足球比分直播

基于NVNA的射频功率放大器的X-参数测量提取仿真分析.pdf

返回
基于NVNA的射频功率放大器的X-参数测量提取仿真分析.pdf_第1页
第1页 / 共60页
基于NVNA的射频功率放大器的X-参数测量提取仿真分析.pdf_第2页
第2页 / 共60页
基于NVNA的射频功率放大器的X-参数测量提取仿真分析.pdf_第3页
第3页 / 共60页
基于NVNA的射频功率放大器的X-参数测量提取仿真分析.pdf_第4页
第4页 / 共60页
基于NVNA的射频功率放大器的X-参数测量提取仿真分析.pdf_第5页
第5页 / 共60页
点击查看更多>>
资源描述:
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - I- 摘 要 现代无线通信 的迅速发展对作为无线通信核心器件的射频功率放大器提出了更高的性能要求 ,需要其 提供更高的功率 、更高的效率以及 具有 更小的体积,这就意味着射频功放需要工作在大信号激励非线性区 。但是 非线性产生的失真 ,如谐波失真 、互调失真等将会严重影响系统的整体性能 。电子 工程师们急需一种模型 ,能够精确 地描述射频功放的这种失真 。在这样的行业要求下 ,在科学家和工程师们不断 地探索 下,于 2008 年,安捷伦公司提出了 X-参数模型,其能够精确地描述非线性器件的行为特性 ,很好地解决了射频领域的一 些困难问题 ,极大地简化了射频工程师的设计工作 。 本文详细地探讨了 X-参数模型理论 ,首先详细地介绍了 X-参数测量系统,特别是测量系统的校准技术 。其次 ,本文给出了 X-参数模型的推导过程,给出了一种合理的易于理解的直观解释 。最后 ,本文对一个射频功率放大器进行了 X-参数测量 ,提出了一种计算 X-参数的算法 ,并利用提取出的 X-参数进行了一系列的仿真实验 ,验证了 X-参数模型的正确性和精度 。另外 ,为了能够方便地处理测量数据 ,为自主研发的 X-参数测量系统提供软件支持 ,本文利用 MATLAB 开发出一套 X-参数分析软件 ,能够实现测 量数据的预处理和 X-参数的建模及测量数据和 X-参数的可视化 。 对非线性器件的行为特性 进行 描述是一件困难的工作 ,因为器件的工作环境越来越复杂 ,非线性变得也越来越严重 ,而 X-参数模型仅能够精确地描述非线性器件在弱 非线性状态下的行为特性 。在一些脉冲激励的情况下 ,器件不仅表现出非线性 ,而且会出现记忆效应 ,因此还需要更高级的参数模型 ,以便解决记忆效应的难题 。 关键词 非线性 ; X-参数 ; NVNA;校准 ;神经网络 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - II- Abstract The rapid development of wireless communication requires higher perance of RF power amplifiers. RF power amplifiers should provide higher power and efficiency, and should be smaller, which means that the RF power amplifiers need to work under nonlinear conditions. However, the distortion resulting from nonlinearity, such as harmonic distortion and inter-modulation distortion, will affect the perance of the entire system. So the electronic engineers badly need a model to describe the distortion of power amplifiers accurately. On the demand of the industry, in 2008 Agilent put forward the X-parameters model with the scientists’ and engineers’ research. The model can describe the behavioral trait of nonlinear devices, which settled many difficulties in RF field and made the design of the RF engineers easier. This thesis discussed the X-parameters model in detail. Firstly, the measurement instrument was introduced at large, especially the calibration technique. Secondly, the paper derived the X-parameters model and gave an intuitive interpretation. Finally, an RF power amplifier was measured in use of NVNA, and algorithm was put forward to extract the X-parameters from the measurement data, and the model was used to do some simulations so that the correction and accuracy of the model could be validated. What’s more, in order to process the measurement data easily and provide a software system for the measurement system developed independently, a software system analyzing the X-parameters was explored in MATLAB, which could preprocess measurement data, model X-parameters and visualize measurement data and X-parameters. It’s a difficult work to describe the behavioral trait of nonlinear devices, because the conditions were getting more and more complicated, which made nonlinearity more and more critical. However, X-parameters could only characterize accurately the nonlinear device in weak nonlinearity. With some impulse stimulations, there was not only nonlinearity but memory effects. So much more advanced model was needed to solve the difficult problem. Keywords nonlinearity, X-parameters, NVNA, calibration, neural network 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - III- 目 录 摘 要 ....................................................................................................................... I Abstract ....................................................................................................................II 第 1 章 绪论 ............................................................................................................ 1 1.1 引言 ................................................................................................................1 1.2 课题的目的和意义 ........................................................................................2 1.3 非线性器件表征技术发展现状 .....................................................................4 1.3.1 数学模型的发展 .....................................................................................4 1.3.2 测量仪器的发展 .....................................................................................7 1.4 本文的主要研究内容和 结构 .........................................................................7 第 2 章 大信号网络分析测试理论 ......................................................................... 9 2.1 大信号网络分析仪的发展 ............................................................................9 2.2 大信号网络分析 ..........................................................................................14 2.2.1 选择适当的物理量 ...............................................................................14 2.2.2 选择信号描述域 ...................................................................................14 2.2.3 确定输入量和输出量之间的关系 ........................................................16 2.2.4 大信号网络分析硬件平台 ....................................................................17 2.3 基于混频器的 NVNA ..................................................................................17 2.3.1 相位恢复 ...............................................................................................18 2.3.2 谐波采样原理 .......................................................................................19 2.4 NVNA 的校准 ...............................................................................................20 2.4.1 NVNA 的校准流程 ................................................................................21 2.4.2 SOL 校准 ...............................................................................................22 2.4.3 未知直通 unknown thru校准 ...............................................................22 2.4.4 功率校准 ...............................................................................................24 2.4.5 相位校准 ...............................................................................................24 2.5 本章小结 ......................................................................................................25 第 3 章 X-参数模型理论 ...................................................................................... 27 3.1 散射函数模型 ..............................................................................................27 3.2 X-参数模型 ...................................................................................................28 3.2.1 谐波叠加原理 .......................................................................................28 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - IV- 3.2.2 X-参数的定义 ........................................................................................29 3.2.3 X-参数和 S-参数之间的联系 ................................................................31 3.3 X-参数共轭项的证明 ...................................................................................33 3.4 X-参数的直观解释 .......................................................................................35 3.5 本章小结 ......................................................................................................37 第 4 章 X-参数测量提取和仿真实验 .................................................................. 38 4.1 X-参数的测量 ...............................................................................................38 4.1.1 测量系统的配置 ...................................................................................38 4.1.2 X-参数测量方法 ....................................................................................40 4.2 X-参数的提取 ...............................................................................................42 4.2.1 测量文件格式说明 ...............................................................................42 4.2.2 X-参数提取算法 ....................................................................................43 4.3 X-参数仿真实验 ...........................................................................................44 4.3.1 模型正确性验证 ...................................................................................45 4.3.2 模型精度验证 .......................................................................................47 4.4 X-参数模型分析系统 ...................................................................................48 4.5 本章小结 ......................................................................................................52 结 论 .................................................................................................................... 53 参考文献 ................................................................................................................ 54 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 ..................................... 59 致 谢 .................................................................................................................... 60 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第第第 第 1章章章 章 绪论绪论绪论绪论 1.1 引言 通信行业的迅速发展 极大地改变了人们的生活方式 ,同时 ,人们生活需求的增加 ,特别是对高速 、高质量信息交换的需求 ,对通信技术提出了更高的要求。其中作为无线通信核心器件的射频功率放大器 ,面临着巨大的挑战 。现代无线通信 的发展 要求 射频功放能够提供更高的功率 、更高的效率以及更小的体积,这就意味着射频功放需要工作在大信号激励非线性区 ,而非线性产生的失真,如谐波失真 、互调失真等将会严重 地影响到系统的整体性能 。工程师们急需一种模型 ,能够精确 地描述射频功放的这种失真 。 20 世纪 50-70 年代 , S-参数小信号分析理论得到了迅速的发展并成功地应用于射频领域 ,完美地描述了射频器件在小信号激励下的行为特征 ,以致射频工程师们错误 地认为 , S-参数就 是万能的 。但是 ,随着通信技术的 不断演进 ,要求更高的信息交换速度和更大的用户容量 ,这需要通过扩展 通信带宽 、提高 频带利用率 来实现 。这样的技术要求促使 射频功率放大器不得不工作在非线性区 ,甚至是工作在开关状态,在这样的情况下 ,传统的 S-参数小信号分析理论已经无法满足工程实践的需要 ,因为它无法描述射频功率放大器的失真 ,这严重地制约了电子行业和信息产业的快速发展 [1]。 为了满足行业发展的需求 ,工程师们急需能够描述射频器件非线性失真的模型 ,因此 非线性器件的表征技术越发显得重要 ,极大地触发了 科学家和工程师的 研究兴趣 ,逐步 成为电子与信息系统科学的 新兴研究方向和 热点问题 ,但是同时这项技术也面临着巨大的困难和挑战 。 2000 年 6 月份在美国的波士顿发生了一件意义巨大的事 件自动射频技术委员会 ARFTG主持承办了一场著名的专题研讨会 超越 S 参数 。会议中深入地研讨了非线性器件表征技术将面临的挑战和困难 ,明确了这项技术的研究内容 ,主要包括七个方面 从大信号测量到建模 ;从标准到模型检验 ;仿真模拟技术 ;负载牵引 、调配和噪声解决方案 ;大信号表征和校准技术 ;大信号测量技术 ;大信号模型化和信号仿真 [1]。其中 ,大信号激励情况下的非线性器件的测 量和建模技术被认为是最具有挑战 性的技术难题 。从不同的角度出发 ,在不同的层面上将会得到不同的模型物理级模型 、电路级模型和行为级模型 。其中行为级模型可以简化 研究对象,使建模过程 更加 简便 ,因此开发周期短 ,能够节省开发成本 ,同时又能够哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 保证模型的精确度 。因此 ,采用行为级模型建模技术设计高效的射频功率放大器有着重大的意义 ,不仅能够提高通信系统收发器的功率和效率 ,而且能够压缩系统的体积 ,降低能源消耗 ,极大地改善系统的工作性能 。文献 [2]引入 了散射函数 scattering function的概念 ,其通过建立非线性器件 各端口的出射波和各端口的入射波的频谱分量之间的函数映射 ,来描述器件由于非线性失真产生的谐波分量 [1]。但是 ,大信号散射函数是非解析的函数 ,在形式上同传统的散射参数存在着巨大的差别 ,无法实现从小信号到大信号的平缓过渡 ,不利于电子工程师们统一地分析问题 。 在散射函数的基础上 ,文献 [3]提出了多谐波失真模型 PHD,它是对散射函数在大信号激励点处的线性化 ,极好的同传统的散射函数对应起来 ,同时使得模型更为简化和易于理解 。 2008 年,安捷伦公司在统一了 S-参数和 PHD 模型的基础上提出了所谓的 X-参数分析理论 。 X-参数成为 S-参数的扩展 ,当激励为小信号时 , X-参数便退化成 S-参数 。 X-参数的提出给 电子行业带来了变革性的发展 ,现在已经成为新的行业标准 ,被应用到微波射频的各个方面 。 1.2 课题的目的和意义 在现代无线通信领域 ,由于对低功耗 、高功率 、高效率和复杂调制信号环境的需求 ,不得不迫使射频功率放大器工作在大信号激励的条件下 。在大信号激励下 ,射频功率放大器将表现出严重的非线性失真 ,表现在射频功放输出端口出现与输入端口的激励信号频率相关的多种谐波分量 ,这将会严重的影响到系统的性能 ,例如会出现增益压缩 、 AM-AM、 AM-PM 等现象 ,使系统性能变坏 。因此 ,只有能够精确 地描述 射频功率放大器 的非线性失真特性 ,才能让工程师们 更好 地了解 、开发和测试射频功率放大器 ,精确 地预测射频功率放大器的各种性能指标 ,有效 地缩短射频功率放大器的研发周期 ,提高制造产品的成功率 ,节约成本 。 传统的 S-参数小信号分析理论能够很好 地描述射频功率放大器在线性工作状态下的行为 ,但是对描述射频功率放大器的非线性行为毫无帮助 ,它不能用来解释谐波失真 、互调失真引起的频谱再生等现象 。因此 ,我们需要一种新的模型理论 ,能够精确 地描述射频功率放大器的非线性行为特性 。基于多谐波失真模型 的 X-参数 ,作为 S-参数的超集 ,是一种大信号激励模型 ,能够精确地描述信号各个频率分量的幅度和相位 ,很好的解释了增益压缩 、 AM-AM、AM-PM、频谱再生和输入输出匹配等非线性特性 。 如同传统 的 S-参数一样 , X-参数能够很好 地利用先进的非线性测量技术哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 进行现有的非线性特性仿真 。 X-参数模型采用频域的黑匣子建模技术 ,极大地简化了器件模型 。所谓黑匣子建模技术就是整体等效法 ,即在建模的过程中,无论被建模的系统有多 么复杂 ,系统结构如何 ,都只是将该系统等效为一个具有某种转换功能的器件 ,只需要确定该系统从激励信号到响应信号 的转换函数即可完成该系统的建模 。显然 ,黑匣子建模技术是一种纯粹的数学建模方法,它摒弃了一切与系统相关的物理工艺 、电路结构的因素 ,单纯地建立输出信号与输入信号的一种 函数 映射关系 ,因此具有极大的独立性 ,能够很好的保护知识产权 。 过去的十几年 ,射频微波网络的非线性表征技术有了迅速发展 ,实现了巨大的突破 ,大信号非线性测量系统不断得到完善 ,测量变的越来越精确 ,同时更新 、更完善的模型被不断地提出和验证 ,使得非线性表征技术越来越强大 ,应用到了电子 、通信的各个领域 。在 2000 年 12 月的 IEEE ARFTG 第 56 次年会上 , Jan 博士发表了一篇著名的论文 “ Large-Signal Network Analysis going beyond S-parameters” [1]。在这篇论文中 , Jan 博士第一次给 出了大信号射频网络分析 比较具体的 定义 We call the realized ensemble of measuring and modeling solutions “Large-Signal Network Analysis” [1]。这个定义明确的指出“大信号网络分析 ”实质上是指一系列的解决方案 ,是对 非线性 测量 技术 和数据模型化 技术 的统一 ,同时作者还 强调 在建模 的过程中射频网络 必须 置于真实的激励工作环境下 [1]。具体而言 ,大信号网络分析实际上包括两个方面的内容一是被测器件的测量方案 ,包括激励信号的产生 、偏置工作点的设置 、负载牵引的设置及数据的获取 和误差校准 ;二是被测器件的非线性建模 ,即如何分析和处理测量 数据 以及数据的可视化和应用 [1]。 在这种思想的指引下 , 2008 年安捷伦公司 推出了非线性网络分析仪NVNA,并提出了基于 NVNA 的 X-参数分析理论 。 NVNA 和 X-参数的出现彻底解决了非线性给射频工程师带来的烦恼 ,实现 了半导体行业的一次质的飞跃,为射频工程师带来一种全新的设计理念 。在 X-参数的分析理论中 ,建模的重心不再是分析器件或系统的结构 、物理特性和电器特性 ,而是如何获取精确的数据 激励信号和响应信号 ,有了数据 ,利用各种曲线拟合技术便可确定相应的参数 ,而无论是测量系统还是曲线拟合技术 ,它们都是独立于被测器件的 ,不同器件的最大的区别就在于 测量数据 ,所以可以说 “数据就是模型”,这是一次巨大的飞跃 。 由于 NVNA 提供了被测器件 X-参数的测量 和提取功能 ,以及与非线性仿真系统 ADS 的无缝连接 ,因而实现了射频功率放大器的测量 、建模、仿真和哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 设计的一体化 , X-参数已经成为射频领域的主流设计方法 ,不仅应用于功放的设计 ,在半导体工艺开发 、射频模块设计和系统设计中也有应用 。例如 X-参数可以帮助工艺开发工程师改善工艺 ;射频设计工程师可以利用 X-参数设计射频收发组件 ;系统设计工程师可以利用 X-参数进行系统级的仿真和设计;天线设计工程师则可以利用 X-参数 帮助 他们设计天线的输入匹配电路 。 综上分析 ,可以看到 X-参数有着重要的意义 1 能够精确 地描述被测器件的非线性行为特性 ,使得工程师可以预测非线性失真 ,更好 地控制和实现设计目标 。 2 X-参数支持器件之间 的级联 ,在设计过程中 单独器件的 X-参数级联以后可以直接用于描述器件级联形成的系统的非线性行为 ,而不需要任何的改变 ,因而提高了设计的成功率 。 3 X-参数可以用 NVNA 测量得到 ,并可以直接用于仿真软件 ADS 中,简化了建模和设计的流程 ,大大缩短了射频工程师的研发周期 ,加快了产品的生产过程 。 4 引起国内射频工程师对 X-参数的重视 ,希望相关领域的研究人员紧跟国际发展动态 ,深入研究相关理论 。 1.3 非线性器件表征技术发展现状非线性器件表征技术发展现状非线性器件表征技术发展现状非线性器件表征技术发展现状 非线性器件表征技术的研究方向主要是两 方面的内容 一是基于器件物理特性的 模型表征技术 ,二是基于器件测量数据 的模型表征技术 。由于基于器件物理特性的模型表征技术依赖于器件的制造工艺 ,同时描述器件物理特性的数学方程不仅复杂而且难于求解 ,给射频工程师们带来很大的困难 ,不利于产品的快速设计 。而基于器件测量数据的模型表征技术则相对简单的多 ,因为该技术独立于被测器件的制造工艺和电路结构 ,只要能够获得被测器件的激励信号和响应信号即可建立器件的模型 。如果能够获得精确的测量数据 ,那么模型也是精确的 。由于建模周期短 ,已成为当今世界近年研究的主要课题 ,并获得了迅速的发展 。 基于器件测量数据的模型表征技术实际上包括两方面的内容 器件的数 学模型和测量仪器及测试方案 。 1.3.1 数学模型的发展数学模型的发展数学模型的发展数学模型的发展 首先 ,工程师们想到的最简单的数学模型便是 Taylor 级数模型 。 Taylor 级数模型就是用一个 N 阶多项式来近似输出信号 yt和输入信号 xt的非线性关哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 系,如公式 1-1 txaty nNnn∑11-1 在实际工程中 N 一般只取到 3 或者 5,这样计算得到的输出信号的频率主要集中在输入信号频率的附近 。 Taylor 级数模型可以方便 地定量分析二次谐波、 1dB 压缩点 、三阶交调截 取点 IP3等指标 。但是对于具有记忆元件 (如电感电路 )的系统 ,这种模型是不适用的 。 其次 ,工程师 提出了 Volterra 级数模型 ,又称作 “有记忆效应的 Taylor 级数”,其考虑了输入信号各频率间的相互影响 ,将系统划分为无穷级数相加的形式 ,如公式 1-2 tytynn∑∞01-2 式中 ynt是系统的第 n 阶响应 ,由输入信号 xt和系统的第 n 阶冲击响应的n 重卷积求 得。这种方法非常适用于弱非线性系统的分析 ,只需要较低的 次数n 就可精确 地估计非线性失真 。但是 , Volterra 级数的计算非常繁琐 ,并且不能用于大信号激励的环境下 。 以上数学模型都是在时域对信号进行分析 ,但是 在时域对器件进行建模不能清楚地分析各谐波失真分量和互调失真分量同激励的关系 ,因此工程师们提出了频域建模理论 。 19 世纪 50 年代 , S-参数小信号分析理论被应用 于线性微波器件的建模和级联 , 70 年代出现了基于 S-参数的测量仪器 ,全面推动了 S-参数理论的发展和应用 。虽然 S-参数能够完美 地描述微波器件在小信号激励下的行为特性 ,但是对于工作在大信号激励环境下的微波器件 (如雷达系统和无线通信系统中射频功率放大器 )的非线性失真 , S-参数依然无能为力 。 2000 年, Jan 博士提出了超越 S-参数即大信号网络分析的概念 ,随后几年的发展 ,散射函数的概念被应用到器件的非线性建模 。散射函数描述的是被测器件出射波和入射波基波及各次谐波之间的映射关系 ,如公式 1-3 LL ,22211211 ,,,, AAAAFB pmpm 1-3 式中 B 出射波 ; A 入射波 ; p 端口号 ; m 谐波次数 。 描述函数 是一个非线性函数 ,并且不是解析的 。为进一步化简模型 ,在大哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 信号激励 |A11|,0,0,处对散射函数 进行一阶 Taylor 级数展开 ,便得到所谓的多谐波 失真模型 PHD,如公式 1-4 nqnmqnpmqnnqnmqnpmqnmpmpmPAPAHPAPAGPAKB?????∑∑ ImRe 1111111-4 式中 B 出射波 ; A 入射波 ; p 端口号 ; q 端口号 ; m 谐波次数 ; n 谐波次数 ; K F.在 |A11|,0,0,处的函数值 , KF|A11|,0,0,; G F.在 |A11|,0,0,处对 Aqn 实部的偏导数 ; H F.在 |A11|,0,0,处对 Aqn 虚部的偏导数 。 在 PHD 模型的基础上 , 2008 年安 捷伦公司提出了 X-参数模型 ,如公式1-5 klljlkTklijklljlkSklijjFijijaconjPAXaPAXPAXb≠?≠???∑∑ 111,1,,111,1,,111-5 式中 i, j 同 p, m 的含义相同 , k, l 同 q, n 的含义相同 , conj.表示复数的共轭。实际上 X-参数和 PHD 模型是一样的 ,只是表达的形式不同 。 X-参数不仅能够精确 地描述器件的非线性行为特性 ,而且计算非常的简单 ,现在已成为一种新的行业标准 。 X-参数是一个内容涵盖很广泛的概念 ,它描述的不是一种模型 ,而是一种非线性建模的理论 ,是一种思想 。公式 1-5是一种简单的 X-参数模型 ,能够用来描述 时不变非线性系统 在固定偏置 、固定终端负载时单音激励 所产生的非线性 。对于不同的应用 , X-参数模型是不同的 ,对于多音激励信号 ,还需要考虑不 相同音信号之间的互调失真 ;对于严重失配的情况 , X-参数不仅与大信号激励的功率 、频率有关 ,还决定 于终端负载的阻抗 ,这种情况下建立X-参数模型还需要进行负载牵引测量 load-pull;在脉冲激励的情况下 ,射频器件还会表现出记忆效应 , X-参数是随时间变化的函数 。所有这些 由非线性引起 的现象都是 X-参数理论所要研究的对象 ,由此可见 X-参数统
展开阅读全文
收藏
下载资源

加入会员免费下载





足球比分直播