用于毫米波段行波管的可調預失真器

李文朝，張德偉，周東方，汪永飛

(信息工程大學信息系統工程學院， 鄭州450002)

0 引言

隨著通信技術的快速發展，為了實現大容量、高速率的傳輸，對功率放大器線性度和效率提出了更高的要求。目前行波管功放在很多的通信電路(如:衛星轉發器)中起著非常重要的作用［1-2］。行波管功率放大器工作在飽和區時，可以獲得較高的功率輸出，但卻引入了較嚴重的信號失真［3］。解決信號失真的傳統方式是采用功率回退的方法使功率放大器工作在遠離飽和區的線性區，但這使得放大器的工作效率降低。因此，單個行波管很難解決高線性和高效率之間的矛盾。通常采用外接線性化器［4-5］的方法解決線性度與效率之間的矛盾。文獻［6］發現，如果使用預失真器可以在一定程度上改善行波管的非線性特性，不過這種預失真器在可調度方面較差，不能很好地匹配行波管功率放大器，使得行波管功放的線性改善效果不明顯。本文介紹的預失真電路解決了之前預失真電路存在的可調性差的問題，并結合先進設計系統(ADS)仿真以及電路實測來驗證預失真電路的可調性效果。

1 基本原理及仿真設計

1.1 預失真線性化器的基本原理

當信號經過圖1所示的系統時，由于預失真器的傳輸特性與行波管的傳輸特性相反，使得他們的傳輸特性相互抵消，最終系統呈線性輸出。因此，在相同的輸入功率條件下，行波管將具有更好的線性度。這就是預失真線性化的思想，它從系統的角度解決行波管的非線性問題。

圖1 預失真線性化器線性化原理圖

從傳遞函數的角度考慮，假設行波管功率放大器的傳遞函數為

如果最終的傳遞函數H=Ke-jωt0(線性放大)，則有H=HAHB=Ke-jωt0，所以

函數HB即為理論上線性化行波管的傳遞函數。

1.2 電路的設計與理論分析

通過對預失真線性化技術的基本原理及肖特基二極管的非線性特性進行理論分析，本文設計了Ka波段的預失真電路。該電路主要由90°電橋、GaAs肖特基二極管、微帶線和負載電阻構成，具有良好的匹配特性和較寬的工作帶寬，電路結構簡單，線性改善度更好［7］，其電路模型如圖2所示。

圖2 預失真電路模型

如圖2所示，射頻信號進入定向耦合器后，分成上下兩路信號經過肖特基二極管、微帶線以及終端負載電阻，利用肖特基二極管的非線性改變直通端和耦合端的反射系數，經過反射后在耦合器輸出端匯合。由于預失真電路本身對稱性良好，所以輸入端和輸出端匹配特性比較好。

為了便于分析，通常將肖特基二極管等效為電納Bd和電導Gd，同時將負載電阻和微帶線等效為電納BL和電導GL，端口等效電路模型如圖3所示。

圖3 端口的等效電路模型

圖2預失真電路模型中3 dB正交混合電橋的直通臂和耦合臂的輸出幅度為1∶1，相位差為90°。其S矩陣如下

設預失真電路的輸入信號為

信號vin通過電橋后分為兩路信號v2、v3分別通過2、3端口，設2、3端口的反射系數為Γ，則根據式(3)、式(4)可得

將式(5)、式(6)代入式(7)、式(8)可得

由式(9)可知，該預失真電路輸入端具有良好的匹配特性。由于該電路2、3端口完全一樣，故電路輸出端無需外加隔離器等，同樣具有良好的匹配特性。

由式(10)可得到新型預失真電路的增益和相位

其中，Γ=|Γ|ejφΓ。

根據圖2的電路原理圖、圖3的端口等效電路圖及傳輸線理論，可得

最終，得到反射系數Γ的模值mag(Γ)及相位ang(Γ)

由式(11)～式(14)可知，圖2預失真電路的幅度及相位特性由參數Bd、Gd、BL、GL決定，通過調節肖特基二極管的偏置電壓、負載電阻及微帶線長度，即可獲得不同的增益擴展和相位擴張組合，進而能更好地補償行波管的非線性特性。

1.3 預失真電路結構仿真

根據上述電路分析，正交混合電橋是整個電路的基礎，電橋的電特性能好壞直接影響到整個電路匹配效果，因此，對電橋進行仿真優化具有理論及實際意義。圖4為電橋的仿真模型及仿真結果。

圖4 正交混合電橋及其仿真曲線

利用ADS對整個預失真電路進行仿真，該預失真電路采用的GaAs肖特基二極管具有工作頻段高、品質因子好、寄生電感低等優點，使得電路穩定，預失真效果更加良好。所采用的介質材料是Rogers RT/duroid 5880，其介電常數為2.2，厚度 H=0.254 mm，以頻點31 GHz為例的仿真結果如圖5～圖7所示。

圖5 不同的偏置電壓Vdc，預失真電路的AM/AM及AM/PM特性曲線

圖6 不同的微帶線電長度θ，預失真電路的AM/AM及AM/PM特性曲線

圖7 不同的偏置電壓RL，預失真電路的AM/AM及AM/PM特性曲線

該預失真電路的AM/AM及AM/PM特性曲線可以通過二極管兩端的偏置電壓Vdc、微帶線電長度θ以及負載電阻RL進行調節。在輸入功率為［-20 dBm，15 dBm］內，圖5通過調節偏置電壓Vdc，使電路產生了5 dB～16 dB的增益擴張及60°～80°的相位擴展;圖6通過調節微帶線電長度θ，使電路實現了5 dB～12 dB的增益擴張及35°～65°的相位擴展;圖7通過調節負載電阻RL，使電路實現了3 dB～6 dB的增益擴張及50°～80°的相位擴展。因此，該預失真電路具有靈活的可調性，能更好地補償行波管放大器的非線性特性。

2 預失真電路的實現與測試

綜合以上的理論與仿真分析，設計并制作了工作于29 GHz～31 GHz的預失真線性化器。該預失真器所采用的介質基片為Rogers RT/duroid 5880，介電常數為2.2，加工及測試的電路如圖8所示。

圖8 預失真電路實物及測試場景圖

該預失真器在各頻點上均有明顯的增益擴展及相位擴張效應，且同樣靈活可調。這里給出預失真器在31 GHz頻點時的傳輸特性，如圖9所示，利用型號為Agilent N5247A PAN-X網絡分析儀對預失真器進行測量。以電壓調節為例，通過調節偏置電壓Vdc，在輸入功率為［-20 dBm，4 dBm］范圍內，該預失真電路的AM/AM、AM/PM具有明顯的可調性，從測試的結果可以看出，其增益擴展的范圍為5 dB～11.5 dB，相位擴張范圍為35°～65°。在與行波管功率放大器聯測時，根據不同類型的行波管，通過改變二極管的偏置電壓Vdc、微帶線電長度θ及負載電阻RL獲得不同的增益擴展和相位擴張的組合以更好的匹配行波管，對行波管的非線性改善更加明顯，具有較高的工程實現價值。

圖9 不同的偏置電壓Vdc對應預失真器的AM/AM及AM/PM測試曲線

3 結束語

微波預失真線性化器種類繁多，本文介紹的預失真器借助二極管的非線性實現了增益擴展和相位擴張預失真特性。通過調節肖特基二極管的偏置電壓、微帶線電長度及負載電阻三個獨立調節的變量，可在額定功率輸入范圍內調節預失真器的AM/AM及AM/PM特性，使該預失真器能更好地改善行波管的非線性。總之，該預失真器結構簡單、易于實現、可調性靈活、線性化效果良好，具有很好的工程應用價值。

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