寬帶發(fā)射組件相位線性度改善技術(shù)研究

陳曉青，呂 偉

（南京電子器件研究所，南京 210016）

1 引言

有源相控陣?yán)走_(dá)近年來得到了飛速的發(fā)展，對(duì)其核心部件發(fā)射組件提出了更高的要求，在傳統(tǒng)的功率、效率、噪聲等關(guān)鍵指標(biāo)不斷提升的同時(shí)，隨著帶寬的不斷增長(zhǎng)，發(fā)射組件的相位非線性度被越來越多的系統(tǒng)列為關(guān)鍵指標(biāo)之一。

寬帶有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)要求各發(fā)射通道之間相位基本保持一致[1]，組件接收通道工作于線性區(qū)，同一組件各頻點(diǎn)信號(hào)渡越時(shí)間基本一致，系統(tǒng)可通過對(duì)組件某一頻點(diǎn)進(jìn)行硬件或軟件標(biāo)校來保證組件帶寬內(nèi)各頻點(diǎn)相位的一致性；發(fā)射通道往往工作于非線性區(qū)，相位出現(xiàn)非線性壓縮，不同頻點(diǎn)的渡越時(shí)間和非線性相移不同，此時(shí)系統(tǒng)標(biāo)校若針對(duì)某一頻點(diǎn)標(biāo)校，其他頻點(diǎn)的相位會(huì)出現(xiàn)很大的離散性，影響系統(tǒng)寬帶性能。

本文將針對(duì)上述問題研究改善寬帶發(fā)射組件發(fā)射相位非線性度的方法，通過對(duì)影響有源器件非線性的主要參數(shù)如 Ggs、Cds、Cgs、Cd進(jìn)行分析并建模仿真，應(yīng)用LOAD-PULL工具牽引出最佳阻抗點(diǎn)，根據(jù)阻抗點(diǎn)進(jìn)行輸入輸出匹配電路的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，最后在組件應(yīng)用此匹配電路來改善相位非線性指標(biāo)。傳統(tǒng)的放大器線性技術(shù)如前饋、預(yù)失真[2]等都以減小非線性相移的絕對(duì)值為目標(biāo)，不適用于本次研究；傳統(tǒng)的線性化技術(shù)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對(duì)原有電路改動(dòng)大，且以犧牲電路增益為代價(jià)，不利于集成并實(shí)現(xiàn)T/R組件的小型化，本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于通過改變功率器件匹配狀態(tài)的辦法，來達(dá)到改善相位非線性度的目標(biāo)。

2 相位非線性產(chǎn)生原因

發(fā)射組件的功率放大器工作在飽和狀態(tài)，此時(shí)漏電流基本保持不變，負(fù)載輸出電壓將被限幅，放大器出現(xiàn)AM/AM和AM/PM失真，幅度和相位都出現(xiàn)了壓縮，在相位上表現(xiàn)為非線性相移。

由于功率放大器電路中存在儲(chǔ)能元件電感L和電容C，而電感L和電容C的阻抗都和頻率有關(guān)，放大器的源阻抗和負(fù)載阻抗也就隨頻率變化，因此帶內(nèi)各頻點(diǎn)的相位失真程度也各不相同，我們將帶寬內(nèi)不同頻點(diǎn)的非線性相移的差值稱為寬帶相位非線性度[3]，如圖1所示，相位非線性度將隨功率放大器的飽和深度和匹配狀態(tài)發(fā)生變化。

圖1 相位非線性度示意圖

雷達(dá)系統(tǒng)中更關(guān)心的是組件的相位非線性度，對(duì)非線性相移的絕對(duì)值并不關(guān)心，本次研究應(yīng)用項(xiàng)目對(duì)組件相位非線性度的指標(biāo)要求為10°。

3 發(fā)射鏈路非線性模型的提取

發(fā)射鏈路由移相器、開關(guān)、驅(qū)動(dòng)放大器、功率放大器和環(huán)形器組成，如圖2所示，其中移相器、開關(guān)和環(huán)形器為無源電路，驅(qū)動(dòng)放大器工作于線性區(qū)，這幾種器件對(duì)相位非線性影響有限，系統(tǒng)可容忍，相位非線性主要由功率放大器的有源管芯造成，所以從管芯提取大信號(hào)非線性模型是關(guān)鍵。

圖2 組件發(fā)射鏈路圖

GaAs MM IC非線性模型大致分為3種類型:（1）最值模型：從求解功率芯片的二維或三維電磁場(chǎng)方程出發(fā)，用數(shù)值方法求出芯片的非線性特性；（2）半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停河梅蔷€性等效電路模擬管芯的非線性，等效電路中的非線性元件用經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式來表征，通過實(shí)測(cè)確定模型中的參數(shù)；（3）物理模型：一般來說物理模型無需制造和測(cè)量器件，就能根據(jù)工藝參數(shù)及材料性質(zhì)預(yù)測(cè)電路級(jí)性能，理論上是最準(zhǔn)的，但目前還無法用物理模型來表征元器件[4-6]。

這里我們選用中國(guó)電科集團(tuán)第55所采用PHEMT工藝的WFD085105-P40型功放作為分析樣板，采用非線性等效電路模擬管芯的相位非線性失真，并通過多次在線測(cè)試和分析計(jì)算得出管芯的非線性等效電路，如圖3所示。

圖3 管芯的非線性模型

其中電流源Igs、Igd表征柵二極管特性，Igdbr表征柵漏擊穿特性，Ids表征源漏電流特性，Idsrf模擬低頻色散效應(yīng)，Cgs和Cgd分別為和偏置相關(guān)的柵源、柵漏電容。這里源漏電流Ids的擬合是構(gòu)建GaAs PHEMT非線性模型的關(guān)鍵。將構(gòu)建好的管芯非線性等效電路帶入功放電路拓?fù)淇傻玫焦Ψ艈纹姆蔷€性模型。

4 用負(fù)載牽引法來獲取最佳線性相位點(diǎn)

有了功率放大器的非線性模型，利用ADS軟件對(duì)前述的功率放大器進(jìn)行改善相位線性度設(shè)計(jì)。ADS中的負(fù)載牽引技術(shù)一般被用來獲得最大功率點(diǎn)或最大效率點(diǎn)，在這里我們利用同樣的原理來尋找最佳相位點(diǎn)。

設(shè)置相關(guān)參數(shù)，利用ADS對(duì)上述的MM IC有源非線性模型進(jìn)行負(fù)載牽引，負(fù)載牽引控件將有序地搜尋Smith圓圖上的每個(gè)區(qū)域，利用大信號(hào)S參數(shù)仿真控制器，對(duì)模型進(jìn)行多次迭代仿真，最終確定其最佳線性相位阻抗點(diǎn)，以此設(shè)計(jì)輸出端口的二次匹配電路，將實(shí)際負(fù)載阻抗變換到最佳負(fù)載阻抗[7-8]。LOADPULL仿真設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

為了更加直觀地了解非線性相位阻抗點(diǎn)匹配方法對(duì)相位非線性度的改善效果，現(xiàn)將改善前后的dev_lin_phase(S21)（即偏離線性相位）曲線進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖4 ADS軟件負(fù)載牽引法仿真設(shè)計(jì)框圖

通過對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，匹配后相位非線性誤差從12°優(yōu)化到5°，相位非線性度得到了有效的改善，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)想的效果。在改善相位非線性誤差的同時(shí)還需兼顧功率放大器的飽和功率和效率，因此還需提取功率放大器的最佳功率阻抗點(diǎn)和最佳效率阻抗點(diǎn)，其在Sm ith圓圖上對(duì)應(yīng)的位置如圖6所示。

圖5 改善前后的偏離線性相位曲線對(duì)比

圖6 Smith圓圖上的3個(gè)最佳匹配點(diǎn)

因?yàn)楣Ψ判酒呀?jīng)經(jīng)過一次匹配，所以圖6中的3個(gè)最佳阻抗點(diǎn)相距不遠(yuǎn)，獲得最佳線性相位的同時(shí)不會(huì)對(duì)輸出功率和效率產(chǎn)生較大的影響，在實(shí)際使用中需根據(jù)系統(tǒng)要求綜合考慮。

5 輸入輸出匹配電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)提取的最佳相位阻抗點(diǎn)，我們利用ADS軟件中的Smith Chart Utility Tool工具進(jìn)行輸出負(fù)載匹配，這里我們采用微帶單枝短截線匹配電路，為了補(bǔ)償設(shè)計(jì)誤差會(huì)預(yù)留出調(diào)試的調(diào)節(jié)線，設(shè)計(jì)的拓?fù)潆娐啡鐖D7所示。

圖7 微帶匹配電路

6 測(cè)試結(jié)果

將設(shè)計(jì)好的輸入輸出匹配電路應(yīng)用于發(fā)射組件，實(shí)物如圖8所示。

圖8 輸入輸出匹配圖

設(shè)置測(cè)試系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別測(cè)試優(yōu)化電路和未優(yōu)化匹配的非線性相位指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 優(yōu)化電路和未優(yōu)化匹配的非線性相位指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，未優(yōu)化匹配電路的相位非線性誤差是16°，而優(yōu)化電路的相位非線性誤差為7°，對(duì)指標(biāo)改善效果明顯，達(dá)到了系統(tǒng)的要求。觀察其他指標(biāo)，功率增益平坦度提高，組件功率和效率無明顯惡化，指標(biāo)都符合系統(tǒng)要求，驗(yàn)證了文中設(shè)計(jì)方法的可行性。

7 結(jié)論

本文針對(duì)寬帶發(fā)射組件的相位非線性問題進(jìn)行分析，提取了功率管芯的非線性等效電路，用負(fù)載牽引設(shè)計(jì)法在Sm ith圓圖上找出功放單片的最佳線性相位點(diǎn)，并針對(duì)此點(diǎn)進(jìn)行輸出端口二次匹配，達(dá)到改善寬帶發(fā)射組件相位非線性度的目的，這種設(shè)計(jì)方法對(duì)發(fā)射組件和功率模塊的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。同時(shí)該方法可下延至芯片設(shè)計(jì)階段，可進(jìn)一步改善寬帶系統(tǒng)的相位非線性問題。