矢量調(diào)制器自適應(yīng)前饋線性化技術(shù)研究

李毅，何方敏，唐健，李建軒，孟 進

（1.海軍工程大學艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室，武漢430033；2.海軍電磁兼容研究檢測中心，上海 200235）

0 引言

矢量調(diào)制器是一種可以同時控制信號幅度和相位的器件。矢量調(diào)制器在雷達、通信等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用，如預(yù)失真或前饋功率放大器中的交調(diào)失真對消，輻射干擾對消，交叉極化對消，連續(xù)波雷達和電子戰(zhàn)接收機收發(fā)天線耦合對消；相控陣天線的復(fù)加權(quán)控制；雷達模擬器系統(tǒng)中的幅相控制；單邊帶調(diào)制多普勒模擬和數(shù)字通信系統(tǒng)中作正交調(diào)制；用作移相器等[1-6]。在這些應(yīng)用中，需要矢量調(diào)制器有較高的線性度，尤其是在需要矢量調(diào)制器處理大功率信號時。

典型的矢量調(diào)制器中的主要元器件為PIN二極管。目前抑制矢量調(diào)制器的非線性的主要方法[7,8]是多個PIN二極管串聯(lián)分壓。但采用多個PIN二極管串聯(lián)的方法會使成本和體積大幅增加，器件的插損也會增大；并且當PIN二極管數(shù)量增加時，為了器件的阻抗匹配和減小非線性失真，必須增大PIN二極管的控制電流，這樣使直流損耗大幅增加，從而導(dǎo)致發(fā)熱量大幅增加。因此，PIN二極管串聯(lián)分壓方法減小器件的非線性失真有局限，有必要研究新的減小矢量調(diào)制器非線性失真的技術(shù)。

1 矢量調(diào)制器非線性失真

典型的矢量調(diào)制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其射頻部分由正交功分器，兩個雙極性電調(diào)衰減器以及合成器構(gòu)成。雙極性電調(diào)衰減器是矢量調(diào)制器中的關(guān)鍵部件，它的作用是控制射頻信號輸出功率大小和極性。其主要由含有PIN二極管的電路構(gòu)成。設(shè)輸入PIN二極管的射頻電流的幅值Im，頻率為f，則一個周期流入I區(qū)的電荷量為Im/2πf。若PIN二極管的載流子平均壽命為τ，直流控制電流為Idc，則I區(qū)儲存的電荷量為Idcτ。因此，PIN二極管線性工作的條件是[8]：

當式(1)不能滿足時，雙極性電調(diào)衰減器將出現(xiàn)較嚴重的非線性失真，從而導(dǎo)致矢量調(diào)制器的非線性失真。由式(1)可知，雙極性電調(diào)衰減器的非線性失真程度與射頻輸入功率、頻率，以及直流控制電流（該電流與雙極性電調(diào)衰減器的衰減量對應(yīng)）有關(guān)。

圖1 矢量調(diào)制器模塊框圖

矢量調(diào)制器的非線性一般引起諧波分量，交調(diào)和互調(diào)失真，其中互調(diào)失真對系統(tǒng)的影響最嚴重，不能用一般的濾波器濾除。若矢量調(diào)制器的輸入信號為雙音信號：

則其三階互調(diào)分量的頻率為 2ω1-ω2、2ω2-ω1，落在通帶之內(nèi)，無法用濾波器濾除。該三階互調(diào)若不采取有效的抑制措施，將會對通帶內(nèi)的有用信號形成干擾。本文提出基于相關(guān)檢測法的自適應(yīng)前饋線性化技術(shù)抑制矢量調(diào)制器的三階互調(diào)干擾。

2 矢量調(diào)制器自適應(yīng)前饋線性化技術(shù)

基于相關(guān)檢測法的自適應(yīng)前饋線性化技術(shù)已在功放線性化技術(shù)[9,10]中應(yīng)用，得到了良好的效果。本文將該思想應(yīng)用到矢量調(diào)制器的線性化中，降低或解決矢量調(diào)制器非線性失真中的三階互調(diào)失真。

自適應(yīng)前饋線性化技術(shù)可大幅降低三階互調(diào)干擾，解決一般濾波器無法濾除的通帶內(nèi)的三階互調(diào)信號。自適應(yīng)前饋技術(shù)的基本思想是提取經(jīng)過矢量調(diào)制器后的失真分量，自適應(yīng)調(diào)整其幅相后與輸出失真信號等幅反相疊加，從而將失真分量從輸出信號中消除，得到只含有線性分量的部分。

圖2是矢量調(diào)制器基于相關(guān)檢測的前饋線性化技術(shù)的系統(tǒng)框圖。整個前饋系統(tǒng)由兩個環(huán)路組成，環(huán)路1稱為信號對消環(huán)（也稱誤差檢測環(huán)），環(huán)路2為失真對消環(huán)（也稱誤差對消環(huán)），它們分別實現(xiàn)失真信號的提取與消除功能。圖2中，矢量調(diào)制器1為主矢量調(diào)制器，矢量調(diào)制器2和矢量調(diào)制器3是輔助矢量調(diào)制器。

就相關(guān)控制而言，在信號對消環(huán)中，通過耦合器1提取的基波信號與耦合器2提取的信號作相關(guān)運算，以二者之間的相關(guān)度最小為目標，控制矢量調(diào)制器 2；在失真對消環(huán)路中，以輸出信號與耦合器2提取的信號作相關(guān)運算，以二者之間的相關(guān)度最小為目標，控制矢量調(diào)節(jié)器3。

而矢量調(diào)制器 1產(chǎn)生的失真信號的消除過程分析如下：

在信號對消環(huán)中，輸入信號分為兩路，主功率直接進入矢量調(diào)制器1進行矢量調(diào)制，由于矢量調(diào)制器1的非線性失真，輸出信號中除了原始輸入信號外還出現(xiàn)了新的頻率分量即失真分量。對矢量調(diào)制器1的輸出信號通過耦合器2進行采樣，將其輸入到參考支路的合成器 1。由耦合器1的耦合端進入?yún)⒖贾返难舆t線1，再由矢量調(diào)制器2調(diào)整后，使之與耦合器2耦合端的信號幅度相等相位相反，兩信號相加后消除原始信號，只剩下失真信號，實現(xiàn)信號對消功能。值得注意的是，雖然耦合器1的耦合端的輸出功率較小，但為保證矢量調(diào)制器2輸出的信號的非線性失真小，需選用與矢量調(diào)制器1功率等級相當?shù)氖噶空{(diào)制器；另外，也要合理選擇耦合器1和耦合器2的耦合度。

在失真對消環(huán)中，將合成器1輸出的失真信號通過矢量調(diào)制器3調(diào)整，以及誤差放大器放大后，與經(jīng)過延遲線2的信號的失真信號部分幅度相等、相位相反，從而在合成器2中對消失真信號。

3 仿真計算及結(jié)果

矢量調(diào)制器一種典型的應(yīng)用場合為自適應(yīng)輻射對消系統(tǒng)，本文將該自適應(yīng)反饋線性化的矢量調(diào)制器用于大功率短波自適應(yīng)輻射干擾對消系統(tǒng)中，研究該矢量調(diào)制器線性化技術(shù)。依據(jù)自適應(yīng)對消系統(tǒng)[11]與圖2所示的矢量調(diào)制器自適應(yīng)反饋線性化技術(shù)框圖，建立的對消系統(tǒng)框圖如圖3所示。圖3中發(fā)射機發(fā)射功率為100 W，發(fā)射天線與接收天線的空間耦合度為35 dB（用35 dB衰減器和延遲線模擬空間耦合情況），則到接收機處的干擾功率為 15 dBm；為對消干擾功率，自適應(yīng)輻射干擾對消系統(tǒng)的從發(fā)射機取樣耦合度為20dB，則矢量調(diào)制器1的輸入功率為30 dBm；相關(guān)器3為矢量調(diào)制器1提供控制電壓。利用仿真軟件，建立圖3所示框圖的仿真系統(tǒng)，得到的仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4中可見，采用自適應(yīng)前饋線性化技術(shù)后，RFout（經(jīng)線性化后的信號）相對RFvm（經(jīng)矢量調(diào)制器1后）處的三階互調(diào)分量降低30 dB以上，大大改善了矢量調(diào)制器的非線性失真。

圖2 基于相關(guān)檢測法的前饋線性化技術(shù)的系統(tǒng)框圖

圖3 含矢量調(diào)制器線性化技術(shù)的對消系統(tǒng)框圖

4 結(jié)語

本文將自適應(yīng)前饋線性化技術(shù)應(yīng)用到解決矢量調(diào)制器的非線性失真中，給出了矢量調(diào)制器自適應(yīng)前饋線性化技術(shù)的系統(tǒng)框圖，并在對消系統(tǒng)中研究了該矢量調(diào)制器線性化技術(shù)。仿真結(jié)果顯示使用該技術(shù)可將矢量調(diào)制器的三階互調(diào)失真改善30 dB以上，表明矢量調(diào)制器自適應(yīng)前饋線性化技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景。

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