一種基于二極管的ka波段預(yù)失真線性化器

楊卅男 王志剛 徐銳敏

(電子科技大學(xué)，成都611731)

接收發(fā)射技術(shù)

一種基于二極管的ka波段預(yù)失真線性化器

楊卅男 王志剛 徐銳敏

(電子科技大學(xué)，成都611731)

本文研制了一款用于毫米波頻段，且頻率響應(yīng)十分優(yōu)良的模擬預(yù)失真器，該預(yù)失真基于兩路式結(jié)構(gòu)，采用四個(gè)3dB電橋，兩個(gè)肖特基二極管和兩個(gè)變?nèi)莨軜?gòu)成。通過調(diào)節(jié)肖特基二極管和變?nèi)莨艿钠秒妷骸⑽Ь€的電長(zhǎng)度可以得到不同的增益擴(kuò)張和相位擴(kuò)張效應(yīng)，并使其在不同頻率下，增益和相位曲線相近。通過ADS軟件對(duì)該預(yù)失真器進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，在29GHz到31GHz的變化范圍內(nèi)，該預(yù)失真器可提供6dB的增益擴(kuò)張和50°的相位擴(kuò)張，且隨頻率變化增益與相位變化小于0.5dB和5°。

肖特基二極管;模擬預(yù)失真;溫度補(bǔ)償;增益擴(kuò)張;相位擴(kuò)張

0 引言

隨著移動(dòng)和衛(wèi)星通信的迅猛發(fā)展，對(duì)行波管放大器(TWTA)的輸出效率和線性度提出了更高的要求。但是在滿足多載波操作和高數(shù)據(jù)傳輸速率的同時(shí)獲取所需的線性度，就需要行波管放大器功率回退，以降低效率來實(shí)現(xiàn)［1］。線性化技術(shù)就是用來降低由于行波管工作于飽和區(qū)而引起的幅度失真和相位失真，從而避免以犧牲效率來?yè)Q取線性度的行為。在眾多的線性化技術(shù)中，預(yù)失真技術(shù)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定性高、頻帶寬、效率高等特點(diǎn)，非常適用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)體積、效率或成本有較高要求的場(chǎng)合［2－3］。

但是基于二極管的預(yù)失真器有一個(gè)缺點(diǎn)，輸入輸出端口不能實(shí)現(xiàn)良好的匹配，且對(duì)頻率十分敏感。本文針對(duì)線性化器的幅度與相位特性，經(jīng)過理論分析與軟件仿真，首次提出了一種兩路式結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)微帶的電長(zhǎng)度，使其幅度與相位不隨頻率變化。

1 預(yù)失真器原理

預(yù)失真器的基本原理就是讓輸入信號(hào)在進(jìn)入功率放大器之前，先經(jīng)過一個(gè)與功放的非線性特性相反的模塊，以此來補(bǔ)償功放所產(chǎn)生的非線性失真，從而使得信號(hào)的傳輸最終呈現(xiàn)為線性。這個(gè)反向的模塊即被稱為預(yù)失真器，它的特性與功放互逆，其原理如圖1所示。極管的偏置電壓可以實(shí)現(xiàn)線性相移，調(diào)節(jié)下支路中的肖特基二極管的偏置電路使其產(chǎn)生非線性信號(hào)。然后在通過 3dB電橋?qū)陕沸盘?hào)合成后輸出。

圖2 預(yù)失真電路模型

圖3 增益系數(shù)示意圖

2 預(yù)失真電路的設(shè)計(jì)與仿真

2.1 預(yù)失真電路的設(shè)計(jì)

本文基于預(yù)失真技術(shù)的基本理論和肖特基二極管的非線性特性，設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于ka波段的預(yù)失真電路。其電路模型如圖2所示。

如圖2所示，該預(yù)失真電路采用兩路式結(jié)構(gòu)，首先使用3dB電橋?qū)⑤斎胄盘?hào)(k0)等功率分離，等到兩路幅度相同，相位相差90°的信號(hào)，分別進(jìn)入上下兩條支路，上支路為線性支路，下支路為非線性支路，上下支路均使用3dB正交分支線耦合器，利用其較好的端口駐波特性實(shí)現(xiàn)較好端口匹配，避免在輸入和輸出端口采用隔離器，一定程度上降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。調(diào)節(jié)上支路中的變?nèi)荻?/p>

如圖3所示，在小信號(hào)輸入的情況下，增益系數(shù)(ko)由非線性支路的增益系數(shù)(k1)和線性支路的增益系數(shù)(k2)疊加而成，隨著輸入功率的增加，k2保持不變，但是k1卻因?yàn)樾ぬ鼗O管的非線性而隨著輸入功率的增加而增加。所以隨著輸入功率的提高，輸出增益系數(shù)由ko變到korf，相位由φo變到φorf。通過調(diào)節(jié)上下兩條支路的偏置電路，可以使預(yù)失真線性化器獲得不同的幅度擴(kuò)張和相位擴(kuò)張，從而滿足補(bǔ)償行波管非線性失真的要求。

令上支路中3dB電橋輸入端口和輸出端口的信號(hào)電壓分別為Vu1和Vu2，上下支路中3dB電橋輸入端口和輸出端口的信號(hào)電壓分別為Vl1和Vl2，整個(gè)預(yù)失真線性化器的輸入端口和輸出端口的電壓分別為Vm和Vout［4］，則:

其中Γu和Γl分別為上下兩支路中3dB電橋的反射系數(shù)。由肖特基二極管的等效電路可得

其中G0為電路的特性導(dǎo)納，G和B分別為肖特基二極管的可變電導(dǎo)的電納，B=w·Cj，w為工作頻率，Cj為肖特基二極管等效電容。

圖4 肖特基二極管的等效電路

由式(1)－(3)可以得到在上下兩條支路3 dB電橋輸出端口的電壓:

最后經(jīng)過3 dB電橋?qū)陕沸盘?hào)合成，可以得到該預(yù)失真線性化器的增益幅度和增益相位的表達(dá)式如下:

由于式(6)和(7)中的Γu的特性與上支路中的變?nèi)莨艿钠脿顟B(tài)和微帶線的電長(zhǎng)度有關(guān)，Γl的特性與肖特基二極管的偏置狀態(tài)和微帶線的電長(zhǎng)度有關(guān)，所以通過調(diào)節(jié)上、下支路的偏置電路和微帶線的電長(zhǎng)度可以得到所需的增益幅度補(bǔ)償和相位補(bǔ)償曲線。

2.2 預(yù)失真電路的仿真

利用ADS對(duì)如圖2所示的電路進(jìn)行仿真，并用諧波仿真對(duì)其頻率進(jìn)行掃描。如圖5所示該電路所采用的材料是Rogers RT/duroid 5880，其介電常數(shù)為2.2，厚度H=0.254mm。其仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。圖3顯示的是在五個(gè)頻率下，幅度隨輸入功率的變化曲線圖;圖4顯示的是在五個(gè)頻率下，相位隨輸入功率的變化曲線圖。

圖5 兩路式電路仿真圖

圖6 幅度隨頻率變化曲線圖

圖7 相位隨頻率變化曲線圖

從仿真結(jié)果圖可以看到，當(dāng)輸入功率從 －35dBm變化到20dBm，該預(yù)失真器可提供6dB的增益擴(kuò)張和50°的相位擴(kuò)張溫度，且隨著頻率從29GHz變化到31GHz時(shí)，幅度變化小于0.5dB，相位變化小于5°(這里相位看的是相對(duì)相位)。

3 結(jié) 論

本文利用兩路式結(jié)構(gòu)和四個(gè)3dB電橋設(shè)計(jì)了一個(gè)ka波段的模擬預(yù)失真線性化器。并運(yùn)用ADS軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真測(cè)試。其仿真結(jié)果表明，對(duì)于ka波段的預(yù)失真器，增益擴(kuò)張達(dá)到6dB，相位擴(kuò)張達(dá)到了50°，并且隨著頻率從29GHz變化到31GHz，增益變化小于0.5dB，相位變化小于5°。

［1］李培，黃建，羅勇.采用二極管的射頻預(yù)失真毫米波功放線性化器［J］.微波學(xué)報(bào)，2010，26(4):70－73.

［2］李少嵐，延波，李晨飛.采用二極管的模擬預(yù)失真毫米波功放線性化器［J］.微波學(xué)報(bào)，2012，28(1):70－72.

［3］Bera S C，Singh R V，Garg V K.Diode－based predistortion linearizer for power amplifiers［J］.Electronics Letters，2008，44(2).125－126.

［4］S.A.Maas.Nonlinear Microwave Circuit［J］.Artech House，1988.

［5］R.H.Caverly，G.Hiller.Temperature effects on PIN diode forward bias resistance［J］.Solid State Electron，1995，38(11).1879－1885.

［6］Bera S C，Singh R V，Garg V K.Optimum bias loadline compensates temperature variation of junction diode’s RF resistance［J］.IEEE trans.theory tech，2007，55(2).215－221.

［7］李秦龍，胡欣，李實(shí)等。一種端口匹配的行波管預(yù)失真線性化器［J］.真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，4:315－320.

A Diode－Based Ka－band Pre－distortion Linearizer

Yang Sanan，Wang Zhigang，Xu Ruimin
(University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731)

An analogue pre－distortion linearizer with perfect frequency response employed in mmw frequency band is researched and developed.The linearizer is based on two－channel structure，and composed of four 3dB bridges，two Schottky diodes and two variodes.Different gain expansion and phase expansion effect can be obtained by adjusting bias voltage of Schottky diode and variode and electrical length of microstrip to make gain and phase curve closing at different frequency.The pre－distortion linearizer is simulated with ADS software.The simulated result shows that the pre－distortion linearizer can provide gain expansion of 6dB and phase expansion of 50°within variable range of 29－31GHz，and change of gain and phase is less than 0.5dB and 5°as change of frequency.

Schottky diode;analog pre－distortion;temperature compensation;gain expansion;phase expansion

TN952

A

1008-8652(2016)04-061-03

2016-05-29

中央高校基本科研基金(A03011023801006002)

楊卅男(1991－)，男，碩士研究生。主要研究方向?yàn)槲⒉ê撩撞呻娐放c系統(tǒng)。