小型化星載模擬預(yù)失真器的研制

上海航天電子有限公司，上海 201800

近年來(lái)，小衛(wèi)星在航天領(lǐng)域發(fā)展迅速，各種成果令人矚目。微小衛(wèi)星體積小、質(zhì)量小等特點(diǎn)對(duì)其測(cè)控鏈路提出低功耗、小型化和低成本等高要求。因此，衛(wèi)星下行發(fā)射鏈路末端的功率放大器通常工作在接近飽和狀態(tài)，以提高工作效率，降低整機(jī)系統(tǒng)功耗。同時(shí)衛(wèi)星測(cè)控通信系統(tǒng)采用了二進(jìn)制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)和正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying, QPSK)等數(shù)字調(diào)制方式，傳輸數(shù)據(jù)的速率越來(lái)越高。這些數(shù)字調(diào)制方式通常要求功率放大器具有較高的線(xiàn)性度，來(lái)降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，又不干擾其微小衛(wèi)星相鄰信道的通信工作。傳統(tǒng)的功率回退的方法可以有效滿(mǎn)足調(diào)制信號(hào)對(duì)功放線(xiàn)性度的要求，但其是以犧牲效率為代價(jià)來(lái)?yè)Q取線(xiàn)性度的提高。另外一個(gè)可行的方法是采用線(xiàn)性化技術(shù)，通過(guò)添加外部電路或者器件來(lái)減少功放的失真，降低對(duì)功放功率回退的要求。主流的線(xiàn)性化技術(shù)有前饋法、負(fù)反饋、數(shù)字和模擬預(yù)失真等[1-3]。

模擬預(yù)失真方案通常是利用二極管或者三極管作為預(yù)失真器，構(gòu)建適當(dāng)?shù)碾娐方Y(jié)構(gòu)，在合適的偏壓點(diǎn)附近，控制其插損和相位隨輸入功率的變化特性。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，功耗低，系統(tǒng)效率和穩(wěn)定性高，非常適合目前微小衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)電路小型化和低功耗的發(fā)展要求。本文以肖特基二極管(Schottlky Barrier Diode, SBD)的非線(xiàn)性為基礎(chǔ)提出一種新型的小型化、低成本的星載模擬線(xiàn)性化器，該預(yù)失真器和發(fā)射機(jī)末端的功放級(jí)聯(lián)后，可以在不影響功放效率的情況下，有效降低功放的非線(xiàn)性失真。

1 模擬預(yù)失真器工作原理

功放的非線(xiàn)性分析如下。

線(xiàn)性狀態(tài)下的功放，其輸出和輸入呈線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)功放處于飽和功率時(shí)，其工作效率最高，但是線(xiàn)性度惡化明顯，表現(xiàn)出極強(qiáng)的非線(xiàn)性特性：幅度失真(AM-AM)和相位失真(AM-PM)，即預(yù)失真器的功率增益會(huì)隨輸入功率的增大而壓縮,而輸出相位呈現(xiàn)出超前特性。一款功放實(shí)測(cè)的AM-AM和AM-PM曲線(xiàn)如圖1所示。

本文擬設(shè)計(jì)一個(gè)模擬線(xiàn)性化器來(lái)改善功放在飽和功率處的非線(xiàn)性，其線(xiàn)性化機(jī)理可以用圖2來(lái)表示。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)失真器后，利用預(yù)失真器的非線(xiàn)性特性，信號(hào)的幅度和相位特性分別與功放自身產(chǎn)生的非線(xiàn)性特性相反，二者疊加后相互抵消，從而改善功放輸出端口的AM-AM和AM-PM現(xiàn)象。理論上，如果預(yù)失真器和功放有著完全互補(bǔ)的非線(xiàn)性特性，功放會(huì)得到理想的線(xiàn)性輸出。

圖1 功放的幅度失真和相位失真特性Fig.1 The characteristics of AM-AM and AM-PM

圖2 預(yù)失真電路工作原理Fig.2 The principle of predistortion circuit

2 傳輸型預(yù)失真器工作原理

2.1 預(yù)失真器原理

圖3(a)給出了典型的傳輸型二極管預(yù)失真原理圖，C0是隔直電容，R是偏置電阻，二極管通常采用低勢(shì)壘的肖特基二極管。圖3(b)給出了該預(yù)失真器在不同信號(hào)功率輸入時(shí)其偏置點(diǎn)的變化[3-12]。

小信號(hào)下二極管靜態(tài)工作點(diǎn)Vds為：

Vds=Vcc-Ids·R

(1)

肖特基二極管電流Ids：

(2)

二極管的等效電阻Rd:

(3)

圖3 二極管預(yù)失真電路和偏壓工作點(diǎn)Fig.3 The circuit of single diode prediction circuit and its biasing point

大信號(hào)輸入功率時(shí)，二極管的電流會(huì)出現(xiàn)削峰，信號(hào)失真會(huì)產(chǎn)生直流工作電流, 改變二極管的靜態(tài)工作點(diǎn)由小信號(hào)點(diǎn)S到大信號(hào)工作點(diǎn)L，如圖3(b)所示。此時(shí)二極管工作點(diǎn)的電流IdL和VdL可以表示為：

IdL=Ir+f(VdL)

(4)

VdL=VCC-RIr-R·f(VdL)

(5)

則此時(shí)二極管的等效電阻Rd表示為

(6)

根據(jù)肖特基二極管的簡(jiǎn)易等效電路模型，該傳輸型預(yù)失真器的等效電路如圖4所示，利用微波網(wǎng)絡(luò)方法可以求出其兩端口的散射參數(shù)S21[10-15]：

(7)

圖4 二極管等效電路模型Fig.4 The equivalent circuit of diode

則其幅度|S21|為：

(8)

相位Phase(S21)為:

(9)

由式(8)(9)分析可知, 傳輸型二極管預(yù)失真器的傳播特性隨著輸入功率的變化可以表述為:

Pin(Vin)↑?Vd(靜態(tài)工作點(diǎn))↓?Rtotal↑?

|S21|↑,Phase(S21)↓

Pin(Vin)↓?Vd(靜態(tài)工作點(diǎn))↑?Rtotal↓?

|S21|↓，Phase(S21)↑

理論分析表明，該模擬線(xiàn)性化器會(huì)呈現(xiàn)出幅度擴(kuò)張(插損變小)和相位滯后特性，與功放在飽和功率時(shí)的增益壓縮和相位超前特性正好形成互補(bǔ)，二者級(jí)聯(lián)后，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)電路參數(shù)，將會(huì)改善功放在飽和功率狀態(tài)下的線(xiàn)性特性。

2.2 預(yù)失真器仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述理論分析結(jié)果，采用單個(gè)二極管設(shè)計(jì)模擬預(yù)失真器，仿真如圖5所示。前后各加3 dB衰減改善輸入輸出端口的駐波特性。二極管旁邊并聯(lián)一個(gè)小電容是為了進(jìn)一步增大預(yù)失真器的AM-PM特性，從而更好地補(bǔ)償功放在飽和功率狀態(tài)下的AM-PM特性。仿真結(jié)果如圖6所示, 可見(jiàn)建立的預(yù)失真器電路模型，其兩端口插損|S21|隨著輸入功率的增大，呈現(xiàn)出擴(kuò)張?jiān)龃缶€(xiàn)性，而相位Phase(S21)則表現(xiàn)出滯后現(xiàn)象。該預(yù)失真器的仿真結(jié)果與前述的理論分析結(jié)果一致。

圖5 單二極管預(yù)失真器仿真電路Fig.5 The simulated predistortion circuit of single diode

圖6 非線(xiàn)性仿真結(jié)果Fig.6 Simulated results of nonlinearity

3 模擬預(yù)失真器加工測(cè)試

根據(jù)前文分析，由并聯(lián)二極管構(gòu)成的傳輸型預(yù)失真器能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)想的非線(xiàn)性特性，但是單二極管的非線(xiàn)性特性較弱，增益擴(kuò)張幅度和相位改變程度有限，因此本課題設(shè)計(jì)了由兩個(gè)肖特基二極管構(gòu)成的傳輸型預(yù)失真器，中間由電長(zhǎng)度為半波長(zhǎng)的微帶枝節(jié)線(xiàn)連接，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)幅度的疊加，增大增益擴(kuò)張的幅度。同時(shí)在二極管處并聯(lián)一個(gè)小電容來(lái)進(jìn)一步改善預(yù)失真的AM-PM特性，從而更好地與功放的AM-PM互補(bǔ)。原理及其等效電路如圖7所示。

圖7 提出的預(yù)失真電路和等效電路模型Fig.7 The proposed model and its corresponding equivalent circuit

由式(4)～(7)推導(dǎo)出該雙二極管構(gòu)成的預(yù)失真器的S21為:

(10)

則其幅度|S21|和相位Phase(S21)表示為:

(11)

(12)

將該方案設(shè)計(jì)的預(yù)失真器進(jìn)行加工，基片材料采用普通的FR4板材, 其參數(shù)為：厚度1.0 mm, 相對(duì)介電常數(shù)為4.4，損耗正切為0.02。二極管采用亞光電子的低勢(shì)壘2H10273B肖特基二極管。實(shí)際加工制作的預(yù)失真器照片如圖8所示。

圖8 二極管預(yù)失真器實(shí)物照片F(xiàn)ig.8 The photo of fabricated predistortion circuit

該模擬預(yù)失真器的AM-AM和AM-PM實(shí)測(cè)結(jié)果如圖9(a)所示，正如前文分析，隨著輸入功率的增大，預(yù)失真器呈現(xiàn)出幅度擴(kuò)張、插損減少和相位滯后的特性。二極管有無(wú)小電容對(duì)預(yù)失真器傳播特性的影響如圖9(b)所示，可見(jiàn)在相同的偏壓條件下，加入調(diào)節(jié)電容的預(yù)失真器的幅度變化量和相位有明顯變化，通過(guò)調(diào)節(jié)匹配電容從而與功放的相位超前形成更好的互補(bǔ)特性。

圖9 預(yù)失真電路測(cè)量結(jié)果Fig.9 Measurement result of the designed predistortion circuit

4 預(yù)失真級(jí)聯(lián)功放

通過(guò)功放輸出端口的AM-AM和AM-PM特性能夠定性直觀的觀察功放的失真現(xiàn)象，但是無(wú)法定量的描述功放失真的程度。功放的非線(xiàn)性失真另一個(gè)特征現(xiàn)象是：當(dāng)工作頻率不同的兩個(gè)信號(hào)進(jìn)入功放時(shí)，隨著輸入功率的增大，功放的輸出端口會(huì)出現(xiàn)新的頻率分量，即各種交調(diào)分量和諧波分量。在各種寄生的頻譜分量中，遠(yuǎn)離通帶外的諧波和交調(diào)分量能夠被濾波器有效去除，但是3階交調(diào)分量(IM3)通常處于功放的有效工作帶寬內(nèi)且電平值較高，對(duì)發(fā)射機(jī)通道有很重要的影響。處于飽和狀態(tài)的功放，其3階交調(diào)分量非常高。因此，通常采用3階交調(diào)失真(IMD3)來(lái)衡量功放的非線(xiàn)性失真程度。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的預(yù)失真電路的實(shí)際改善效果，將其和常用的某功放級(jí)聯(lián)測(cè)試。所用S波段的功放指標(biāo)為：飽和功率約為32.5 dBm, (1dB壓縮點(diǎn)功率31.7 dBm)，線(xiàn)性增益40 dB, 回波損耗優(yōu)于12 dB。在不同頻點(diǎn)飽和功放有無(wú)預(yù)失真器的3階交調(diào)對(duì)比結(jié)果在表1中列出。

表1 不同頻點(diǎn)交調(diào)失真改善結(jié)果對(duì)比

由對(duì)比結(jié)果可以看出，該功放級(jí)聯(lián)預(yù)失真器后，在輸出功率基本不變的情況下，功放的3階交調(diào)失真可以有效地改善約6 dB，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的指標(biāo)。當(dāng)功放從飽和功率點(diǎn)回退時(shí)，該預(yù)失真器與功放級(jí)聯(lián)后對(duì)3階交調(diào)分量的改善效果如圖10所示。

為進(jìn)一步驗(yàn)證該預(yù)失真器在不同帶寬信號(hào)輸入時(shí)對(duì)功放非線(xiàn)性特性的改善效果，改變雙音測(cè)試3階交調(diào)的頻率范圍，測(cè)試對(duì)比功放和預(yù)失真器級(jí)聯(lián)后的3階交調(diào)電平值。對(duì)比結(jié)果如表2所示。

圖10 功放不同輸出功率時(shí)3階交調(diào)改善對(duì)比Fig.10 IMD improvement under different output power

頻率/MHz功率/dBmIMD3/dBc結(jié)合預(yù)失真器后功率/dBm改善后的IMD3/dBc0.432.3715.3532.3321.62232.4215.8632.3721.761032.3214.9732.3421.54

5 結(jié)束語(yǔ)

本論文利用肖特基二極管的非線(xiàn)性設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低的星載模擬預(yù)失真器。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該預(yù)失真器和功放級(jí)聯(lián)后能夠有效改善功放在飽和功率情況下的3階交調(diào)指標(biāo)，在輸出功率基本維持不變的情況下，提高功放的線(xiàn)性度。該模擬線(xiàn)性化器會(huì)在未來(lái)的微小衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用,并發(fā)揮重要作用。