KU波段衛(wèi)星功放預(yù)失真電路及溫度補償設(shè)計

汪濤，陳興盛，何賀賀，劉勁松

（1.安徽華東光電技術(shù)研究所有限公司，安徽蕪湖，241002；2.合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽合肥，230009）

在通信衛(wèi)星功率放大器的電磁兼容設(shè)計中，功放的線性化是首要解決的問題。由于航天載荷等因素的限制，需要盡可能的挖掘功放自身的潛力以提高其輸出功率，這就對衛(wèi)星功放的線性化設(shè)計提出了更高要求[1-3]。預(yù)失真是功放線性化中最重要的一種技術(shù)，通過在功放輸入端之前加入預(yù)失真電路，讓信號經(jīng)歷與功放非線性特性相反的失真，這兩種相反的失真疊加后使得功放輸出端的線性范圍增加，從而有效提高功放輸出功率[4-5]。

通信衛(wèi)星在太空中的環(huán)境溫度變化非常大，向陽面和背陽面的溫度差在100℃以上，如此劇烈的溫差對衛(wèi)星功放預(yù)失真電路的性能影響很大，其增益和相位特性隨溫度變化越小越好，因此必須進(jìn)行功放預(yù)失真的溫度補償。每一種預(yù)失真電路都有特定工作頻段，在工作頻段外不發(fā)揮作用，目前已報道的預(yù)失真電路大多工作在L波段、S波段等低頻波段，以及Ka波段等毫米波波段[6-7]，項目亟需的13-15 GHz功放預(yù)失真電路及溫度補償須自行設(shè)計。

目前的文獻(xiàn)中仿真結(jié)果和實驗結(jié)果均具有良好的一致性，這證明了利用軟件設(shè)計預(yù)失真電路及溫度補償電路的可靠性。目前的預(yù)失真電路設(shè)計方法，一般是用SPICE、ADS等進(jìn)行肖特基勢壘二極管（SBD）建模分析，然后構(gòu)建單級和多級SBD預(yù)失真電路，并與實驗值比較。本文首先用SBD和PIN二極管設(shè)計單級和多級預(yù)失真電路，再引入PIN二極管和對管電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)失真特性和溫度特性優(yōu)化設(shè)計，從電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計中改進(jìn)預(yù)失真電路的溫度特性，并與國內(nèi)外文獻(xiàn)中的已有結(jié)果進(jìn)行對比。

1 Ku波段功放預(yù)失真技術(shù)及溫度補償原理

■1.1 Ku波段功放的預(yù)失真技術(shù)

功放預(yù)失真的本質(zhì)是基于信號疊加原理，每一款功放都只在特定輸入功率范圍內(nèi)具有線性，當(dāng)輸入功率超過輸入1dB壓縮點時，輸入功率增加但輸出功率保持不變，功放呈現(xiàn)非線性特性。在功放的輸入端前加入與功放非線性特性相反的非線性電路，信號在進(jìn)入功放前已被非線性電路進(jìn)行了與功放特性相反的失真，信號依次經(jīng)歷非線性電路和功放后，輸出信號和輸入信號之間的線性范圍得以擴展。同理，當(dāng)信號經(jīng)歷預(yù)失真電路的三階交調(diào)與信號經(jīng)歷功放的三階交調(diào)同幅反向時，兩者的疊加使得非線性消除，功放的線性范圍得以擴張。

■1.2 溫度補償原理

固態(tài)微波電路中的有源器件如二極管、MOS管等大多由N型摻雜和P型摻雜的半導(dǎo)體構(gòu)成，環(huán)境溫度變化時半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子濃度、遷移率等均會發(fā)生變化，影響半導(dǎo)體的電阻率等電學(xué)特性，使器件呈現(xiàn)出溫度敏感性。為抵消預(yù)失真電路性能隨溫度的變化，在電路中設(shè)計由相反溫度變化特性的熱敏電阻或二極管等構(gòu)成的溫度補償模塊，本文選用PIN二極管和SBD設(shè)計溫度補償電路，使預(yù)失真電路和溫度補償模塊的整體性能不隨溫度變化。

■1.3 KU波段功放預(yù)失真電路的主要技術(shù)指標(biāo)

KU波段功放預(yù)失真電路設(shè)計中重點關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)有增益擴張、相位壓縮、溫度特性等。項目所需的預(yù)失真電路指標(biāo)如下：（1）工作頻率為13-15 GHz；（2）輸出功率動態(tài)范圍在-20-0dBm左右；（3）增益擴張超過20dB，在0-60dBm（功率1mW-1000W）的輸入信號范圍內(nèi)；（4）相位壓縮大于80°；（5）溫度特性，輸入不變時輸出幅度在-50-150℃的變化小于1dBm。

2 預(yù)失真電路的設(shè)計與研究

■2.1 單級預(yù)失真電路的設(shè)計及仿真

選用的PIN二極管為Skyworks公司的APD0805，根據(jù)管芯數(shù)據(jù)手冊[7]，APD0805在小信號狀態(tài)的等效電容值為Cj=0.13pF，在大信號狀態(tài)的阻值約為Rs=1Ω，反向飽和電流Is=1.2x10-11A,載流子壽命50ns，N=1.7，Vj=1V，M=0.5，F(xiàn)c=0.5，Bv=100V，Ibv=10-5A。 選 用 的 SBD 為Alpha公司的DMK2308，根據(jù)管芯數(shù)據(jù)手冊，DMK2308在小信號狀態(tài)的等效電容值為Cj=0.05PF，在大信號狀態(tài)的阻值約為Rs=4Ω，反向飽和電流Is=0.5x10-12A,載流子壽命0.01ns，N=1.05，Vj=0.82eV，M=0.26，F(xiàn)c=0.5，Bv=4V，Ibv=10-5A，Eg=1.43eV。

圖1 三種二極管單級預(yù)失真電路的性能仿真

圖1顯示了三種二極管的預(yù)失真效果，APD0805是PIN管，DMK2308和CDF7620是SBD，單個二極管是最簡單的預(yù)失真電路。相比之下，單管DMK2308的增益擴張可達(dá)11dB，溫度變化時輸出波動1dB。PIN二極管APD0805的溫度特性最好，溫度變化時輸出波動0.2dB，但是預(yù)失真性能很差，增益擴張僅4dB。因此，本文選擇以DMK2308為主體構(gòu)建預(yù)失真電路，滿足增益擴張和相位壓縮要求后，再用APD0805改善溫度特性的設(shè)計思路。

■2.2 二極管級聯(lián)預(yù)失真電路的設(shè)計及仿真

通過器件級聯(lián)構(gòu)建2只、3只、8只DMK2308二極管的串聯(lián)電路，以增強電路的預(yù)失真性能，電路如圖2(a)。和單級SBD預(yù)失真相比，級聯(lián)后預(yù)失真特性明顯增強，管數(shù)越多預(yù)失真性能越好。然而，電路預(yù)失真性能和溫度變化特性是相反的，增益擴張越大，電路的溫度特性就越差，因此，級聯(lián)電路存在一個兩種性能折中的最優(yōu)值，3只DMK2308二極管串聯(lián)電路的增益擴張、相位壓縮、溫度變化特性等整體綜合性能折中起來考慮是最優(yōu)的。

3 溫度補償電路的設(shè)計與研究

■3.1 預(yù)失真電路的溫度變化特性分析

以上研究表明，采用三級SBD的串聯(lián)可能獲得最佳的預(yù)失真性能和溫度特性，圖3給出了三級SBD串聯(lián)預(yù)失真電路在（-50,150）℃的溫度范圍內(nèi)，增益擴張和相位壓縮溫度變化曲線，預(yù)失真性能隨著溫度升高而顯著增強，輸出信號的增益變化最大可到8dB，嚴(yán)重影響了電路的預(yù)失真性能，為此，需要對該電路進(jìn)行溫度補償設(shè)計。

圖2 二極管級聯(lián)預(yù)失真電路的設(shè)計與仿真

圖3 三級SBD串聯(lián)預(yù)失真電路的溫度特性

■3.2 預(yù)失真電路的溫度補償設(shè)計

采用4種方案研究三級SBD串聯(lián)預(yù)失真電路的溫度補償如圖4(a)，輸入和輸出之間串聯(lián)的三只正向DMK2308二極管起到預(yù)失真作用，反向二極管起到溫度補償作用。方案1是用3只反向串聯(lián)的PIN二極管構(gòu)成溫度補償電路，與預(yù)失真電路并聯(lián)，形成對管結(jié)構(gòu)。方案2是用6只反向串聯(lián)的DMK2308二極管構(gòu)成溫度補償電路，與預(yù)失真電路并聯(lián)，形成對管結(jié)構(gòu)。方案3是用6只反向串聯(lián)的PIN二極管構(gòu)成溫度補償電路，與預(yù)失真電路并聯(lián)后，再串聯(lián)1個PIN二極管。方案4是用6只反向串聯(lián)的PIN二極管構(gòu)成溫度補償電路，與預(yù)失真電路并聯(lián)后，再串聯(lián)2個PIN二極管以改善性能。方案4可以獲得最佳的預(yù)失真性能和溫度穩(wěn)定性，其增益擴張超過20dB，增益隨著溫度在（-50，150）℃波動時變化約0.4dB。溫度補償電路改善了電路的溫度變化特性，但也降低了增益。

■3.3 本文預(yù)失真電路和參考文獻(xiàn)的對比分析

綜合比較預(yù)失真電路的主要性能參數(shù)，如工作頻率、增益擴張、相位壓縮、溫度特性等，和參考文獻(xiàn)相比，本文選用SBD 和PIN二極管均符合當(dāng)前衛(wèi)星功放電路的電磁兼容要求，在（-50，150）℃溫度可提供20.1dB的增益擴張和超過80°相位壓縮，明顯優(yōu)于參考文獻(xiàn)。

圖4 三級SBD預(yù)失真電路的溫度補償設(shè)計與仿真

表1 本文預(yù)失真電路與文獻(xiàn)結(jié)果的比較

4 結(jié)論

本文研究了KU波段功放預(yù)失真電路及溫度補償?shù)墓ぷ髟砗驮O(shè)計方法，分別設(shè)計了單級、多級級聯(lián)預(yù)失真電路，分析了增益擴張、相位壓縮、溫度特性等性能指標(biāo)，選取三級級聯(lián)電路分析了溫度變化時預(yù)失真特性曲線，對其進(jìn)行了溫度補償電路設(shè)計。本文引入SBD設(shè)計了無電感、電阻和電容的預(yù)失真電路，由于電感、電阻和電容在芯片中的面積非常大，進(jìn)行版圖匹配設(shè)計時面積更大，當(dāng)前的集成電路工藝盡量少用電感、電容等無源器件，因此，該有源電路在和后級的功率放大器集成中有重要應(yīng)用?？紤]到衛(wèi)星功放的環(huán)境溫度變化，采用SBD和PIN兩種特性的晶體管通過改進(jìn)電路設(shè)計實現(xiàn)了（-50，150）℃較為穩(wěn)定的預(yù)失真功能，本文設(shè)計的預(yù)失真及溫度補償電路滿足了項目要求的衛(wèi)星通信功放的電磁兼容設(shè)計。