多頻段SCA電臺(tái)功放的選型設(shè)計(jì)

【摘要】 多頻段SCA電臺(tái)對(duì)功放器的設(shè)計(jì)提出了超寬帶高效率高線性等要求，本文在簡(jiǎn)要分析數(shù)字預(yù)失真技術(shù)和Doherty功放結(jié)構(gòu)技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，提出一種通過選用GaN功放管將數(shù)字預(yù)失真技術(shù)和Doherty方法相結(jié)合，以滿足超寬帶寬頻段功放高效率高線性要求的設(shè)計(jì)思路，希望對(duì)有關(guān)設(shè)計(jì)人員有所啟發(fā)。

【關(guān)鍵詞】 電臺(tái) 功放設(shè)計(jì) 數(shù)字預(yù)失真技術(shù) Doherty結(jié)構(gòu)

20世紀(jì)90年代前期，美國(guó)提出了多頻段多功能電臺(tái)的研制計(jì)劃，并將其應(yīng)用在美軍聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（JTRS）中。該研制計(jì)劃中電臺(tái)的研發(fā)遵循小型化、多頻段化、高集成度、采用軟件通信結(jié)構(gòu)（SCA）等原則，具有較強(qiáng)的互聯(lián)互通能力。

目前，國(guó)內(nèi)多頻段電臺(tái)的設(shè)計(jì)研發(fā)面臨的主要瓶頸是：頻率范圍窄、支持波形數(shù)量有限，導(dǎo)致在使用靈活性以及互聯(lián)互通上較國(guó)外電臺(tái)有較大差距。由此，國(guó)內(nèi)SCA電臺(tái)的研發(fā)應(yīng)定位于通過應(yīng)用新的射頻集成技術(shù)，擴(kuò)展電臺(tái)頻率范圍，以實(shí)現(xiàn)電臺(tái)小型化、模塊化的方向。

功放器作為SCA電臺(tái)的重要組成部分， 功放器的線性度對(duì)系統(tǒng)的BER、帶外干擾指標(biāo)以及組網(wǎng)應(yīng)用都有著重要影響；而功放器的效率高低則影響到整個(gè)電臺(tái)的散熱設(shè)計(jì)、可靠性和元器件的使用壽命。功放器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，就是努力尋找線性度指標(biāo)與效率的最佳平衡點(diǎn)。

一、應(yīng)用數(shù)字預(yù)失真技術(shù)

功放器普遍存在非線性特性。信號(hào)預(yù)失真作為一種對(duì)功放器輸出失真的預(yù)先補(bǔ)償措施，可以一定程度上改善功放器的線性度，亦即改善用于評(píng)估功放線性度的ACPR指標(biāo)。

實(shí)現(xiàn)數(shù)字預(yù)失真的系統(tǒng)架構(gòu)主要有以下幾種：

1. 純基帶架構(gòu)。是指預(yù)失真信號(hào)是在基帶（數(shù)模轉(zhuǎn)換前）就疊加到源信號(hào)中，完全在數(shù)字域進(jìn)行處理。此種架構(gòu)是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)數(shù)字預(yù)失真的主流。

2. 中頻、射頻注入架構(gòu)。即通過數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）產(chǎn)生預(yù)失真信號(hào)，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后再與原信號(hào)疊加。

3. 功放管偏壓調(diào)整。即根據(jù)輸入信號(hào)包絡(luò)對(duì)功放管柵極電壓進(jìn)行調(diào)整，以消除功放器的記憶效應(yīng)。

二、應(yīng)用Doherty方法

如圖1所示，Doherty結(jié)構(gòu)主要由均值功放管和峰值功放管組成。均值功放管工作在B類或AB類，峰值功放管工作在C類。兩個(gè)功放管不是輪流工作，而是均值功放管一直工作，峰值功放管到設(shè)定的峰值才工作。均值功放管后面的 90°四分之一波長(zhǎng)線是阻抗變換，目的是在峰值功放管工作時(shí)，將均值功放管的阻抗減小，保證峰值功放管工作時(shí)和后面的電路組成的有源負(fù)載阻抗變低，這樣均值功放輸出電流就變大。為使兩個(gè)功放管輸出同相，在峰值功放管前面也需要90°相移。

均值功放管工作在B類，當(dāng)輸入信號(hào)比較小的時(shí)候，只有均值功放管處于工作狀態(tài)；當(dāng)管子的輸出電壓達(dá)到峰值飽和點(diǎn)時(shí)，理論上的效率能達(dá)到78.5%。如果此時(shí)將激勵(lì)加大一倍，那么均值功放管在達(dá)到峰值的一半時(shí)就出現(xiàn)飽和了，效率也達(dá)到最大的78.5%，此時(shí)峰值功放管也開始和均值功放一起工作（C類，門限設(shè)置為激勵(lì)信號(hào)電壓的一半）。當(dāng)達(dá)到激勵(lì)的峰值時(shí)，峰值功放管也達(dá)到了自己效率的最大點(diǎn)，這樣兩個(gè)功放管合在一起的效率就遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單個(gè)B類功放管的效率。單個(gè)B類功放管的最大效率78.5%出現(xiàn)在峰值處，現(xiàn)在78.5%的效率在峰值一半就出現(xiàn)了。所以這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能達(dá)到很高的效率（每個(gè)功放管均達(dá)到最大的輸出功率）。

Doherty結(jié)構(gòu)功放的最高效率大約是在回退6dB的時(shí)候達(dá)到，這樣即增加了效率，又滿足了線性度的要求。結(jié)合數(shù)字預(yù)失真技術(shù)可糾正高功率區(qū)的增益和相位特性，改善放大器的線性度。

三、選用超寬帶高效率高線性功放器件

GaN HEMT（氮化鎵高電子遷移率晶體管）是超寬帶放大器應(yīng)用的理想選擇。它所具有的高功率密度、低寄生和高特征頻率（FT）等內(nèi)在特性可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)帶寬放大器的多倍頻程，達(dá)到DC～3GHz超寬頻段的覆蓋。通過數(shù)字預(yù)失真技術(shù)與Doherty方法的配合，對(duì)于采用高譜效數(shù)字調(diào)制技術(shù)的SCA電臺(tái)而言，既能保證發(fā)射信息的線性度又能得到較為理想的效率。以下是CREE公司的CGH40090PP功放管的主要性能參數(shù)，可適用于超寬帶寬頻段電臺(tái)。

頻率范圍：DC～3GHz；

增益：16dB（2GHz），12dB（3GHz）；

輸出功率：100W；

效率：55%

電壓：+28V。

四、結(jié)束語

綜上所述，將Doherty結(jié)構(gòu)和數(shù)字預(yù)失真技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，并合理選用新型GaN功放管，就基本能保證滿足新型SCA電臺(tái)對(duì)射頻輸出的要求。便于擴(kuò)展發(fā)射機(jī)頻率范圍，降低整機(jī)功耗。