張文梁，馮曉東

(1.中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司，河北 石家莊 050081；2.裝備發(fā)展部軍事代表局駐石家莊地區(qū)軍事代表室，河北 石家莊 050081)

短波高線性前饋放大器的設(shè)計(jì)

張文梁1，馮曉東2

(1.中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司，河北 石家莊 050081；2.裝備發(fā)展部軍事代表局駐石家莊地區(qū)軍事代表室，河北 石家莊 050081)

提出了一種采用前饋線性化技術(shù)的短波放大器設(shè)計(jì)方法，介紹了前饋線性化技術(shù)的基本原理，研究了該方法在放大器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，探討了在工程實(shí)現(xiàn)中存在的問題及解決辦法，使用仿真軟件ADS構(gòu)建電路模型，對(duì)放大器進(jìn)行了仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)，制作了一個(gè)短波高線性前饋放大器樣件，對(duì)樣件進(jìn)行了指標(biāo)測(cè)試并與主放大器進(jìn)行對(duì)比，詳細(xì)分析了測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了這種方法的可行性。

前饋；短波；放大器；交調(diào)

0 引 言

隨著短波通信技術(shù)的發(fā)展，線性調(diào)制技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用，對(duì)發(fā)射接收系統(tǒng)的線性度要求也相應(yīng)提高。短波通信工作頻帶為1.5～30 MHz，頻帶內(nèi)信號(hào)的二三階分量處于帶內(nèi)，無法用濾波等手段濾除，因此設(shè)備中放大器線性度的優(yōu)劣很大程度上就決定了整個(gè)通信系統(tǒng)性能的好壞。

近年來關(guān)于放大器線性化技術(shù)的研究工作多集中于功率放大器，對(duì)于小信號(hào)放大器的線性化研究不多。而實(shí)際上隨著短波接收前端對(duì)三階截點(diǎn)值(OIP3)與二階截點(diǎn)值(OIP2)等指標(biāo)的要求日益提高，考慮到功耗、體積、成本、系統(tǒng)可靠性等因素，對(duì)高線性小信號(hào)放大器的研制變得日益迫切。

目前常用的線性化技術(shù)有功率回退(Power backoff)、預(yù)失真(Pre-distortion)、負(fù)反饋(Feedback)、非線性器件法(LINC)、前饋(Feed-forward)等[1]?？紤]到實(shí)際需要的小信號(hào)、低功耗、寬帶等特性需求，采用前饋方法是較好的選擇。

1 短波前饋放大器方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種小信號(hào)放大器，利用前饋線性化技術(shù)設(shè)計(jì)外圍電路，大幅提高放大器本身的OIP3與OIP2等指標(biāo)，具有寬帶、大動(dòng)態(tài)、低功耗的特點(diǎn)。

1.1 整體方案設(shè)計(jì)

短波前饋放大器采用基本的前饋放大器方案，包含2個(gè)環(huán)路：交調(diào)提取環(huán)路和交調(diào)抵消環(huán)路。交調(diào)提取環(huán)路抵消環(huán)路中的原始輸入信號(hào)，只剩下交調(diào)信號(hào)；交調(diào)抵消環(huán)路是為了將主放大器生成的交調(diào)信號(hào)與由輔助放大器放大后的交調(diào)信號(hào)相消，從而只剩下主信號(hào)[2]。方案原理框圖如圖1所示。

前饋放大器的基本設(shè)計(jì)思路是將2個(gè)環(huán)路的幅度A和相位φ精確匹配，其中相位匹配還要考慮補(bǔ)償放大器時(shí)延帶來的相位變化，即：

(1)

式中：ωτ為傳輸時(shí)延造成的相位差，是色散的；φ′為非色散的固定相移。

1.2 主輔放大器的選取

位于第1個(gè)環(huán)路中的主功率放大器類型的選擇主要是從輸出功率、輸出信號(hào)的線性度及其工作效率等方面來考察的。

一般硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET是設(shè)計(jì)射頻功率放大器比較理想的功率管，而橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)管又以其具有的高增益、高駐波比、高瞬時(shí)峰值功率、高增益平坦度、負(fù)溫度系數(shù)等優(yōu)良特性，當(dāng)之無愧地成為設(shè)計(jì)前饋功率放大器中主功率放大器的最佳選擇[3]。

位于第2個(gè)環(huán)路中的輔助放大器的要求是它要有更高的線性度及更好的寬帶特性，從而使它能線性地放大主功率放大器的非線性失真信號(hào)，而不再為電路帶來其它的失真。為了達(dá)此目的，通常會(huì)讓晶體管工作在甲類狀態(tài)下。雖然硅雙極型晶體管和砷化鎵金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)都可以用來構(gòu)成輔助放大器，但兩者相比較而言，砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管的增益及其增益平坦度、效率、線性度，甚至包括熱穩(wěn)定性，都要比雙極型晶體管好；因此，在多數(shù)情況下，更偏向于選擇工作在甲類狀態(tài)下的砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管作為輔助放大器。

1.3 幅度和相位匹配條件

幅度和相位匹配是整個(gè)方案中最關(guān)鍵的部分[4]。假設(shè)輸入信號(hào)為Vin(t)，經(jīng)主放大器的輸出信號(hào)為VA1(t)，Ve(t)為主放產(chǎn)生的誤差信號(hào)，則：

(2)

耦合器1將一部分主放大器的輸出耦合出來與原始信號(hào)相消，耦合系數(shù)為1/CC1時(shí)的耦合電壓Vsub1(t)和另一路原始信號(hào)經(jīng)過時(shí)延網(wǎng)絡(luò)1時(shí)的電壓Vsub2(t)為：

(3)

(4)

Vsub1(t)與Vsub2(t)通過反向分路器合成抵消主信號(hào)，則可得到交調(diào)提取環(huán)路幅度和相位匹配的條件有：

(5)

(6)

式中：n為任意整數(shù)。

同理，可以推導(dǎo)出交調(diào)抵消環(huán)路幅度和相位匹配的條件有：

(7)

考慮兩環(huán)路的幅度匹配條件，對(duì)于所選擇的主放大器HE315、輔助放大器HEM364B，所對(duì)應(yīng)的增益分別為A1=20 dB，A2=33 dB，考慮幅度匹配條件，設(shè)計(jì)耦合度C1=20 dB，C2=10 dB。

考慮兩環(huán)路的相位匹配條件，選擇的主放大器HE315內(nèi)部是平衡放大器結(jié)構(gòu)，輸出信號(hào)反相，則有φA1=π，輔助放大器φA2=0，雙孔磁環(huán)繞制的耦合器1與耦合器2，主通路相移φC1=0，φC2=0，耦合支路相移φC1′=π，φC2′=π，需要使τT1=τA1和τT2=τA2才能滿足相位匹配條件。

1.4 時(shí)延網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

時(shí)延網(wǎng)絡(luò)主要采用時(shí)延線實(shí)現(xiàn)：可以采用同軸電纜或集總傳輸線，采用同軸電纜，長(zhǎng)度為：

(8)

為避免集總元件本身動(dòng)態(tài)影響整個(gè)電路，圖1中時(shí)延網(wǎng)絡(luò)2采用同軸電纜形式的時(shí)延線。而為了減小整個(gè)電路體積，時(shí)延網(wǎng)絡(luò)1可以采用集總傳輸線形式的時(shí)延線。根據(jù)經(jīng)典的傳輸線理論[5]，電路如圖2所示。

即使采用集總傳輸線的試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)模式，為了時(shí)延可以調(diào)節(jié)，也應(yīng)當(dāng)預(yù)留同軸電纜的位置。

2 關(guān)鍵技術(shù)及需要解決的問題

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

前饋線性化技術(shù)是前饋放大器的關(guān)鍵技術(shù)。整個(gè)前饋的系統(tǒng)由誤差信號(hào)提取環(huán)路和誤差校正環(huán)路組成。在誤差提取環(huán)路中，將主信號(hào)完全抵消，僅僅剩余互調(diào)信號(hào)；在誤差校正環(huán)路中，抵消互調(diào)信號(hào)，完成信號(hào)的線性化功能。

2.2 需解決的問題

影響前饋系統(tǒng)性能的主要因素在于：兩環(huán)路中參與抵消的兩信號(hào)幅度和相位的不一致性。此外，工程實(shí)現(xiàn)中面臨如下的問題：

(1) 信號(hào)的功率越小，對(duì)消要求的幅度和相位的準(zhǔn)確度就越高，微小的幅度或相位波動(dòng)就會(huì)對(duì)信號(hào)對(duì)消產(chǎn)生較大的擾動(dòng)。

(2) 由于主放的輸出功率較大，增益較高，對(duì)于輔助放大器而言，在留有衰減調(diào)節(jié)余量10dB的情況下，輔助放大器的增益非常高。若采用多級(jí)級(jí)聯(lián)的方式，容易自激，工程上實(shí)現(xiàn)很困難。

為了減少工程實(shí)現(xiàn)的難度，可以在參考通路上加一誤差放大器，提高耦合器C2的耦合度，從而提高誤差提取信號(hào)的幅度，也可以緩解輔助放大器的增益壓力。

3 短波前饋放大器的電路仿真

選用HE315型放大器(增益G=20 dB)作為主放大器，HEM364B型放大器(增益G=33 dB)為輔助放大器，采用雙孔磁芯設(shè)計(jì)耦合器，考慮幅度匹配條件，設(shè)計(jì)耦合器C1的耦合度為20 dB,耦合器C2的耦合度為10 dB。

按照上述條件，在ADS軟件中構(gòu)建電路模型進(jìn)行仿真[6-7]，仿真結(jié)果如圖3所示。

4 性能測(cè)試與結(jié)果分析

工程上，按照此方案與電路仿真的元器件選取實(shí)際制作了一個(gè)樣件，并使用IFR2042型信號(hào)源與8563ET型頻譜儀對(duì)輸出IP2、IP3進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如下。

4.1 測(cè)試結(jié)果

與HE315對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 樣件測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由測(cè)試結(jié)果可以看出，通過前饋線性化技術(shù)，將HEM315型放大器的二階截點(diǎn)值提升了20 dBm，三階截點(diǎn)值提升了15 dBm。由此可見，前饋線性化技術(shù)應(yīng)用起到了預(yù)期的效果，能夠大幅提升小信號(hào)放大器的線性化程度。

4.2 工程實(shí)現(xiàn)與調(diào)試的難點(diǎn)

工程實(shí)現(xiàn)中的難點(diǎn)在于兩環(huán)路中參與抵消的兩信號(hào)幅度和相位與主信號(hào)的高度一致性問題。同時(shí)，這也是理論實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問題。設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)留斷點(diǎn)，可以將交調(diào)提取環(huán)路與交調(diào)抵消環(huán)路由電路中單獨(dú)提取出來進(jìn)行調(diào)試，以此消除調(diào)試中2個(gè)環(huán)路間的相互影響。

在時(shí)延網(wǎng)絡(luò)后增加同軸電纜，通過調(diào)整電纜的長(zhǎng)度調(diào)整時(shí)延以及相位；在電路中預(yù)留衰減器位置，通過調(diào)整衰減器來調(diào)整兩路信號(hào)的幅度。實(shí)際調(diào)試中證明，通過以上2種方法，能夠得到幅度相等、相位相反的預(yù)期效果。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了使用前饋線性化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的短波高線性放大器，電路具有低功耗、寬帶、大動(dòng)態(tài)、高線性等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)電路進(jìn)行了仿真和樣件制作，測(cè)試表明通過該方法設(shè)計(jì)的放大器能夠大幅提高線性化程度，達(dá)到理想預(yù)期。同時(shí)，該方法能夠廣泛應(yīng)用于短波放大器的研制中。

[1] 波扎.微波工程基礎(chǔ)[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社,2006.

[2] 王坦.短波通信系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2008.

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[4] WOLFGANG J R.Hoefer Microwave Circuit Modeling Using Electromagnetic Field Simulation[M].Norwood,Massachusetts,USA:Artech House,2003.

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[7] 張敏.CST微波工作室用戶全書[M].成都：電子科技大學(xué)出版社,2004.

2017全國(guó)復(fù)雜環(huán)境下雷達(dá)設(shè)計(jì)、干擾及防護(hù)學(xué)術(shù)交流大會(huì)征文通知

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是在復(fù)雜環(huán)境下的信息戰(zhàn)，雷達(dá)作為信息戰(zhàn)的眼睛，其效能的發(fā)揮直接決定戰(zhàn)爭(zhēng)的勝負(fù)天平，在復(fù)雜電磁環(huán)境中，既要求我們的“眼睛”可以看得遠(yuǎn)、看得清、看得準(zhǔn)、看得快，還要保護(hù)好“眼睛”不被欺騙和傷害。隨著雷達(dá)新體制、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，干擾手段也得到了促進(jìn)和提升，新的干擾技術(shù)和干擾戰(zhàn)術(shù)也已成為當(dāng)前裝備技術(shù)中最活躍的領(lǐng)域之一。隨著雷達(dá)干擾和防護(hù)技術(shù)的相互交融，專業(yè)研發(fā)人員對(duì)干擾、防護(hù)的相互了解和新技術(shù)的需求越來越迫切?；谶@種形勢(shì)，中國(guó)電子學(xué)會(huì)擬于2017年6月24～25日在北京舉辦2017全國(guó)復(fù)雜環(huán)境下雷達(dá)設(shè)計(jì)、干擾及防護(hù)學(xué)術(shù)交流大會(huì)。有關(guān)會(huì)議事宜及征文內(nèi)容如下：

一、大會(huì)主席：呂躍廣院士；大會(huì)執(zhí)行主席：高梅國(guó)，趙國(guó)慶，吳道慶。

二、征文內(nèi)容(不僅限如下內(nèi)容)：1)復(fù)雜信號(hào)環(huán)境下雷達(dá)設(shè)計(jì)、干擾及抗干擾新理論、新技術(shù)、新方法;2)雷達(dá)系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì);3)雷達(dá)抗干擾新體制及其技術(shù);4)認(rèn)知雷達(dá)技術(shù)與認(rèn)知雷達(dá)抗干擾技術(shù);5)MIMO雷達(dá)及其技術(shù);6)無源雷達(dá)及其技術(shù);7)雷達(dá)主瓣干擾及抗干擾技術(shù);8)分布式協(xié)同技術(shù);9)壓縮感知技術(shù)在電子偵察接收中的應(yīng)用;10)微波光子技術(shù)在雷達(dá)中的應(yīng)用;11)大數(shù)據(jù)分析在雷達(dá)中的應(yīng)用;12)復(fù)雜信號(hào)環(huán)境深度分析技術(shù);13)干擾信號(hào)自適應(yīng)優(yōu)化技術(shù);14)新體制雷達(dá)及復(fù)雜電磁環(huán)境下的適應(yīng)性技術(shù);15)雷達(dá)系統(tǒng)的建模仿真與信號(hào)模擬技術(shù)。

三、交流形式：特邀專家報(bào)告和論文交流相結(jié)合。

四、征文要求：

1.論文必須是未公開發(fā)表的論文，保密級(jí)別為“公開”，不得涉及國(guó)家秘密，并通過所在單位保密審查。

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·摘要(5號(hào)宋體居左，加黑):摘要內(nèi)容(5號(hào)楷體，緊接冒號(hào)后排列)。

·關(guān)鍵詞(5號(hào)宋體居左，加黑)：關(guān)鍵詞內(nèi)容(5號(hào)楷體，緊接冒號(hào)后排列，各關(guān)鍵詞之間用分號(hào)分隔)。

1一級(jí)標(biāo)題(用小4號(hào)黑體頂格排，按1、2、3……編排)；

1.1二級(jí)標(biāo)題(用5號(hào)黑體頂格排，按1.1、2.1、3.1……編排)；

1.1.1三級(jí)標(biāo)題(用5號(hào)楷體頂格排，按1.1.1、2.1.1、3.1.1……編排)。

·內(nèi)容(5號(hào)宋體)。

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4.圖題、表題及圖表中的文字與數(shù)據(jù)均用小5號(hào)宋體；計(jì)量單位一律采用法定計(jì)量單位。

5.文章請(qǐng)注明第一作者聯(lián)系方式(包括通信地址、郵政編碼、聯(lián)系電話(手機(jī))、郵件地址)及單位、職稱等個(gè)人信息。請(qǐng)作者提交該論文的單位保密審查單(原件或掃描版)。

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7.征文截止日期：2017年5月31日。

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《艦船電子對(duì)抗》是中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所主辦的學(xué)術(shù)性科技期刊。報(bào)道范圍包括：各種體制雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、干擾與抗干擾技術(shù)，電子偵察與電子干擾/抗干擾技術(shù)、建模仿真與效能評(píng)估技術(shù)、光電對(duì)抗技術(shù)、信號(hào)/數(shù)據(jù)處理技術(shù)、天線/電源技術(shù)、計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。

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Design of Short Wave High linear Feed-forward Amplifier

ZHANG Wen-liang1，F(xiàn)ENG Xiao-dong2

(1.China Communications System CO.,LTD.Hebei Branch,Shijiazhang 050081,China;2.Military Representative Office of Equipment Development Department in Shijiazhuang,050081,China)

This paper presents a design method of short wave amplifier using feed forward linearization technique,introduces the basic principle of feed-forward linearization technique,studies the application of this method to amplifier design,discusses the existing problems and solutions in the engineering realization,uses simulation software ADS to build circuit model,performs the simulation and optimization design to the amplifier,makes a short wave high linear feed-forward amplifier sample,tests the sample indexes and compares it with main amplifier,analyzes the test results in detail,verifies the feasibility of this method.

feed-forward;short wave;amplifier;cross modulation

2016-09-06

TN722

A

CN32-1413(2017)01-0112-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.01.025