expo East'86, pp. 303-311

60.Raab F. High efficiency amplification techniques// IEEE Circuits & Systems (Newsletter),pp. 3-11, Dec. 1985.

61 .Raab F. Rupp D. J. High-efficiency single-sideband HF/VHF transmitter based upon envelope elimination and restoration// Proc. 6th Int. HF Radio Syst. Tech. Conf, July 1994, pp. 21-25

62.Raab F. H., Asbeck P.M., Cripps S., Kenirtgton P. B., Popovic Z. B.,Pothecary N., Sevic J. F., Sokal N. O. RF and Microwave Power Amplifier and Transmitter Technologies — Part 4// High Frequency Electronics November 2003 pp 38-49

63.Raab F. H., Weiss M.D. B., Popovic Z. B. Linearity of X -Band Class-F Power Amplifiers in High-Efficiency Transmitters// IEEE Trans. Microwave Theory and Tech, VOL. 49, NO. 6, JUNE 2001

64.Raab F. H., Asbeck P.M., Gripps S., Kenington P. B., Popovic Z. B.,

Pothecary N., Sevic J. F., Sokal N. O. Power amplifiers and transmitters for RF and microwave // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. V 50. N 3. P 814 - 826. March 2002.

65.Raconen T. Power Amplifier Linearization Techniques: An Overview// Workshop on RF Circuits for 2. 5G and 3G Wireless Systems February 4, 2001

66.Ranjan M., Koo K. H., Hanington G., Fallesen C., Asbeck P. Microwave power amplifiers with digitally-controlled power supply voltage for high efficiency and high linearity// IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., vol. 1,2000, pp. 493-496.

67.Saleh A., Cox D. Improving the power-added efficiency of FET amplifiers operating with varying-envelope signals// IEEE Trans, microwave Theory Tech., vol. MTT-31, p. 51, Jan. 1983.

68.Sandrin W.A. Spatial distribution of intermodulation products in active phased array antennas// IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 22, pp. 864-868, 1973

69.Sansen W. Distortion in Elementary Transistor Circuits// IEEE Trans. CAS-II, vol. 46, no. 3, March 1999. pp. 315-324 (10 p.)

70.Schneider K. W., Tranter W.H. Efficient simulation of multicarrier digital communication systems in nonlinear channel environments// IEEE Journal on selected areas in communications, vol.11, no. 3, pp. 328-339, 1993

71 .Schouten J., de Jager F., Greefkes J. Delta modulation, a new modulation system for telecommunication// Philips Technical Review, vol. 13,no. 9, pp. 237-268, March 1952.

72.Schreurs D., Visan T. IM3 suppression using a tehnology independent method based on vectoral large scale mesuarment// IEEE MTT-S Int. Microwave'Symp. Digest, pp. 1435-1438, 1992.

73.Sechi N. F. Linearized class-B tranzistor amplifiers // IEE journal of solidstate circuits. 1976.V SC-11. N 2 P 264-270. lA.Sevic J. Introduction to Doherty Power Amplifiers// IEEE MTT Workshop on Linearity and Efficiency Enhancements for Wireless Applications, June 2000.

IS.Shawn S. Adaptive Digital Predistortion of Power Amplifiers // Agilent Technologies 1400 Fountaingrove Parkway November 2000

16.Stapleton S., Costescu F. An adaptive predistorter for a power amplifier based on adjacent channel emissions// IEEE Trans Vehicular Technology, vol. 41, no. 1, pp. 49-56, Feb. 1992.

77.Sowlati T. Low voltage, high efficiency GaAs class E power amplifier for wireless transmitters// IEEE J Solid State Circuits, pp. 1074-1079, Oct. 1995.

IS.Sowlati T., Greshishchev Y., Salama A. Phase correcting feedback system for class E power amplifier// IEEE J Solid State Circuits, pp. 544-550, April 1997.

19.Staudinger J. High efficiency CDMA RF power amplifier using dynamic envelope tracking technique// IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., vol. 2, Boston, MA, June 13-15, 2000, pp. 873-876.

80.Stewart R., Tusubira F. Feedforward linearisation of 950MHz amplifiers// IEE Proceedings vol. 135, part H, No. 5, pp. 347-350, Oct. 1988.

81 .SuD., McFarland W. A 2.5V, 1-W monolithic CMOS RF power amplifier// proceedings of IEEE 1997 Custom IC Conference, pp. 189-192, May 1997.

82.Tucker R. S. Linearization techniques for wideband analog transmitters// LEOS 1992 Summer Topical Meeting Digest, pp 54 - 55, 29 Jul-12 Aug 1992

83. Vertnema K. Two-tone Linearity in a 900 MHz Silicon Bipolar Class AB Amplifier// Philips Semiconductors Application Note AN98026 1998 Mar 23/http://www.semiconductors.philips.com/acrobatdownload/applicationno tes/NC09742.pdf

84.Weiss M. D. Raab F. H. Galton G. I. Popovic Z. Linearity of X -Band Class-F Power Amplifiers in High-Efficiency Transmitters // IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., V. 49, N. 6, JUNE 2001 P. 1174 - 1180

85.Weldon P. W New Method for Amplifier Linearization // Thomas Weldon department of Electrical and Computer Engineering University of North Carolina at Charlotte Charlotte, NC 28233. White Paper Draft 11/22/2002 t http://wws2.uncc.cdu/tpw/[e-mail]

86. Weldon W. P. Miehle K. Using Amplifiers with Poor Linearity to Linearize Amplifiers with Good Linearity // Preprint: To Appear in 2003 IEEE International Microwave Symposium,Philadelphia, PA

87 .Wilkinson R. J., Kenington P. B. Specification of Error Amplifiers for use in Feedforward Transmitters// Proc. IEE (G), Vol. 139, No. 4, pp. 277-480.

88. Wu Y. Linear RF Power Amplifier Design for CDMA Signals: A Spectrum Analysis Approach // Microwave Journal, Dec. 1998 pp. 22-40

89.Zavosh F. Digital Predistortion Techniques for RF Power Amplifiers with CDMA Applications// Microwave Journal, Vol. 42, No. 10, October 1999, pp. 22-50

90.Zavosh F. Digital Predistortion Linearizes CDMA LDMOS Amps// Microwaves & RF, March 2000, pp. 55-61

91.Zhang Y, Heydari P. A Novel Linearization Technique for Linear/PseudoLinear RF CMOS Power Amplifiers// Department of Electrical and Computer ingineering University of California, Irvine, USA