射频功率放大器大信号表征及频域非线性特征建模

论文摘要

射频/微波系统中的功率放大器作为通信系统中的核心元器件,放大器产生的非线性现象是影响射频/微波通信系统性能的重要因素,得到专家和学者们的普遍关注。人们对射频功率器件提出了更多的新要求,如更高的功率,更高效率和更小的体积。然而,传统的设计射频功率器件的逐次渐近法非常的耗时,而且需要有经验积累的过程,不利于快速地发布产品。在这种情况下,业界专家们把目光转向了更具发展潜力的新技术上,这就是计算机辅助设计技术。非线性功率器件应用计算机辅助设计技术的基础是要求建立足够精确的非线性大信号射频模型。如果这些模型存在的话,就可以减少大量的重复性工作,使得设计工作更加简便和快捷。大信号网络分析仪的出现和大信号散射函数概念的提出,让射频和微波领域的工程师开始以一种全新的视角来审视现有建模方法所存在的各种问题。本文首先介绍了现有的射频功率器件建模方法,指出了这些方法的局限性,提出了一种基于支持向量机的射频功率放大器建模方法,通过辨识大信号散射函数,精确的表征射频功率放大器的非线性特性。实验结果证实了这种方法的有效性,通过与国外基于神经网络的方法对比,在模型的精度相当的情况下,这种方法具有所需的数据量少,因而相应地使测试的时间减少的优点。这为发展射频微波功率器件的设计方法探索了一个新的途径。基于大信号网络分析仪测量数据,本文设计了针对射频功率放大器的建模实验,提出了一种对散射函数一阶近似的射频功率放大器建模方法,并用压缩特性、大信号反射系数、AM-PM特性、谐波失真特性等多种应用实例验证了模型的有效性。为了便于对射频功率器件进行集成研究,本文开发了一个射频功率放大器大信号表征及频域非线性特性建模平台,这个平台可以实现文中提出的两种建模方法:第一个模块可以实现散射函数的辨识,并通过辨识得到的散射函数分析射频功率放大器的压缩特性、AM-PM特性、谐波失真特性、时域电压电流。第二个功能可以实现:通过实测得到的射频功率放大器的频域数据,计算得到多谐波失真模型（Polyharmonic Distortion Modeling,PHD model）,通过PHD模型分析其与经典S参数模型的区别,并分析功率放大器的压缩特性、AM-PM特性、大信号反射系数等非线性特性。射频功率放大器大信号表征及频域非线性特性建模是当前的研究热点,各国学者都在不同方向上进行着探索,随着研究工作的深入,相信它的理论意义和实用价值会被更多的学者认识到。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 非线性特征建模方法
• 1.2.1 Taylor 级数模型
• 1.2.2 Volterra 级数特征建模
• 1.2.3 包络域特征建模
• 1.2.4 基于神经网络的特征建模
• 1.2.5 我国非线性器件表征技术发展情况
• 1.3 课题的目的和意义
• 1.4 本文的主要研究内容和结构
• 第2章 大信号网络分析测试技术
• 2.1 引言
• 2.2 大信号网络分析仪发展历史
• 2.3 射频微波网络非线性测量技术
• 2.4 大信号网络测试技术
• 2.4.1 什么是大信号网络分析
• 2.4.2 物理量的选择
• 2.4.3 信号表示域的选择
• 2.5 大信号网络分析仪原理
• 2.5.1 谐波采样原理
• 2.5.2 宽带取样下变频器的工作原理
• 2.5.3 大信号网络分析仪的校准
• 2.6 大信号网络分析仪的优缺点
• 2.7 本章小结
• 第3章 基于支持向量机的大信号射频功率器件特征建模
• 3.1 引言
• 3.2 支持向量机的基本理论
• 3.2.1 统计学习理论
• 3.2.2 学习问题的模型
• 3.2.3 经验风险最小化原则
• 3.2.4 VC 维与推广性的界
• 3.2.5 结构风险最小化
• 3.2.6 支持向量机
• 3.2.7 支持向量机回归
• 3.2.8 损失函数
• 3.2.9 线性回归问题
• 3.2.10 非线性回归
• 3.3 常用支持向量机回归算法
• 3.3.1 硬ε-SVR 算法
• 3.3.2 C-SVR
• 3.3.3 ν-SVR
• 3.4 散射函数理论
• 3.4.1 相位归一化
• 3.4.2 散射函数的化简
• 3.4.3 谐波叠加原理物理概念描述
• 3.4.4 测试装置
• 3.4.5 测试文件说明
• 3.5 基于支持向量回归机的散射函数辨识
• 3.5.1 数据预处理
• 3.5.2 核函数及参数的选取
• 3.5.3 实验结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 多谐波失真特征模型及其应用
• 4.1 引言
• 4.2 多谐波失真特征模型基础
• 4.2.1 多谐波失真模型表示方法
• 4.2.2 多谐波失真模型与经典S 参数的关系
• 4.2.3 共轭项存在的证明
• 4.3 多谐波失真模型应用于功率放大器非线性特性分析
• 4.3.1 压缩和AM-PM 特性
• 4.3.2 大信号反射系数
• 4.3.3 谐波失真分析
• 4.3.4 散射基波同入射基波的关系
• 4.3.5 负载牵引特性
• 4.3.6 Hot S-参数
• 4.4 射频功率放大器大信号表征及频域非线性特征建模开发平台简介
• 4.4.1 开发环境
• 4.4.2 系统结构
• 4.4.3 主要功能
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A PHD 模型与S 参数模型对比源程序
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历