毫米波線性化固態(tài)功放的研制

李 凱,黃 建,李 培

（1.中國西南電子技術(shù)研究所,成都610036;2.電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院,成都 610054）

毫米波線性化固態(tài)功放的研制

李 凱1,黃 建1,李 培2

（1.中國西南電子技術(shù)研究所,成都610036;2.電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院,成都 610054）

研制了工作于Ka頻段的10 W線性化固態(tài)功放。采用預(yù)失真技術(shù)的線性化單元主要由一個肖特基二極管和一個電容并聯(lián)構(gòu)成,具有增益擴(kuò)展和相位延遲的特性,并且其增益和相位特性具有可調(diào)性。將其應(yīng)用于工作頻率為30 GHz、輸出功率為10 W的功放,雙音激勵信號頻率間隔為5 MHz,三階互調(diào)（IMD3）可以改善15 dBc。

毫米波;固態(tài)功放;三階互調(diào);預(yù)失真;線性化器

1 引 言

隨著毫米波技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種系統(tǒng)平臺,毫米波系統(tǒng)對大功率固態(tài)發(fā)射機(jī)的需求日益迫切。電子戰(zhàn)、衛(wèi)星通信、地面測控站等均需要高可靠性的大功率毫米波固態(tài)發(fā)射機(jī),其發(fā)射功率需求為幾瓦至幾百瓦不等。

作為毫米波發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,功率放大器對工作效率和輸出線性度的要求也越來越高,尤其是在航天測控、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域,為達(dá)到較好的通信質(zhì)量和測控精度,對具有高線性度的毫米波固態(tài)功放的需求越來越迫切。而目前毫米波固態(tài)功放自身的線性度通常不能滿足系統(tǒng)要求,需要采用相應(yīng)的線性化技術(shù)來達(dá)到指標(biāo)要求。

雖然在較低的頻段,如 L、S 、C 、X 等頻段,諸如預(yù)失真[1]、負(fù)反饋[2]、前饋[3]等功放線性化技術(shù)應(yīng)用已較為成熟,但在毫米波頻段,國內(nèi)對于高功率功放線性化技術(shù)的研究幾乎沒有。目前在毫米波頻段最常用的線性化技術(shù)是功率回退法,該方法原理簡單、易于實(shí)現(xiàn),但線性度的提升范圍有限,同時也帶來了成本上升、效率降低、功耗增大等缺點(diǎn)。

本文采用模擬預(yù)失真線性化技術(shù),在不降額使用并滿足功率需求的前提下,不僅可以達(dá)到通信測控系統(tǒng)對線性度指標(biāo)的要求,與功率回退法相比,該技術(shù)在滿足相同的指標(biāo)前提下,可節(jié)約大量成本,并成倍降低功耗。

本文首先介紹了毫米波線性化固態(tài)功放的方案設(shè)計原理和研制過程,然后給出了仿真結(jié)果,最后給出了實(shí)驗測試結(jié)果。

2 方案設(shè)計及工作原理

如圖1所示,Ka頻段線性化固態(tài)功放主要由前端可調(diào)放大模塊、線性化模塊和末級功放單元三部分組成,各單元之間用波導(dǎo)連接。

圖1 Ka頻段線性化固態(tài)功放設(shè)計框圖Fig.1 Block diagram of linearizer for solid state power amplifier in Ka-band

前端放大模塊主要由可調(diào)增益放大器組成,可調(diào)增益放大器的作用是提供使線性化模塊工作在最佳工作點(diǎn)的功率。在本項目中,可調(diào)增益放大器由一個固定增益放大器和一個電調(diào)衰減器組成。

線性化模塊由非線性電路單元、射頻輸入輸出匹配電路、調(diào)諧電路、直流饋電單元等組成。線性化模塊用以補(bǔ)償末級功放的非線性失真,提高功放的線性度。非線性電路單元產(chǎn)生的非線性特性與功放的非線性特性呈現(xiàn)相反的趨勢,與功放級聯(lián)后,可一定程度補(bǔ)償功率放大器的非線性,如圖2所示。加入線性化模塊以后,可在一定范圍內(nèi)提高功放的線性度,三階互調(diào)指標(biāo)一般可提高4～20 dBc。

圖2 預(yù)失真技術(shù)的工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of predistortion

末級功放由波導(dǎo)微帶探針過渡、功率分配合成網(wǎng)絡(luò)、末級功率放大器、直流饋電電路等幾部分組成。在本項目中,線性化的主要目標(biāo)是針對目前已經(jīng)應(yīng)用于通信測控等工程中的Ka頻段10 W固態(tài)功放模塊。

3 各級電路單元的研制

3.1 毫米波功放單元的研制

通過對毫米波大功率固態(tài)功放合成技術(shù)的研究,突破了微帶與波導(dǎo)相結(jié)合的混合式合成網(wǎng)絡(luò)的功率合成關(guān)鍵技術(shù)（如圖3）,研制出了Ka頻段的5 W、10 W、20W、50W、200W等系列化毫米波固態(tài)功放,并已成功應(yīng)用于航天測控、衛(wèi)星通信等多個領(lǐng)域。

圖3 末級單元功率模塊原理圖Fig.3 Schematic diagram of solid state power amplifier

3.2 線性化單元的研制

（1）末級功放單元的非線性參數(shù)測試

首先,需要得到末級功放單元的非線性特性參數(shù)。通過測試方法得到功放的輸入功率-增益特性、輸入功率-傳輸相移特性。

（2）毫米波固態(tài)功放非線性特性軟件建模及優(yōu)化

通過實(shí)驗手段得到的一些功放非線性特性參數(shù),在ADS中建立固態(tài)功放單元的大信號非線性仿真模型,可以對功放的實(shí)際情況進(jìn)行模擬,這樣就可以在軟件仿真平臺中將功放與預(yù)失真器一起協(xié)同仿真,從而得到相對比較準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。

（3）線性化單元設(shè)計

線性化單元的基本電路原理如圖4所示。

圖4 采用單個二極管并聯(lián)的預(yù)失真器電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of p redistortion linearizer with a parallel Schottky diode

在軟件中,建立二極管的理想模型,通過調(diào)節(jié)電路的偏置電壓,可以改變增益擴(kuò)展性能;通過調(diào)節(jié)二極管的并聯(lián)電容,可以改變相位擴(kuò)展性能[4,5]。加入輸入輸出匹配電路可以使得整個預(yù)失真器的插損減小,輸入可調(diào)增益放大器可以使得二極管工作在最佳工作點(diǎn)上,輸出可調(diào)增益放大器不僅可以使得輸出功率滿足指標(biāo)要求,而且可以隔離末級功放反射回來的能量,保護(hù)二極管。通過調(diào)諧饋電電壓和調(diào)試調(diào)諧單元,可以使得電路工作在最優(yōu)。

經(jīng)過第1和第2步,在ADS軟件中將功放與整個線性化電路協(xié)同仿真。末級功放的三階互調(diào)指標(biāo)的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 預(yù)失真電路與功放級聯(lián)仿真結(jié)果Fig.5 Simulated IMD3 of linearizer for solid state power amplifier

3.3 前端可調(diào)放大模塊的研制

前端可調(diào)放大模塊主要由電調(diào)衰減器和固定增益放大器組成（如圖6所示）,可以滿足整機(jī)的增益指標(biāo)要求、電調(diào)控制整機(jī)系統(tǒng)的增益,并可使得線性化單元工作在最佳工作點(diǎn)上。

圖6 前端可調(diào)放大模塊設(shè)計框圖Fig.6 Block diagram of d riving amplifier

研制出的10 W Ka頻段線性化固態(tài)功放的實(shí)物如圖7所示。

圖7 Ka頻段10W線性化固態(tài)功放實(shí)物照片F(xiàn)ig.7 Photo of linearizer for 10 W solid state power amplifier in Ka-band

4 試驗情況

圖8為毫米波線性化固態(tài)功放測試系統(tǒng)框圖。如圖所示,雙音信號由2個信號源（頻率間隔為5 MHz的點(diǎn)頻信號）同時饋入等功率合路器,然后經(jīng)由放大驅(qū)動模塊進(jìn)入線性化單元最終進(jìn)入末級功放單元。輸出信號經(jīng)過一個雙耦合器分別輸出到功率計和頻譜儀,可以分別對輸出信號的頻譜和功率進(jìn)行監(jiān)測。

圖8 線性化單元級聯(lián)功放的整體測試系統(tǒng)框圖Fig.8 Block diagram of testing system

測試是在功放從1 dB壓縮點(diǎn)回退3 dB,即輸出功率為37 dBm時進(jìn)行的。雙音激勵信號頻率間隔為5MHz,測試頻段為29.5～30 GHz。

圖9和圖10分別給出了功放加入線性化單元前后的三階互調(diào)（IMD3）指標(biāo)比較。

圖9 功放未加線性化單元的三階互調(diào)Fig.9 Measured IMD3without predistortion linearizer

圖10 功放加入線性化單元后的三階互調(diào)Fig.10Measured IMD3 with predistortion linearizer

由測試結(jié)果可知,在工作頻率為30GHz時,未加線性化單元前,功放三階互調(diào)為-19 dBc;加入線性化單元后,功放三階互調(diào)為-35 dBc。因此,該線性化單元對Ka頻段10W功放的三階互調(diào)改善了15 dBc以上。

最終,Ka頻段10W線性化固態(tài)功放原理樣機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果如表1所示。

表1 Ka頻段10W線性化固態(tài)功放技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果Table 1Measured results of linearizer for 10W solid state power amplifier in Ka-band

5 結(jié) 論

本文針對Ka頻段10 W固態(tài)功放的非線性進(jìn)行了研究,采用模擬預(yù)失真技術(shù),具有穩(wěn)定性好、成本低、實(shí)用性廣等優(yōu)點(diǎn),突破了毫米波預(yù)失真電路設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù);在國內(nèi)首次完成了Ka頻段線性化大功率固態(tài)功放原理樣機(jī)研制,對功放的三階互調(diào)指標(biāo)可以改善15 dBc,驗證了本方案切實(shí)可行;已為多家單位配套小批量生產(chǎn)20余套產(chǎn)品,其市場前景廣闊。

在工程應(yīng)用中,功放的實(shí)際工作狀態(tài)復(fù)雜多變,需要大量的調(diào)試工作使得線性化單元與功放實(shí)現(xiàn)良好匹配。因此,具有自適應(yīng)性能的線性化技術(shù)將是一個重要的研究方向。

[1] Jeng-Han Tsai,Tian-Wei Huang.A Novel SiGe BiCMOS Variable-Gain Active Predistorter Using Current Steering Topologies[CJ]//Proceedings of IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium.Forth Worth,TX:IEEE,2004:559-562.

[2] Jose Carlos Pedro,Jorge Perez.An MMIC Linearized Amp lifier Using Active Feedback[C]//Proceedings of IEEEMTTS International Microwave Symposium Digest.Atlanta,CA,USA:IEEE,1993:95-98.

[3] HicksonM T,Paul D K,Gardner P,et al.High Efficiency Feedforward Linearizers[C]//Proceedings of the 24th European Microwave Conference.Cannes,France:IEEE,1994:819-824.

[4] Kazuhisa Yamauchi,Kazutomi Mori,Masatoshi Nakayama,et al.A Microwave Miniaturized Linearizer Using A Parallel Diode[C]//Proceedings of IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.Denver,CO,USA:IEEE,1997:1199-1202.

[5] Kazuhisa Yamauchi,Masatoshi Nakayama,Yukio Ikeda,et al.An 18 GHz-Band MMIC Linearizer Using A Parallel Diode with A BiasFeed Resistance and A Parallel Capacitor[C]//Proceedings of IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.Boston,MA,USA:IEEE,2000:1507-1510.

Development of Linearizer for M illimeter-Wave Solid State Power Amplifier

LI Kai1,HUANG Jian1,LI Pei2
（1.Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China;2.Institute of Physical Electronics,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China）

A linearizer for 10 W Solid State Power Amplifier（SSPA）in Ka-band is developed.The millimeterwave（MMW）predistortion linearizer,which is composed of a Schottky diode and a parallel capacitor,has gain expansion and phase shift characteristics,and its characteristics can be controlled.By applying this linearizer to a 30GHz-power amplifier with 10W output power,and using a two-tone prompting signal with 5 MHz spacing,the improvement of IMD3 is 15 dBc.

millimeter-wave（MMW）;solid state power amplifier（SSPA）;three order intermodulation;predistortion;linearizer

TN802

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2011.02.019

1001-893X（2011）02-0094-04

2010-09-05;

2010-12-06

李 凱（1982-）,男,四川內(nèi)江人,分別于2005年和2008年獲學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位,現(xiàn)為助理工程師,主要從事功率放大器、微波毫米波電路等方面的研究;

LI Kai wasborn in Neijiang,Sichuan Province,in1982.He

the B.S.degree and the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China（UESTC）in 2005 and 2008,respectively.He is now an assistant engineer.His research interests include power amplifier and millimeter-wave circuit research.

Email:likaizi@163.com

黃 建（1971-）,男,四川鄰水人,研究員級高級工程師,主要從事毫米波技術(shù)等方面的研究;

HUANG Jianwasborn in Lingshui,Sichuan Province,in 1971.He received the B.S.degree and the M.S.degree from UESTC in 1993 and 1996,respectively.He is now a senior engineer of p rofessor.H is research concernsm illimeter-wave technology.

李 培（1984-）,男,河南南陽人,分別于2007年和2010年獲學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位,主要從事電磁場與微波技術(shù)等方面的研究。

LI Pei was born in Nanyang,Henan Province,in 1984.He received the B.S.degree and the M.S.degree from UESTC in 2007 and 2010,respectively.H is research interests include electromagnetic field and microwave-wave technology.