北方工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院電子信息工程系 宋張凱 范宜添

1.引言

為了更加有效地使用頻譜，在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中越來越多地采用正交幅度調(diào)制（QAM）、碼分復(fù)用（CDMA）和多載波等方式來傳輸信號(hào)，這就對(duì)功率放大器的效率和線性度提出了更高的要求[1][2]。功率放大器（TWTA）在放大信號(hào)的過程中會(huì)產(chǎn)生幅度（AM-to-AM）失真和相位（AM-to-PM）失真，所以如何采用線性化技術(shù)減小這兩種失真是實(shí)現(xiàn)功率放大器高線性度、高功率放大的關(guān)鍵問題。

功率回退法是以犧牲效率和最大輸出功率為代價(jià)來改善線性度，反饋在射頻微波頻段容易產(chǎn)生自激振蕩，前饋雖對(duì)非線性度改善效果較好，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，成本高，電路體積較大，預(yù)失真法應(yīng)用電路相對(duì)簡(jiǎn)單，但對(duì)線性度改善有限，其主要難點(diǎn)在于非線性源的實(shí)現(xiàn)。預(yù)失真，包括基帶、中頻和射頻上的預(yù)失真，基帶預(yù)失真可采用數(shù)字信號(hào)處理[3]。預(yù)失真線性化器產(chǎn)生失真特性來補(bǔ)償行波管放大器的失真特性。單個(gè)二極管和工作在截止區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管[4]可作為射頻預(yù)失真的失真源，但須加可變移相器和可變衰減器來調(diào)節(jié)失真信號(hào)的幅度和相位，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，電路不易調(diào)節(jié)。

圖1 預(yù)失真概念圖[5][6]

圖2

圖3 反并聯(lián)的肖特基二極管等效電路

本文采用反并聯(lián)的肖特基二極管來設(shè)計(jì)預(yù)失真線性化器電路，控制偏置電壓即可調(diào)節(jié)幅度失真和相位失真，即AM-AM、AM-PM轉(zhuǎn)換。和上述方法相比，本電路體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)節(jié)，是比較實(shí)用的線性化器。

2.線性化器的設(shè)計(jì)原理

2.1 射頻預(yù)失真線性化方法

如圖1所示，線性化器與行波管的失真特性互補(bǔ)，從而提高二者合成系統(tǒng)的線性度，圖2(a)、(b)分別顯示了二者AM-AM和AM-PM補(bǔ)償原理圖。

2.2 反并聯(lián)二極管特性

反并聯(lián)肖特基二極管在一定偏置條件下可以等效為并聯(lián)的電導(dǎo)和電容，等效導(dǎo)納Y = GD+ jBD隨著輸入信號(hào)功率P而變化，其變化范圍與加在二極管兩端的偏置電壓有關(guān)。

圖4

圖3是反并聯(lián)的肖特基二極管等效電路。

由Skyworks公司生產(chǎn)的肖特基二極管SMS7621-006，利用SPICE模型在偏置電壓分別為400mV和220mV時(shí)進(jìn)行功率掃描，掃描范圍-30dBm～15dBm，得到導(dǎo)納值的變化范圍如圖4所示，可以看出，等效導(dǎo)納在220mV偏置電壓下有更大的動(dòng)態(tài)范圍。

2.3 線性化器原理

正交分支線耦合器的S參量為：

圖5 線性化器原理圖[7]

圖6 末端等效電路

輸出端口的輸出信號(hào)與反射系數(shù)和輸入信號(hào)有關(guān)，對(duì)于一定輸入信號(hào)，反射系數(shù)決定了該線性化器的傳輸特性。將反并聯(lián)的二極管等效為并聯(lián)電阻和電容，串聯(lián)的微帶線和電阻等效為并聯(lián)電阻電容來計(jì)算反射系數(shù)，末端等效電路見圖6。

由于偏置電壓和信號(hào)輸入功率都會(huì)使反并聯(lián)二極管的電導(dǎo)和電納變化，由公式（7）可知，反射系數(shù)亦隨之而變化。結(jié)合公式（5）可以得到，出射波幅度和相位也將隨輸入功率和偏置電壓而變化。因此，可以用偏置電壓來調(diào)節(jié)AM-AM和AM-PM轉(zhuǎn)換特性。而且，在較大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，反并聯(lián)二極管等效導(dǎo)納使得線性化器的AM-AM和AM-PM轉(zhuǎn)換特性變化較快（曲線斜率更大）。

本線性化器與可變移相器、可變衰減器設(shè)計(jì)原理有相通之處，都是通過改變耦合器直通端和耦合端所連器件的反射系數(shù)來使從隔離端輸出的信號(hào)具有一定的幅度特性和相位特性?？勺円葡嗥髂┒诉B接變?nèi)荻O管[10]，在偏置電壓下等效為電容，可變衰減器末端連接PIN二極管[11]，在偏置電壓下等效為電阻，理想情況下要求等效電容和電阻對(duì)輸入功率無影響。而線性化器則較復(fù)雜，其末端等效導(dǎo)納隨輸入功率和偏置電壓變化較大，由于在不同功率點(diǎn)上有不同的衰減和相移，通過偏置電壓設(shè)置來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)AM-AM，AM-PM的功能。

3.仿真結(jié)果

假設(shè)中心頻率8.5GHz，帶寬200MHz，用Agilent公司仿真軟件ADS設(shè)計(jì)微波電路與仿真，結(jié)果如圖7所示。本電路的AM-AM和AM-PM轉(zhuǎn)換特性呈現(xiàn)出行波管的補(bǔ)償特性，補(bǔ)償?shù)某潭群团c目標(biāo)行波管相對(duì)應(yīng)的輸入1dB壓縮點(diǎn)可由偏置電壓來調(diào)節(jié)。偏置電壓為220mV時(shí)，在輸入功率-24~4dBm上能補(bǔ)償AM-AM轉(zhuǎn)換4.7dB，補(bǔ)償AM-PM轉(zhuǎn)換31°。

圖7示出了在不同頻點(diǎn)上預(yù)失真信號(hào)發(fā)生器的AM-AM、AM-PM特性，偏置電壓為220mV，畫圖時(shí)使用了相同的幅度衰減常量和相移常量。圖7(a)反映了預(yù)失真信號(hào)發(fā)生器在200MHz帶寬上頻率越大，衰減量越大，但總體上AM-AM特性保持穩(wěn)定，衰減量差值在1dB內(nèi)。而待線性化的管型自身具有增益在頻率上的不平坦性，且在工作頻帶上增益隨頻率增大。因此信號(hào)發(fā)生器也增大了行波管放大器的增益平坦度。圖7(b)反映了不同頻率上的相位特性，AM-PM變化趨勢(shì)穩(wěn)定。

在額定輸入功率范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)肖特基二極管偏壓，這種預(yù)失真電路能夠在相位變化不大的情況下實(shí)現(xiàn)增益的調(diào)整。在8.4GHz~8.6GHz頻率范圍內(nèi)，對(duì)本章預(yù)失真器進(jìn)行不同輸入功率條件下頻率掃描，結(jié)果表明，從-16dBm(線性狀態(tài))到8dBm(非線性狀態(tài))，各個(gè)頻點(diǎn)處的增益擴(kuò)張量都可以保持在6dB左右，且工作頻帶內(nèi)增益平坦度在1dB以內(nèi)，相位擴(kuò)張基本保持在45o左右，如圖8所示。

圖7 不同偏置電壓下電路仿真結(jié)果(a)AM-AM轉(zhuǎn)換；(b)AM-PM轉(zhuǎn)換

圖8 不同頻率下電路仿真結(jié)果(a)AM-AM轉(zhuǎn)換；(b)AM-PM轉(zhuǎn)換

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