超寬帶橋T型模擬線性化器設(shè)計

周 麗，王超杰，揭 海，姚瑞林

(中國電子科技集團公司第29研究所 成都 610036)

隨著電子對抗技術(shù)的發(fā)展，精確干擾、靈巧干擾已經(jīng)是電子對抗主流技術(shù)之一，電子對抗系統(tǒng)精確干擾的成功應(yīng)用很大程度上取決于發(fā)射功率的線性化特性[1]。電子對抗發(fā)射通道的線性化特性主要受其末端的高功率放大器壓縮程度影響，常用的GaAs、GaN固態(tài)功率放大器高功率輸出時存在嚴(yán)重的非線性失真特性[2]。因此，為實現(xiàn)電子對抗系統(tǒng)的精確干擾，必須解決固態(tài)功率放大器高功率輸出時非線性化問題。

對于超寬帶固態(tài)功放幅度線性化，主要采用模擬預(yù)失真技術(shù)。模擬預(yù)失真技術(shù)主要有反射型并聯(lián)肖特基二極管、反射型串聯(lián)肖特基二極管等技術(shù)[3-6]。以上技術(shù)利用了肖特基二極管檢波特性及偏置反饋電路實現(xiàn)預(yù)失真性能，對大信號存在“削波”的可能，會產(chǎn)生很多高次諧波信號；同時該技術(shù)對偏置電路穩(wěn)定性要求較高，還存在輸入輸出駐波較差的缺點。

本文基于PIN二極管開發(fā)了一款超寬帶橋T型模擬線性化器，利用微波功率對PIN管微波阻抗的調(diào)制特性，實現(xiàn)微波信號幅度擴張和相位壓縮特性。和傳統(tǒng)基于肖特基二極管的線性化器相比，該線性化器具備偏置電路簡單、不存在大信號“削波”可能和輸入輸出駐波性能良好等優(yōu)點。該電路結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)在0.8～2 GHz頻率范圍內(nèi)增益擴張 5 dB、相位壓縮18°的預(yù)失真特性，并具備良好的寬帶駐波特性。

1 電路結(jié)構(gòu)與原理分析

1.1 電路結(jié)構(gòu)

橋T型模擬線性化器電路由T型衰減器和PIN二極管并聯(lián)組成，其中T型衰減器主要實現(xiàn)線性化器的阻抗近似匹配，改善輸入輸出駐波，具體電路結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 原理分析

在PIN二極管非導(dǎo)通(零偏置或正偏置)狀態(tài)下，其微波阻抗隨PIN二極管加載的射頻功率增大而減小[7-8]。本文中的橋T型模擬線性化器正是利用PIN二極管的微波阻抗受射頻功率調(diào)制這一特性而實現(xiàn)幅度擴張和相位壓縮。

如圖1所示，當(dāng)端口1輸入射頻小信號時，PIN管為高阻抗?fàn)顟B(tài)，可視為開路，模擬線性化器插損為T型衰減器的插損。隨著射頻信號功率的增大，PIN管的微波阻抗逐漸減小，橋T型模擬線性化器插損也逐漸減小，從而實現(xiàn)線性化器的幅度擴張?zhí)匦浴Ｏ辔粔嚎s特性的說明相對復(fù)雜，下面通過理論推導(dǎo)詳細(xì)說明橋T型模擬線性化器實現(xiàn)幅度擴張和相位壓縮的原理。

為簡化分析，零偏置和正偏置狀態(tài)下，PIN二極管等效電路[9-10]如圖2所示。

整個橋T型模擬線性化器的等效電路見圖3。

結(jié)合等效電路，由基爾霍夫電壓定律可知方程：

將式(1)與式(2)聯(lián)立，令RL=R1=Z0，求解得：

式中，Z為PIN二極管的等效阻抗，Z0為系統(tǒng)參考特性阻抗，將Z=1/(Y+jωC)代入式(3)，得到該網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù)為：

式中，Y為PIN二極管并聯(lián)等效電阻的導(dǎo)納；C為并聯(lián)等效的電容。

由S21的表達(dá)式可知，當(dāng)射頻信號較小時，PIN二極管的等效導(dǎo)納較小，橋T型模擬線性化器的插損主要由T型衰減器的電阻R0和R1決定。隨射頻功率的增加，PIN二極管的等效導(dǎo)納逐步增大，S21的幅度也逐步增加，因而實現(xiàn)幅度擴張的功能。

由式(4)可知，S21的相位表達(dá)式為：

隨PIN二極管加載射頻功率的增大，零偏或正偏狀態(tài)下PIN管微波等效電路中的電阻導(dǎo)納Y逐漸增大，而電容C逐漸減小，因此可以實現(xiàn)相位壓縮的功能。

綜上分析，隨PIN二極管加載射頻功率的增大，零偏或正偏狀態(tài)下PIN管微波等效電路中的電阻R和電容C逐漸減小，橋T型模擬線性化器可以實現(xiàn)幅度擴張和相位壓縮的預(yù)失真特性。

2 模擬線性化器的仿真設(shè)計

在實際的系統(tǒng)應(yīng)用中，某微波寬帶綜合系統(tǒng)需要0.8～2 GHz帶寬模擬線性化器，要求幅度擴張5 dB，相位壓縮 20°。

根據(jù)應(yīng)用需求，確定T型衰減器部分小信號插損11 dB左右，駐波比2.5左右，因此可以確定R1=50?，R0=150?。所選PIN二極管參數(shù)零偏置條件下并聯(lián)電容 0.2 pF，微波阻抗 10 Ω～500 Ω(隨加載功率可變)。微波基板選用氧化鋁陶瓷，厚度為0.254 mm。按圖1所示電路結(jié)構(gòu)，橋T型模擬線性化器的HFSS模型如圖4所示。

仿真結(jié)果如圖5～圖7所示，該模擬線性化器在?15～0 dBm 激勵下，幅度擴張 5 dB，相位壓縮約7°。其中相位壓縮仿真結(jié)果與實際需求有一定差距，原因是PIN二極管仿真模型采用的是集總參數(shù)模型，與PIN管實際電路存在差距，對相位特性影響較大，可通過后期的實物測試來修正。

3 模擬線性化器制作與測試

橋T型模擬線性化器的實物制作采用薄膜技術(shù)制造，基片為氧化鋁陶瓷，電路采用鍍金薄膜，固定電阻采用TaN薄膜電阻，阻值精度±5%，實物如圖8所示。

該線性化器經(jīng)調(diào)試后的測試結(jié)果如圖9～圖11所示。在2 GHz處幅度擴張為3 dB，相位壓縮18°；在 0.8 GHz 處幅度擴張 5 dB，相位壓縮 15°左右。該測試結(jié)果與需求指標(biāo)相一致，能夠滿足實際應(yīng)用需求，達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié) 論

本文采用模擬預(yù)失真技術(shù)，用PIN二極管試制了一款超寬帶橋T型模擬線性化器，驗證了此技術(shù)的可行性和實用性。文中采用的設(shè)計方法可廣泛應(yīng)用在超寬帶模擬線性化器設(shè)計中，具有一定的工程應(yīng)用價值。