超寬帶橋T型模擬線性化器設計

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)

隨著電子對抗技術的發展，精確干擾、靈巧干擾已經是電子對抗主流技術之一，電子對抗系統精確干擾的成功應用很大程度上取決于發射功率的線性化特性[1]。電子對抗發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固態功率放大器高功率輸出時存在嚴重的非線性失真特性[2]。因此，為實現電子對抗系統的精確干擾，必須解決固態功率放大器高功率輸出時非線性化問題。

對于超寬帶固態功放幅度線性化，主要采用模擬預失真技術。模擬預失真技術主要有反射型并聯肖特基二極管、反射型串聯肖特基二極管等技術[3-6]。以上技術利用了肖特基二極管檢波特性及偏置反饋電路實現預失真性能，對大信號存在“削波”的可能，會產生很多高次諧波信號；同時該技術對偏置電路穩定性要求較高，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管微波阻抗的調制特性，實現微波信號幅度擴張和相位壓縮特性。和傳統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點。該電路結構能夠實現在0.8～2 GHz頻率范圍內增益擴張 5 dB、相位壓縮18°的預失真特性，并具備良好的寬帶駐波特性。

1 電路結構與原理分析

1.1 電路結構

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

1.2 原理分析

在PIN二極管非導通(零偏置或正偏置)狀態下，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制這一特性而實現幅度擴張和相位壓縮。

如圖1所示，當端口1輸入射頻小信號時，PIN管為高阻抗狀態，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，從而實現線性化器的幅度擴張特性。相位壓縮特性的說明相對復雜，下面通過理論推導詳細說明橋T型模擬線性化器實現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為系統參考特性阻抗，將Z=1/(Y+jωC)代入式(3)，得到該網絡的傳輸系數為：

式中，Y為PIN二極管并聯等效電阻的導納；C為并聯等效的電容。

由S21的表達式可知，當射頻信號較小時，PIN二極管的等效導納較小，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二極管的等效導納逐步增大，S21的幅度也逐步增加，因而實現幅度擴張的功能。

由式(4)可知，S21的相位表達式為：

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

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幅度擴張和相位壓縮的預失真特性。

2 模擬線性化器的仿真設計

在實際的系統應用中，某微波寬帶綜合系統需要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°。

根據應用需求，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二極管參數零偏置條件下并聯電容 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所示電路結構，橋T型模擬線性化器的HFSS模型如圖4所示。

仿真結果如圖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。

該線性化器經調試后的測試結果如圖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。該測試結果與需求指標相一致，能夠滿足實際應用需求，達到預期效果。

4 結 論

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