Ka頻段氮化鎵功放的預(yù)失真線性化器設(shè)計(jì)

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(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081)

0 引言

氮化鎵(GaN)作為第三代半導(dǎo)體材料，是高頻、高壓、高溫和大功率應(yīng)用的半導(dǎo)體材料，正逐漸應(yīng)用到功率放大器中。同時(shí)，為了滿足更高速率地傳輸大容量數(shù)據(jù)的需求，合理地利用日益稀缺的頻譜資源，在毫米波無線通信系統(tǒng)中，調(diào)制技術(shù)常采用正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)和正交幅度調(diào)制技術(shù)(如16QAM、64QAM)等，在實(shí)際使用中，這些高效而復(fù)雜的調(diào)制技術(shù)對(duì)整個(gè)信道的線性度要求極高，會(huì)使功率放大器進(jìn)入飽和工作區(qū)，產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真。而功率放大器是影響信道線性度的主要因素，這就對(duì)功率放大器的線性度提出了更高的要求，促使功率放大器的線性化技術(shù)成為無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)之一。

功率放大器的線性化技術(shù)主要有功率回退法、前饋法、負(fù)反饋法、非線性器件法、數(shù)字預(yù)失真法和模擬預(yù)失真法[1-7]。其中，模擬預(yù)失真技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定度更高，帶寬更寬，成本更低，所以得到廣泛地應(yīng)用[8-12]。本文設(shè)計(jì)了一種新型的模擬預(yù)失真線性化器，用盡量少的肖特基二極管產(chǎn)生非線性補(bǔ)償信號(hào)，改良了傳統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，采用開環(huán)技術(shù)，舍棄使用功分器構(gòu)成的環(huán)路或雙環(huán)路電路結(jié)構(gòu)，更簡單且穩(wěn)定性更高。調(diào)諧部位少，調(diào)試簡單，易于集成和安裝，降低了成本，這種預(yù)失真電路結(jié)構(gòu)還沒有相關(guān)報(bào)道。本文首先介紹模擬預(yù)失真技術(shù)和具體電路，再從理論方面分析該電路的可行性，最后通過專用電磁仿真軟件ADS2013驗(yàn)證其性能并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。

1 模擬預(yù)失真技術(shù)

預(yù)失真技術(shù)是在信號(hào)進(jìn)入功率放大器之前，先通過一個(gè)與功率放大器的非線性失真特性相反的模塊，產(chǎn)生與功率放大器的增益幅度失真(AM-AM)和增益相位失真(AM-PM)相反的信號(hào)，用來補(bǔ)償功率放大器的非線性失真，該模塊稱為預(yù)失真線性化器。利用射頻電路的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行預(yù)失真線性化器的設(shè)計(jì)即為模擬預(yù)失真線性化技術(shù)，其原理框圖及實(shí)現(xiàn)機(jī)理圖如圖1所示。由于模擬預(yù)失真電路簡單，容易實(shí)現(xiàn)，且綜合性能好[2，8，13-15]，所以廣泛應(yīng)用于改善功率放大器的非線性失真[10,16-18]。

圖1 預(yù)失真線性化原理框圖及實(shí)現(xiàn)機(jī)理圖

2 模擬預(yù)失真器的設(shè)計(jì)

2.1 模擬預(yù)失真器電路結(jié)構(gòu)

基于并聯(lián)二極管的模擬預(yù)失真線性化器在1997年被日本學(xué)者K.Yamauchi等人提出以后，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)這種結(jié)構(gòu)的模擬預(yù)失真器衍生出來的電路拓?fù)湫问秸归_了不同程度地研究。國內(nèi)的學(xué)者大多采用肖特基二極管搭配功分器，構(gòu)成環(huán)路或雙環(huán)路的閉環(huán)電路拓?fù)湫问?，電路的穩(wěn)定度較差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高[3]。本文對(duì)傳統(tǒng)環(huán)路或雙環(huán)路電路結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，提出如圖2所示的預(yù)失真線性化器，電路采用開環(huán)的形式，穩(wěn)定性更高，帶寬特性良好，可應(yīng)對(duì)多載波信號(hào)調(diào)制的需要，且調(diào)諧部位少，調(diào)試簡單，結(jié)構(gòu)簡單易于后期實(shí)物加工和安裝，成本低廉。

主傳輸線路上兩個(gè)隔直電容的作用是隔離直流信號(hào)，保證射頻鏈路和直流偏置電路獨(dú)立工作，互不干擾。直流偏置電路由射頻扼流圈、偏置電阻和偏置電壓組成，其中，射頻扼流圈的作用是在饋電端阻止射頻信號(hào)耦合進(jìn)入直流供電電路，保證偏置電路對(duì)肖特基二極管外加直流偏置電壓，使肖特基二極管正常工作。

對(duì)于肖特基二極管數(shù)量的選擇，要同時(shí)兼顧效率和成本的問題，通過ADS2013軟件仿真分析可得，使用兩個(gè)肖特基二極管時(shí)，可以產(chǎn)生滿足補(bǔ)償需求的信號(hào)，同時(shí)有效地控制了成本。所以電路采用兩個(gè)并聯(lián)的肖特基二極管，通過改變偏置電壓或偏置電阻，控制流經(jīng)二極管的電流，使肖特基二極管工作在不同的狀態(tài)，從而改變對(duì)功率放大器非線性失真的補(bǔ)償程度。

圖2 模擬預(yù)失真電路結(jié)構(gòu)

2.2 模擬預(yù)失真器電路的理論分析

電路由傳統(tǒng)的并聯(lián)二極管電路結(jié)構(gòu)改進(jìn)而來，核心是產(chǎn)生非線性信號(hào)的肖特基二極管。作為一種非線性半導(dǎo)體器件，肖特基二極管是利用金半接觸形成肖特基勢(shì)壘而構(gòu)成的一種微波二極管。按照管芯的工藝和結(jié)構(gòu)的不同，分為點(diǎn)接觸二極管和肖特基表面勢(shì)壘二極管(簡稱為肖特基二極管)，其元件的具體參數(shù)有所不同，而電路形式是一致的，工作原理都是依靠金半接觸形成的肖特基勢(shì)壘結(jié)。肖特基二極管的結(jié)構(gòu)是在半導(dǎo)體的表面通過工藝蒸發(fā)一層金屬膜，進(jìn)而會(huì)在半導(dǎo)體和金屬的交界面形成金屬-半導(dǎo)體結(jié)，在物理過程中是以多數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)的，所以肖特基二極管又被稱為“多子器件”。肖特基二極管高頻特性良好，開關(guān)的速度較快，又因?yàn)樾ぬ鼗O管是多數(shù)載流子器件，不會(huì)存在電荷短缺的現(xiàn)象，因此轉(zhuǎn)換速度不受限制。同時(shí)肖特基二極管的噪聲很低，工作的動(dòng)態(tài)范圍很大，所以選用肖特基二極管設(shè)計(jì)電路，由于肖特基二極管的封裝會(huì)帶來分布參數(shù)的影響，引入寄生效應(yīng)，繼而影響毫米波的傳輸性能，所以選用無封裝的肖特基二極管MA4E2037，其小信號(hào)等效電路如圖3(a)所示。

對(duì)流經(jīng)肖特基二極管的電流，可以列出I/V方程I=Is(expαV-1)[3]。其中α=q/nkT，α近似為1/(25 mV)，q為電子電荷，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為溫度，n為理想化因子。其I/V曲線如圖3(b)所示，二極管的電阻呈非線性，可以產(chǎn)生很多高次諧波分量，這種特性決定了其適合作為模擬預(yù)失真器的非線性信號(hào)發(fā)生部分。

圖3 肖特基二極管

肖特基二極管的交流等效模型可以表述為如圖4所示的二端口網(wǎng)絡(luò)形式。

圖4 肖特基二極管交流等效模型

肖特基二極管的傳輸參數(shù)可以表示為：

(1)

所以在整個(gè)預(yù)失真電路中，兩個(gè)并聯(lián)的肖特基二極管的傳輸參數(shù)可以表示為：

(2)

其中:下標(biāo)1，2表示電路中的兩個(gè)并聯(lián)的肖特基二極管(從左到右)。

兩個(gè)并聯(lián)的肖特基二極管中間的微帶線的傳輸參數(shù)可以表示為：

(3)

所以總的傳輸參數(shù)為：

T=TD1*TD2*TD3=

(4)

其中:t=Gd+jωCj，θ為微帶線電長度。

二端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸參數(shù)和散射參數(shù)S21的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

(5)

其中：

X=2(1+Z0t)cosθ

(6)

Y=Z0sinθ(t+2Y0+1+Z0t)

(7)

由式可知，S21與肖特基二極管的等效電導(dǎo)有關(guān)，所以可通過改變兩個(gè)并聯(lián)的肖特基二極管的偏置狀態(tài)，得到不同程度的預(yù)失真特性，可以補(bǔ)償功率放大器不同程度的非線性失真。

3 軟件仿真及結(jié)果

3.1 預(yù)期指標(biāo)

在頻率30 GHz處：

1)增益幅度補(bǔ)償≥4 dB；

2)增益相位補(bǔ)償≥20°。

3.2 軟件仿真

具體電路的設(shè)計(jì)需要考慮幾個(gè)方面：1)介質(zhì)基板的選擇。由于預(yù)失真線性化器在Ka頻段工作，所以選用介電常數(shù)小的RT/duriod5880。2)肖特基二極管在電路中的加載方式。二極管可以采用鰭線、微帶線和共面波導(dǎo)等形式進(jìn)行加載，由于鰭線結(jié)構(gòu)的基片較薄且通過壓力接觸將二極管連接，可靠性較差。而共面波導(dǎo)是由中心導(dǎo)帶和上下金屬接地板構(gòu)成，相比于微帶線，共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中傳輸?shù)哪芰恐饕性谥行膶?dǎo)帶和金屬接地板之間，肖特基二極管加載在共面波導(dǎo)上可以充分吸收在共面波導(dǎo)中傳輸?shù)哪芰?，可以減小損耗，增強(qiáng)了肖特基二極管的非線性特性，提高了肖特基二極管的工作效率，這是微帶線結(jié)構(gòu)不具備的優(yōu)點(diǎn)，所以最終選用共面波導(dǎo)。3)由于毫米波頻段的測(cè)試設(shè)備一般都采用標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)接口，所以需要波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)在微帶電路的輸入輸出端口進(jìn)行轉(zhuǎn)換，要求過渡結(jié)構(gòu)的帶寬較寬，并且簡單容易實(shí)現(xiàn)。最終選用WR28的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)和探針過渡結(jié)構(gòu)在HFSS中仿真設(shè)計(jì)。4)為了保證并聯(lián)二極管式模擬預(yù)失真電路能正常工作，需對(duì)肖特基二極管外加直流偏置電壓，選用ADS2013仿真設(shè)計(jì)的偏置高阻線，在饋電端口對(duì)耦合進(jìn)入直流供電端的射頻信號(hào)進(jìn)行扼制。

通過專用電磁仿真軟件ADS2013對(duì)預(yù)失真電路的性能進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。將介質(zhì)基板設(shè)置為RT/duriod5880，并建立MA-COM公司的肖特基二極管的spice模型，用共面波導(dǎo)集成，導(dǎo)入HFSS設(shè)計(jì)的波導(dǎo)-微帶探針過渡結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型，搭建的整體電路模型如圖5所示。

圖5 模擬預(yù)失真電路

電路由兩個(gè)肖特基二極管并聯(lián)一個(gè)電容，一個(gè)偏置電阻和無源結(jié)構(gòu)組成。通過改變偏置電壓、偏置電阻可以改變流經(jīng)肖特基二極管的電流，進(jìn)而調(diào)整非線性曲線。

在頻率30 GHz處，微帶線長度為2.72 mm，電長度為135°，電容為1 pF，偏置電阻初值設(shè)為300 Ω。通過對(duì)偏置電壓掃描，變化范圍是1.5～5.5 V，確定電壓初始值。結(jié)果如圖6所示。

圖6 偏置電阻為300 Ω時(shí)預(yù)失真特性

由圖6易知，當(dāng)偏置電壓為1.5 V時(shí)，增益幅度曲線和增益相位曲線變化不大，因?yàn)榇藭r(shí)流經(jīng)肖特基二極管的電流很小，肖特基二極管處于弱非線性狀態(tài)，隨著偏置電壓逐漸變大，曲線變得陡峭，補(bǔ)償效果開始變得明顯，當(dāng)偏置電壓增大到4.5 V時(shí)，補(bǔ)償曲線的差異開始變小。通過調(diào)節(jié)偏置電壓，隨著輸入功率的增大，增益幅度非線性增大，增益相位非線性壓縮，這與固態(tài)功率放大器的非線性特性恰好互逆，可以用來補(bǔ)償固態(tài)功率放大器的非線性失真。由圖6可見，偏置電壓的調(diào)節(jié)范圍為1.5～5.5 V，步進(jìn)為0.5 V時(shí)，輸入功率在-20～30 dBm變化范圍內(nèi)，增益幅度非線性增大，增大范圍為4～17 dB，增益相位非線性減小，減小范圍為7°～46°。由于GaN功率放大器的失真曲線平緩，且失真變化范圍較大，所以取偏置電壓初值為3.5 V。

設(shè)置偏置電壓為3.5 V，通過改變偏置電阻觀察補(bǔ)償效果，電阻變化范圍為100～500 Ω。結(jié)果如圖7所示。

圖7 偏置電壓為3.5 V時(shí)預(yù)失真特性

由圖7易知，因?yàn)槠秒娮柙酱?，流?jīng)肖特基二極管的電流越小，增益幅度和增益相位補(bǔ)償效果越不明顯。隨著偏置電阻變小，流經(jīng)肖特基二極管的偏置電流越大，增益幅度和增益相位補(bǔ)償效果越來越明顯。通過調(diào)節(jié)偏置電壓，隨著輸入功率的增大，增益幅度和增益相位分別呈現(xiàn)非線性增大和非線性壓縮，與固態(tài)功率放大器的非線性特性也恰好相反，可以用來補(bǔ)償固態(tài)功率放大器的非線性失真。由圖7可見，偏置電阻的調(diào)節(jié)范圍為100～500 Ω，步進(jìn)為50 Ω時(shí)，輸入功率在-20～30 dBm變化范圍內(nèi)，增益幅度非線性增大，增大范圍為11～17 dB，增益相位非線性減小，減小范圍為6°～58°。所以取偏置電阻為250 Ω，后期實(shí)物調(diào)試過程中根據(jù)需要可更換偏置電阻值。

綜上訴述，偏置電阻初值為250 Ω，偏置電壓為3.5 V時(shí)結(jié)果如圖8所示。

圖8 預(yù)失真器仿真結(jié)果

由圖8可得軟件仿真結(jié)果：在頻率30 GHz處，輸入功率范圍-6～13 dB，偏置電壓為3.5 V，偏置電阻為250 Ω，增益幅度補(bǔ)償為7 dB，相位補(bǔ)償為25°。

根據(jù)仿真得到的偏置電壓和偏置電阻的初值進(jìn)行實(shí)物加工裝配并進(jìn)行后期調(diào)試。

4 實(shí)測(cè)結(jié)果

加工的預(yù)失真線性化器實(shí)物如圖9所示，輸入輸出端使用波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)接頭連接儀器，用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)預(yù)失真線性化器的幅度補(bǔ)償和相位補(bǔ)償特性進(jìn)行測(cè)試。通過調(diào)節(jié)偏置電壓和偏置電阻，得到增益幅度和增益相位的結(jié)果如圖10所示。

圖9 預(yù)失真線性化器

圖10 預(yù)失真線性化器實(shí)測(cè)結(jié)果圖

測(cè)試結(jié)果為：在輸入功率為-6～13 dBm范圍內(nèi)，預(yù)失真線性化器的增益幅度補(bǔ)償可達(dá)到6.4 dB，增益相位補(bǔ)償可達(dá)到28°。

由于肖特基二極管建模誤差，引起仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果存在差距。若能建立較為準(zhǔn)確實(shí)用的spice參數(shù)模型，將對(duì)預(yù)失真線性化電路性能的仿真驗(yàn)證與實(shí)物加工預(yù)估起到重要的推動(dòng)作用。

通過對(duì)比，實(shí)物測(cè)試的增益幅度和增益相位的補(bǔ)償程度比預(yù)期指標(biāo)提高了2.4 dB和8°。通過與其他相關(guān)文獻(xiàn)的比對(duì)和分析，該電路結(jié)構(gòu)更簡單，同時(shí)節(jié)約了成本，減小了后期的調(diào)試量，增益幅度和相位的補(bǔ)償程度分別提高了2 dB和5°，更適于實(shí)際工程中應(yīng)用。

5 結(jié)論

本文將兩個(gè)肖特基二極管并聯(lián)，通過改變偏置電壓、偏置電阻，控制通過肖特基二極管的電流，進(jìn)而調(diào)節(jié)肖特基二極管的非線性特性，從而，預(yù)失真線性化器得到不同的補(bǔ)償程度。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試結(jié)果表明：在30 GHz處，增益幅度補(bǔ)償達(dá)到6.4 dB，增益相位補(bǔ)償達(dá)到28°。電路結(jié)構(gòu)簡單，可在工程實(shí)際中應(yīng)用。

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