用于毫米波段行波管的可調(diào)預(yù)失真器

李文朝，張德偉，周東方，汪永飛

(信息工程大學(xué)信息系統(tǒng)工程學(xué)院， 鄭州450002)

0 引言

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)大容量、高速率的傳輸，對(duì)功率放大器線性度和效率提出了更高的要求。目前行波管功放在很多的通信電路(如:衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器)中起著非常重要的作用［1-2］。行波管功率放大器工作在飽和區(qū)時(shí)，可以獲得較高的功率輸出，但卻引入了較嚴(yán)重的信號(hào)失真［3］。解決信號(hào)失真的傳統(tǒng)方式是采用功率回退的方法使功率放大器工作在遠(yuǎn)離飽和區(qū)的線性區(qū)，但這使得放大器的工作效率降低。因此，單個(gè)行波管很難解決高線性和高效率之間的矛盾。通常采用外接線性化器［4-5］的方法解決線性度與效率之間的矛盾。文獻(xiàn)［6］發(fā)現(xiàn)，如果使用預(yù)失真器可以在一定程度上改善行波管的非線性特性，不過這種預(yù)失真器在可調(diào)度方面較差，不能很好地匹配行波管功率放大器，使得行波管功放的線性改善效果不明顯。本文介紹的預(yù)失真電路解決了之前預(yù)失真電路存在的可調(diào)性差的問題，并結(jié)合先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS)仿真以及電路實(shí)測(cè)來驗(yàn)證預(yù)失真電路的可調(diào)性效果。

1 基本原理及仿真設(shè)計(jì)

1.1 預(yù)失真線性化器的基本原理

當(dāng)信號(hào)經(jīng)過圖1所示的系統(tǒng)時(shí)，由于預(yù)失真器的傳輸特性與行波管的傳輸特性相反，使得他們的傳輸特性相互抵消，最終系統(tǒng)呈線性輸出。因此，在相同的輸入功率條件下，行波管將具有更好的線性度。這就是預(yù)失真線性化的思想，它從系統(tǒng)的角度解決行波管的非線性問題。

圖1 預(yù)失真線性化器線性化原理圖

從傳遞函數(shù)的角度考慮，假設(shè)行波管功率放大器的傳遞函數(shù)為

如果最終的傳遞函數(shù)H=Ke-jωt0(線性放大)，則有H=HAHB=Ke-jωt0，所以

函數(shù)HB即為理論上線性化行波管的傳遞函數(shù)。

1.2 電路的設(shè)計(jì)與理論分析

通過對(duì)預(yù)失真線性化技術(shù)的基本原理及肖特基二極管的非線性特性進(jìn)行理論分析，本文設(shè)計(jì)了Ka波段的預(yù)失真電路。該電路主要由90°電橋、GaAs肖特基二極管、微帶線和負(fù)載電阻構(gòu)成，具有良好的匹配特性和較寬的工作帶寬，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，線性改善度更好［7］，其電路模型如圖2所示。

圖2 預(yù)失真電路模型

如圖2所示，射頻信號(hào)進(jìn)入定向耦合器后，分成上下兩路信號(hào)經(jīng)過肖特基二極管、微帶線以及終端負(fù)載電阻，利用肖特基二極管的非線性改變直通端和耦合端的反射系數(shù)，經(jīng)過反射后在耦合器輸出端匯合。由于預(yù)失真電路本身對(duì)稱性良好，所以輸入端和輸出端匹配特性比較好。

為了便于分析，通常將肖特基二極管等效為電納Bd和電導(dǎo)Gd，同時(shí)將負(fù)載電阻和微帶線等效為電納BL和電導(dǎo)GL，端口等效電路模型如圖3所示。

圖3 端口的等效電路模型

圖2預(yù)失真電路模型中3 dB正交混合電橋的直通臂和耦合臂的輸出幅度為1∶1，相位差為90°。其S矩陣如下

設(shè)預(yù)失真電路的輸入信號(hào)為

信號(hào)vin通過電橋后分為兩路信號(hào)v2、v3分別通過2、3端口，設(shè)2、3端口的反射系數(shù)為Γ，則根據(jù)式(3)、式(4)可得

將式(5)、式(6)代入式(7)、式(8)可得

由式(9)可知，該預(yù)失真電路輸入端具有良好的匹配特性。由于該電路2、3端口完全一樣，故電路輸出端無需外加隔離器等，同樣具有良好的匹配特性。

由式(10)可得到新型預(yù)失真電路的增益和相位

其中，Γ=|Γ|ejφΓ。

根據(jù)圖2的電路原理圖、圖3的端口等效電路圖及傳輸線理論，可得

最終，得到反射系數(shù)Γ的模值mag(Γ)及相位ang(Γ)

由式(11)～式(14)可知，圖2預(yù)失真電路的幅度及相位特性由參數(shù)Bd、Gd、BL、GL決定，通過調(diào)節(jié)肖特基二極管的偏置電壓、負(fù)載電阻及微帶線長(zhǎng)度，即可獲得不同的增益擴(kuò)展和相位擴(kuò)張組合，進(jìn)而能更好地補(bǔ)償行波管的非線性特性。

1.3 預(yù)失真電路結(jié)構(gòu)仿真

根據(jù)上述電路分析，正交混合電橋是整個(gè)電路的基礎(chǔ)，電橋的電特性能好壞直接影響到整個(gè)電路匹配效果，因此，對(duì)電橋進(jìn)行仿真優(yōu)化具有理論及實(shí)際意義。圖4為電橋的仿真模型及仿真結(jié)果。

圖4 正交混合電橋及其仿真曲線

利用ADS對(duì)整個(gè)預(yù)失真電路進(jìn)行仿真，該預(yù)失真電路采用的GaAs肖特基二極管具有工作頻段高、品質(zhì)因子好、寄生電感低等優(yōu)點(diǎn)，使得電路穩(wěn)定，預(yù)失真效果更加良好。所采用的介質(zhì)材料是Rogers RT/duroid 5880，其介電常數(shù)為2.2，厚度 H=0.254 mm，以頻點(diǎn)31 GHz為例的仿真結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 不同的偏置電壓Vdc，預(yù)失真電路的AM/AM及AM/PM特性曲線

圖6 不同的微帶線電長(zhǎng)度θ，預(yù)失真電路的AM/AM及AM/PM特性曲線

圖7 不同的偏置電壓RL，預(yù)失真電路的AM/AM及AM/PM特性曲線

該預(yù)失真電路的AM/AM及AM/PM特性曲線可以通過二極管兩端的偏置電壓Vdc、微帶線電長(zhǎng)度θ以及負(fù)載電阻RL進(jìn)行調(diào)節(jié)。在輸入功率為［-20 dBm，15 dBm］內(nèi)，圖5通過調(diào)節(jié)偏置電壓Vdc，使電路產(chǎn)生了5 dB～16 dB的增益擴(kuò)張及60°～80°的相位擴(kuò)展;圖6通過調(diào)節(jié)微帶線電長(zhǎng)度θ，使電路實(shí)現(xiàn)了5 dB～12 dB的增益擴(kuò)張及35°～65°的相位擴(kuò)展;圖7通過調(diào)節(jié)負(fù)載電阻RL，使電路實(shí)現(xiàn)了3 dB～6 dB的增益擴(kuò)張及50°～80°的相位擴(kuò)展。因此，該預(yù)失真電路具有靈活的可調(diào)性，能更好地補(bǔ)償行波管放大器的非線性特性。

2 預(yù)失真電路的實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

綜合以上的理論與仿真分析，設(shè)計(jì)并制作了工作于29 GHz～31 GHz的預(yù)失真線性化器。該預(yù)失真器所采用的介質(zhì)基片為Rogers RT/duroid 5880，介電常數(shù)為2.2，加工及測(cè)試的電路如圖8所示。

圖8 預(yù)失真電路實(shí)物及測(cè)試場(chǎng)景圖

該預(yù)失真器在各頻點(diǎn)上均有明顯的增益擴(kuò)展及相位擴(kuò)張效應(yīng)，且同樣靈活可調(diào)。這里給出預(yù)失真器在31 GHz頻點(diǎn)時(shí)的傳輸特性，如圖9所示，利用型號(hào)為Agilent N5247A PAN-X網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)預(yù)失真器進(jìn)行測(cè)量。以電壓調(diào)節(jié)為例，通過調(diào)節(jié)偏置電壓Vdc，在輸入功率為［-20 dBm，4 dBm］范圍內(nèi)，該預(yù)失真電路的AM/AM、AM/PM具有明顯的可調(diào)性，從測(cè)試的結(jié)果可以看出，其增益擴(kuò)展的范圍為5 dB～11.5 dB，相位擴(kuò)張范圍為35°～65°。在與行波管功率放大器聯(lián)測(cè)時(shí)，根據(jù)不同類型的行波管，通過改變二極管的偏置電壓Vdc、微帶線電長(zhǎng)度θ及負(fù)載電阻RL獲得不同的增益擴(kuò)展和相位擴(kuò)張的組合以更好的匹配行波管，對(duì)行波管的非線性改善更加明顯，具有較高的工程實(shí)現(xiàn)價(jià)值。

圖9 不同的偏置電壓Vdc對(duì)應(yīng)預(yù)失真器的AM/AM及AM/PM測(cè)試曲線

3 結(jié)束語

微波預(yù)失真線性化器種類繁多，本文介紹的預(yù)失真器借助二極管的非線性實(shí)現(xiàn)了增益擴(kuò)展和相位擴(kuò)張預(yù)失真特性。通過調(diào)節(jié)肖特基二極管的偏置電壓、微帶線電長(zhǎng)度及負(fù)載電阻三個(gè)獨(dú)立調(diào)節(jié)的變量，可在額定功率輸入范圍內(nèi)調(diào)節(jié)預(yù)失真器的AM/AM及AM/PM特性，使該預(yù)失真器能更好地改善行波管的非線性?？傊?，該預(yù)失真器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、可調(diào)性靈活、線性化效果良好，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

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