矢量調制器自適應前饋線性化技術研究

李毅，何方敏，唐健，李建軒，孟 進

（1.海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢430033；2.海軍電磁兼容研究檢測中心，上海 200235）

0 引言

矢量調制器是一種可以同時控制信號幅度和相位的器件。矢量調制器在雷達、通信等領域中有廣泛的應用，如預失真或前饋功率放大器中的交調失真對消，輻射干擾對消，交叉極化對消，連續波雷達和電子戰接收機收發天線耦合對消；相控陣天線的復加權控制；雷達模擬器系統中的幅相控制；單邊帶調制多普勒模擬和數字通信系統中作正交調制；用作移相器等[1-6]。在這些應用中，需要矢量調制器有較高的線性度，尤其是在需要矢量調制器處理大功率信號時。

典型的矢量調制器中的主要元器件為PIN二極管。目前抑制矢量調制器的非線性的主要方法[7,8]是多個PIN二極管串聯分壓。但采用多個PIN二極管串聯的方法會使成本和體積大幅增加，器件的插損也會增大；并且當PIN二極管數量增加時，為了器件的阻抗匹配和減小非線性失真，必須增大PIN二極管的控制電流，這樣使直流損耗大幅增加，從而導致發熱量大幅增加。因此，PIN二極管串聯分壓方法減小器件的非線性失真有局限，有必要研究新的減小矢量調制器非線性失真的技術。

1 矢量調制器非線性失真

典型的矢量調制器的結構框圖如圖1所示。其射頻部分由正交功分器，兩個雙極性電調衰減器以及合成器構成。雙極性電調衰減器是矢量調制器中的關鍵部件，它的作用是控制射頻信號輸出功率大小和極性。其主要由含有PIN二極管的電路構成。設輸入PIN二極管的射頻電流的幅值Im，頻率為f，則一個周期流入I區的電荷量為Im/2πf。若PIN二極管的載流子平均壽命為τ，直流控制電流為Idc，則I區儲存的電荷量為Idcτ。因此，PIN二極管線性工作的條件是[8]：

當式(1)不能滿足時，雙極性電調衰減器將出現較嚴重的非線性失真，從而導致矢量調制器的非線性失真。由式(1)可知，雙極性電調衰減器的非線性失真程度與射頻輸入功率、頻率，以及直流控制電流（該電流與雙極性電調衰減器的衰減量對應）有關。

圖1 矢量調制器模塊框圖

矢量調制器的非線性一般引起諧波分量，交調和互調失真，其中互調失真對系統的影響最嚴重，不能用一般的濾波器濾除。若矢量調制器的輸入信號為雙音信號：

則其三階互調分量的頻率為 2ω1-ω2、2ω2-ω1，落在通帶之內，無法用濾波器濾除。該三階互調若不采取有效的抑制措施，將會對通帶內的有用信號形成干擾。本文提出基于相關檢測法的自適應前饋線性化技術抑制矢量調制器的三階互調干擾。

2 矢量調制器自適應前饋線性化技術

基于相關檢測法的自適應前饋線性化技術已在功放線性化技術[9,10]中應用，得到了良好的效果。本文將該思想應用到矢量調制器的線性化中，降低或解決矢量調制器非線性失真中的三階互調失真。

自適應前饋線性化技術可大幅降低三階互調干擾，解決一般濾波器無法濾除的通帶內的三階互調信號。自適應前饋技術的基本思想是提取經過矢量調制器后的失真分量，自適應調整其幅相后與輸出失真信號等幅反相疊加，從而將失真分量從輸出信號中消除，得到只含有線性分量的部分。

圖2是矢量調制器基于相關檢測的前饋線性化技術的系統框圖。整個前饋系統由兩個環路組成，環路1稱為信號對消環（也稱誤差檢測環），環路2為失真對消環（也稱誤差對消環），它們分別實現失真信號的提取與消除功能。圖2中，矢量調制器1為主矢量調制器，矢量調制器2和矢量調制器3是輔助矢量調制器。

就相關控制而言，在信號對消環中，通過耦合器1提取的基波信號與耦合器2提取的信號作相關運算，以二者之間的相關度最小為目標，控制矢量調制器 2；在失真對消環路中，以輸出信號與耦合器2提取的信號作相關運算，以二者之間的相關度最小為目標，控制矢量調節器3。

而矢量調制器 1產生的失真信號的消除過程分析如下：

在信號對消環中，輸入信號分為兩路，主功率直接進入矢量調制器1進行矢量調制，由于矢量調制器1的非線性失真，輸出信號中除了原始輸入信號外還出現了新的頻率分量即失真分量。對矢量調制器1的輸出信號通過耦合器2進行采樣，將其輸入到參考支路的合成器 1。由耦合器1的耦合端進入參考支路的延遲線1，再由矢量調制器2調整后，使之與耦合器2耦合端的信號幅度相等相位相反，兩信號相加后消除原始信號，只剩下失真信號，實現信號對消功能。值得注意的是，雖然耦合器1的耦合端的輸出功率較小，但為保證矢量調制器2輸出的信號的非線性失真小，需選用與矢量調制器1功率等級相當的矢量調制器；另外，也要合理選擇耦合器1和耦合器2的耦合度。

在失真對消環中，將合成器1輸出的失真信號通過矢量調制器3調整，以及誤差放大器放大后，與經過延遲線2的信號的失真信號部分幅度相等、相位相反，從而在合成器2中對消失真信號。

3 仿真計算及結果

矢量調制器一種典型的應用場合為自適應輻射對消系統，本文將該自適應反饋線性化的矢量調制器用于大功率短波自適應輻射干擾對消系統中，研究該矢量調制器線性化技術。依據自適應對消系統[11]與圖2所示的矢量調制器自適應反饋線性化技術框圖，建立的對消系統框圖如圖3所示。圖3中發射機發射功率為100 W，發射天線與接收天線的空間耦合度為35 dB（用35 dB衰減器和延遲線模擬空間耦合情況），則到接收機處的干擾功率為 15 dBm；為對消干擾功率，自適應輻射干擾對消系統的從發射機取樣耦合度為20dB，則矢量調制器1的輸入功率為30 dBm；相關器3為矢量調制器1提供控制電壓。利用仿真軟件，建立圖3所示框圖的仿真系統，得到的仿真結果如圖4所示。由圖4中可見，采用自適應前饋線性化技術后，RFout（經線性化后的信號）相對RFvm（經矢量調制器1后）處的三階互調分量降低30 dB以上，大大改善了矢量調制器的非線性失真。

圖2 基于相關檢測法的前饋線性化技術的系統框圖

圖3 含矢量調制器線性化技術的對消系統框圖

4 結語

本文將自適應前饋線性化技術應用到解決矢量調制器的非線性失真中，給出了矢量調制器自適應前饋線性化技術的系統框圖，并在對消系統中研究了該矢量調制器線性化技術。仿真結果顯示使用該技術可將矢量調制器的三階互調失真改善30 dB以上，表明矢量調制器自適應前饋線性化技術具有良好的應用前景。

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