摘 要：預(yù)失真技術(shù)是一種能有效的改善寬帶信號(hào)線性度的方法。在普通的反向并聯(lián)二極管預(yù)失真技術(shù)基礎(chǔ)上做出了一定改進(jìn)，提出了一種新的預(yù)失真線性化器電路結(jié)構(gòu)。這種預(yù)失器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以直接與功放級(jí)聯(lián)，不需要延時(shí)線，相移器和衰減器等額外器件。通過調(diào)節(jié)二極管的偏置電壓，電阻值和可調(diào)增益放大器，同時(shí)控制載波信號(hào)和IMD的相位和幅度變化。采用這種預(yù)失真器能夠有效地補(bǔ)償微波功放的非線性失真，ADS雙音測(cè)試表明，IMD3和IMD5分別改善了41 dB和2.4 dB。

關(guān)鍵詞：預(yù)失真；線性化器；肖特基二極管；ADS

中圖分類號(hào)：TN722 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004373X(2008)1507403

New Pre-distortion Structure for Microwave Power Amplifier

HUANG Weibo，LI Jianqing，GU Wenting

(National Laboratory for High-power Vacuum Electronics，School of Physical Electronics，

University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu，610054，China)

Abstract：Pre-distortion technique is an effective method to improve the linearity of band-width signal.In this paper，a new predistortion structure is proposed based on normal predistortion method using anti-parallel Schottky diodes.This simple linearizer can be directly connected with PA，the AM and PM of carrier signal and IMD will be changed by adjusting the biased voltage and the value of resistance.By applying this linearizer to ADS simulation soft，two tones test results show that the improvements in IMD3 and IMD5 cancellations are 41 dB and 2.4 dB respectively.

Keywords：pre-distortion;linearizer;Schottky diodes;ADS

1 引 言

隨著現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，當(dāng)今的衛(wèi)星通信系統(tǒng)和移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)頻譜利用率和微波功放的效率提出了越來越高的要求，使得高線性微波功率放大器成為當(dāng)今通信新技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)重要研究課題。當(dāng)前功放線性化技術(shù)主要有前饋型、反饋型和預(yù)失真型等3種^［1］。他們結(jié)構(gòu)不同、各具特色。相比于前饋型、反饋型兩種線性化技術(shù)，預(yù)失真技術(shù)具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作絕對(duì)穩(wěn)定等，可適用于寬帶系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，故是一種具有很好應(yīng)用前景的線性化技術(shù)。

預(yù)失真技術(shù)實(shí)際是在微波功放之前串聯(lián)一個(gè)函數(shù)模塊。該模塊的特性能補(bǔ)償功放的壓縮性能。在理想情況下，使預(yù)失真模塊同功放組成的系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系是線性的。因此預(yù)失真型線性化技術(shù)的線性化效果主要取決于預(yù)失真器的特性。雖然由于技術(shù)的限制，目前還未能達(dá)到理想的線性化效果，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來看，預(yù)失真技術(shù)存在巨大的發(fā)展?jié)摿?。任何線性化器都必須要處理幅度和相位校準(zhǔn)，預(yù)失真法對(duì)兩者都有較好的補(bǔ)償效果，因此特別適用于行波管（TWT）放大器中。

結(jié)合普通的預(yù)失真技術(shù)，提出了一種新的反向并聯(lián)肖特基二極管線性化器電路結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的反向并聯(lián)二極管預(yù)失真型電路相比^{［2，3］}，其不同之處在于不需對(duì)消基頻信號(hào)，不需要延時(shí)線，相移器和衰減器等額外器件，而是使預(yù)失真器直接與功放級(jí)聯(lián)^［4］。通過改變預(yù)失真器外加偏壓和電阻值可以有效地調(diào)節(jié)載波信號(hào)與失真信號(hào)的幅度和相位，這種線性化器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)點(diǎn)多且易于調(diào)節(jié)，補(bǔ)償效果好。文章首先介紹預(yù)失真技術(shù)的基本原理，再給出其電路結(jié)構(gòu)和從理論上分析其主要特性，最后利用專用的微波電路仿真工具進(jìn)一步驗(yàn)證。

2 預(yù)失真線性化原理

2.1 基本原理

在微波放大器的前端加入一個(gè)預(yù)失真器，預(yù)失真器的非線性特性與微波放大器的非線性特性剛好相反。當(dāng)信號(hào)經(jīng)過預(yù)失真器、可變?cè)鲆娣糯笃骱头糯笃鹘M成的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)時(shí)，由于預(yù)失真器與微波放大器的相反的非線性特性，從而可以對(duì)微波放大器的輸出進(jìn)行一定的補(bǔ)償，使得輸出信號(hào)為基本無失真信號(hào)，以達(dá)到線性化的目的。

當(dāng)然預(yù)失真產(chǎn)生的非線性不可能與放大器的非線性完全相反，一般只對(duì)輸出影響最大的三階交調(diào)進(jìn)行抑制。

功放的非線性主要指幅度轉(zhuǎn)換特性（AM-AM）和幅度相位轉(zhuǎn)換特性（AM-PM），非線性將導(dǎo)致幅度調(diào)制（AM）信號(hào)和相位調(diào)制（PM）信號(hào)的畸變。行波管是一種廣泛用于衛(wèi)星通信中的微波放大器，根據(jù)實(shí)際的參數(shù)，利用ADS仿真系統(tǒng)建立了一個(gè)工作在2.2~3.0 GHz頻段的TWT放大器模型，圖1為其失真測(cè)試曲線，可以看出單音信號(hào)經(jīng)過功放后產(chǎn)生了嚴(yán)重的增益壓縮和相位偏移。

圖1 功放的失真特性2.2 功放及二極管對(duì)輸出特性

當(dāng)放大器工作在非線性區(qū)內(nèi)時(shí)，不考慮放大器的記憶效應(yīng)，其非線性可用無窮項(xiàng)冪級(jí)數(shù)來描述：V_out= K₁V_in + K₂ V²_in + K₃V³_in + … (1) 而級(jí)數(shù)中只有奇次方項(xiàng)對(duì)輸出信號(hào)的交調(diào)頻率分量有貢獻(xiàn)。偶次方項(xiàng)除了產(chǎn)生直流分量外，還產(chǎn)生了偶階諧波頻率分量，但均被濾除。因?yàn)槿A分量是對(duì)放大器非線性影響最大的因素，因此為了分析方便，一般只取前三項(xiàng)近似。

要搞清線性化器的原理，我們必須首先清楚反向并聯(lián)二極管對(duì)單元的非線性特性。二極管是一種非線性半導(dǎo)體器件，對(duì)應(yīng)輸入信號(hào)，例如一個(gè)余弦信號(hào)，二極管的輸出是包含了非線性失真分量的余弦信號(hào)。利用二極管的這種特性，構(gòu)建了一種工作在相同偏壓下的反向并聯(lián)二極管對(duì)。這種反向并聯(lián)二極管對(duì)可看作為單端口網(wǎng)絡(luò)，反向并聯(lián)二極管對(duì)的導(dǎo)納可表示為^［5］:

Yd(t)=i(t)V_in(t)=Y0+a3V²_in(t)+a5V⁴in(t)+…(2)

經(jīng)二極管對(duì)后，只有奇次分量輸出，而其他分量均被抑制。適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)偏壓就可以使得反向并聯(lián)二極管對(duì)產(chǎn)生的三階分量通過功放以后與功放自身非線性產(chǎn)生的三階交調(diào)產(chǎn)物相互抵消，達(dá)到線性化的目的。

2.3 預(yù)失真器的電路結(jié)構(gòu)及原理分析

利用反向并聯(lián)二極管對(duì)搭建起來的線性化器的基本電路如圖2所示。這個(gè)預(yù)失真發(fā)生器由2個(gè)具有相同特性的反向并聯(lián)肖特基二極管(文章采用SMSbav99)、電感、電阻和180.3 dB電橋耦合器組成。2個(gè)二極管加有相同的偏置電壓，以產(chǎn)生失真信號(hào)，電感用以調(diào)節(jié)支路的反射系數(shù)，補(bǔ)償一定的相移，利用電阻可以吸收一定帶內(nèi)信號(hào)。由于反向并聯(lián)二極管對(duì)必然帶來一定的插入損耗^［6］，在實(shí)際使用中需要在功放的前端增加一個(gè)可調(diào)增益放大器來補(bǔ)償其插損。

圖2 預(yù)失真器原理圖對(duì)于理想的180° 3 dB正交電橋，輸入信號(hào)等分、反相的傳送到耦合端和直接輸出端，隔離端沒有輸出。輸入信號(hào)經(jīng)180°正交電橋分成兩個(gè)相等電平的信號(hào)，輸入信號(hào)的一半送到3端口的電抗負(fù)載，所到達(dá)電抗負(fù)載的功率被反射回電橋，這個(gè)反射信號(hào)的相位為電抗反射系數(shù)相位和入射信號(hào)兩者的函數(shù)。另一半功率到達(dá)2端口，送到反向并聯(lián)Schottky二極管對(duì)非線性單元，到達(dá)管對(duì)的大部分功率也被反射回電橋，由于二極管被大功率驅(qū)動(dòng)反射回來的幅值和相位都要發(fā)生變化。經(jīng)2，3端口反射回來的信號(hào)都是關(guān)于幅度和相位的矢量，兩矢量信號(hào)合成后從隔離端口4輸出。圖3給出了端口4反射信號(hào)合成示意圖。

圖3 端口4反射信號(hào)合成示意圖這時(shí)端口3的反射系數(shù)為：Γ2=f(Vb，Vi，R)(3) 端口2的反射系數(shù)為：Γ3=g(L)(4) 經(jīng)矢量合成在4 端口的反射輸出為：VPD(out)=Vi(Γ 2-Γ 3)

=Vi［f(Vb，Vi，R)，g(L)］(5)式中第二項(xiàng)的負(fù)號(hào)是電橋端口2反射特性決定的。適當(dāng)?shù)恼{(diào)整電抗負(fù)載L、電阻R和Vb的值，正交電橋的隔離端4輸出可以得到期望的與功放非線性特性相反的失真信號(hào)。

3 計(jì)算機(jī)仿真與結(jié)果

為了驗(yàn)證預(yù)失真器的有效性，構(gòu)建如圖4所示的電路，借助于微波電路專用仿真軟件ADS對(duì)電路進(jìn)行仿真。輸入頻率為2.6 GHz的單音信號(hào)對(duì)TWT放大器模型進(jìn)行仿真。圖5為加入預(yù)失真前后的AM-AM，AM-PM失真比較，可以看出放大器的增益壓縮和相位偏移在1 dB附近得到了很好的補(bǔ)償，當(dāng)輸出功率為48.5 dBm時(shí)，增益補(bǔ)償約為1.2 dB，相位補(bǔ)償約為9.1°。

圖4 預(yù)失真型線性化功率放大器電路結(jié)構(gòu)圖5 TWTA加入預(yù)失真器前后的單音輸出比較為了進(jìn)一步驗(yàn)證這種預(yù)失真線性化技術(shù)的特性，用中心頻率為2.6 GHz、頻率間隔為2 MHz的雙音信號(hào)進(jìn)行仿真得到圖6所示的結(jié)果。從圖6（a）中可以看出，在加入預(yù)失真器前，三階IMD大約為15 dBm ，五階IMD大約為-2.5 dBm，即出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的非線性失真。構(gòu)建與圖1相同的系統(tǒng)仿真電路，通過適當(dāng)調(diào)整可變?cè)鲆娣糯笃骱推秒妷?，可獲得級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的輸出信號(hào)的頻譜圖，如圖6（b）所示。通過與圖6（a）對(duì)比可見，經(jīng)過預(yù)失真線性化處理后，三階交調(diào)改善了41 dB左右，五階交調(diào)改善了2.4 dB左右。

4 結(jié) 語(yǔ)

文章分析了一種應(yīng)用工作在相同偏壓下的反向并聯(lián)二極管對(duì)構(gòu)成的新型的線性化器電路結(jié)構(gòu)，仿真分析結(jié)果表明，采用這種預(yù)失真器的線性化技術(shù)能夠有效的改善功率放大器的非線性失真。與其他形式的預(yù)失真器相比，電路結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。這種預(yù)失真器對(duì)三階交調(diào)較大改善的同時(shí)，對(duì)五階交調(diào)也有部分改善。

圖6 TWTA加入預(yù)失真器前后的雙音輸出比較

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 黃微波 男，1984年出生，研究生。主要研究方向?yàn)槲⒉A(yù)失真技術(shù)應(yīng)用。

李建清 男，1972年出生，博士，副教授。主要研究方向?yàn)槲⒉娮訉W(xué)。

辜文婷 女，1984年出生，研究生。主要研究方向?yàn)槲⒉A(yù)失真技術(shù)應(yīng)用。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文