謝小強(qiáng)，吳健葦，穆繼超，沈曉唯，趙 濤，張旭陽(yáng)

(1.電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 611731； 2.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

近來(lái)，隨著大容量、高數(shù)據(jù)率、高速無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展和相關(guān)應(yīng)用需求的快速增長(zhǎng)，基于全固態(tài)集成技術(shù)的毫米波衛(wèi)星無(wú)線通信前端系統(tǒng)對(duì)發(fā)射機(jī)末級(jí)高功率放大器(SSPA)的要求越來(lái)越高。系統(tǒng)的成功應(yīng)用很大程度上依賴于系統(tǒng)前端末級(jí)發(fā)射機(jī)高功率放大器的工作性能。該功率放大器除需具有高發(fā)射輸出功率和高效率外，還需具有高線性度。為提高有限頻率帶寬內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸率，無(wú)線通信系統(tǒng)通常采用正交相移鍵控(QPSK)、正交振幅調(diào)制(QAM)等頻譜利用率高的非恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)，而該調(diào)制技術(shù)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)峰均比(PAR)增大，驅(qū)使放大器進(jìn)入飽和區(qū)，產(chǎn)生非線性失真，在增加誤碼率的同時(shí)拓寬頻帶，對(duì)其他相鄰信道產(chǎn)生干擾。為解決這一問(wèn)題，功率放大器線性化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

現(xiàn)有的功放線性化技術(shù)主要有以下幾種。前饋技術(shù)[1-2]通過(guò)耦合網(wǎng)絡(luò)將功率放大器自身的一部分互調(diào)分量耦合到消除環(huán)路，從而抵消功率放大器自身的互調(diào)分量。該方法在低頻有很好的寬帶特性和良好的穩(wěn)定性，且能極大地改善非線性，但因其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)元件的精度要求高，難以在毫米波段電路中實(shí)現(xiàn)，故線性改善效果不理想。負(fù)反饋技術(shù)[3-4]通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)提取功放非線性信號(hào)，并將相應(yīng)變化與功放原始輸入信號(hào)疊加，從而達(dá)到改善非線性的目的，但因其受限于反饋環(huán)路帶寬，且穩(wěn)定性較差，故不適宜于毫米波電路集成。毫米波頻段的線性化技術(shù)主要利用肖特基二極管非線性預(yù)失真特性實(shí)現(xiàn)，這種模擬預(yù)失真技術(shù)具有電路緊湊，工作頻率高等特點(diǎn)[5-7]。在此類研究中，為便于與毫米波三端器件(比如毫米波MMIC)集成，線性化預(yù)失真電路多采用基于肖特基二極管的微帶串并聯(lián)集成預(yù)失真電路形式[8-10]。文獻(xiàn)[8-9]采用的微帶電橋結(jié)構(gòu)的預(yù)失真電路提高了端口駐波性能，并加強(qiáng)了相位補(bǔ)償能力，但其固有的工作帶寬受電橋限制，難以在毫米波頻段實(shí)現(xiàn)寬帶線性化預(yù)失真的非線性幅度和相位補(bǔ)償。文獻(xiàn)[10]采用并聯(lián)單個(gè)肖特基二極管的形式實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，增益和相位可調(diào)的預(yù)失真器，但預(yù)失真電路線性化效率較低。

本文利用共面波導(dǎo)良好的二端口器件并聯(lián)集成特性，將肖特基二極管直接加載于共面波導(dǎo)金屬導(dǎo)帶與接地金屬條帶的縫隙中，在提高能量利用率的同時(shí)，避免了接地電感對(duì)工作頻率的限制，增加了工作帶寬，在毫米波頻段實(shí)現(xiàn)了寬帶預(yù)失真非線性幅相補(bǔ)償，并在Ka波段進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 肖特基二極管模擬預(yù)失真原理分析

模擬預(yù)失真技術(shù)從概念上講是一種非常簡(jiǎn)單的線性化技術(shù)，其基本設(shè)計(jì)思路是讓輸入信號(hào)在進(jìn)入功率放大器前，先經(jīng)過(guò)一個(gè)與功放的非線性相反的模塊，以此來(lái)補(bǔ)償功率放大器所產(chǎn)生的非線性失真，從而改善功率放大器的線性度。

肖特基二極管的非線性特性可產(chǎn)生與功放的非線性失真互補(bǔ)的預(yù)失真曲線。肖特基二極管可等效為一個(gè)可變電導(dǎo)與結(jié)電容并聯(lián)的二端口網(wǎng)絡(luò)[11]，其交流等效模型如圖1所示。圖中：P1和P2為網(wǎng)絡(luò)的2個(gè)端口。

圖1 肖特基二極管的交流等效圖Fig.1 Alternating current equivalent circuit of schottky diode

在為肖特基二極管選定適當(dāng)?shù)闹绷髌煤?，隨著輸入功率的增加，肖特基二極管的等效電導(dǎo)減小。圖1中交流等效電路傳輸系數(shù)S21的幅度與相位分別為

(1)

(2)

式中：Z0為特性阻抗；ω為角頻率；Cj為二極管的結(jié)電容；Gd為二極管的可變電導(dǎo)，與二極管的偏置情況有關(guān)。

隨著肖特基二極管等效電導(dǎo)的減小，S21的幅度會(huì)增大，而相位會(huì)減小，即表現(xiàn)為增益擴(kuò)張和相位壓縮。因此，肖特基二極管產(chǎn)生的非線性失真特性與固態(tài)功率放大器固有的非線性失真特性相反，滿足預(yù)失真特性需求。

2 毫米波模擬預(yù)失真器設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的預(yù)失真器的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。預(yù)失真器由2個(gè)肖特基二極管，1段共面波導(dǎo)，用于控制二極管偏置狀態(tài)的偏置電阻Rb和偏置電壓Ucc，以及1個(gè)射頻扼流圈組成。同時(shí)，因二極管加載在共面波導(dǎo)上，故本預(yù)失真電路微帶線先經(jīng)過(guò)過(guò)渡轉(zhuǎn)換到共面波導(dǎo)，再由共面波導(dǎo)過(guò)渡轉(zhuǎn)換到微帶線。

圖2 預(yù)失真器電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic diagram of circuit structure of predistorter

在無(wú)源傳輸線中，微帶線結(jié)構(gòu)的能量主要分布在中間的介質(zhì)基片內(nèi)。若將二極管表貼于微帶線介質(zhì)基片上的金屬導(dǎo)帶面上，微帶線傳輸?shù)哪芰烤筒荒転槎O管充分利用。此外，微帶線過(guò)孔接地的方式會(huì)產(chǎn)生寄生電感，影響工作帶寬。相對(duì)于微帶傳輸線，共面波導(dǎo)在毫米波段損耗更低。共面波導(dǎo)采用高介電常數(shù)的材料作為介質(zhì)基板，由于介質(zhì)基板上表面位于中間的金屬條帶內(nèi)，與兩旁的接地板處于同一平面，因此并聯(lián)安裝二端口元件非常方便，無(wú)需在基片上鉆孔或開(kāi)槽，避免了接地電感，易于實(shí)現(xiàn)寬頻帶。共面波導(dǎo)通過(guò)過(guò)渡還便于與微帶集成傳輸線，實(shí)現(xiàn)寬帶匹配轉(zhuǎn)換。

采用Ansoft公司的三維電磁仿真軟件HFSS(high frequency structure simulator)進(jìn)行建模與仿真，設(shè)計(jì)中所采用的共面波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。接地金屬條帶通過(guò)金屬化通孔將表面的金屬條帶與基片背面的腔壁連接，從而達(dá)到接地的效果。相比于微帶線結(jié)構(gòu)，共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的能量集中分布于金屬導(dǎo)帶與接地金屬條帶的縫隙中。電磁場(chǎng)在共面波導(dǎo)截面的分布如圖4所示，HFSS仿真的電場(chǎng)分布如圖5所示。若將二極管表貼于共面波導(dǎo)的縫隙之間，則共面波導(dǎo)傳輸?shù)哪芰繉⒈欢O管充分利用，二極管加載于共面波導(dǎo)上的實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖6所示。

由上述分析可知，將二極管表貼于共面波導(dǎo)的方法可使二極管更高效地利用傳輸線的能量，同時(shí)避免了二極管負(fù)極接地帶來(lái)的寄生電感影響，利于帶寬設(shè)計(jì)。

圖3 共面波導(dǎo)模型Fig.3 Model of coplanar waveguide

圖4 共面波導(dǎo)電磁場(chǎng)分布Fig.4 Electromagnetic field distribution of coplanar waveguide

圖5 共面波導(dǎo)電場(chǎng)分布仿真Fig.5 Simulation diagram of electric-field distribution for coplanar waveguide

圖6 二極管加載于共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)視圖Fig.6 Photograph of integrating diode with coplanar waveguide

預(yù)失真器的輸入信號(hào)由標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)BJ-320饋入，經(jīng)波導(dǎo)-微帶探針過(guò)渡到微帶線，然后通過(guò)微帶過(guò)渡到共面波導(dǎo)并經(jīng)過(guò)加載在共面波導(dǎo)上的肖特基二極管，從而產(chǎn)生預(yù)失真信號(hào)，預(yù)失真信號(hào)再通過(guò)共面波導(dǎo)過(guò)渡到微帶線，最后經(jīng)微帶過(guò)渡到標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)并輸出。圖7為此預(yù)失真電路的無(wú)源電路模型。電路采用的基片為Rogers RT/duroid 5880，其介電常數(shù)為2.2，厚度為0.254 mm。該無(wú)源電路結(jié)構(gòu)的組成部分包括波導(dǎo)、微帶探針、偏置高阻線和共面波導(dǎo)。無(wú)源電路S參數(shù)仿真結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明：在28～37 GHz的頻段內(nèi)，無(wú)源電路的插入損耗低于0.2 dB，回波損耗優(yōu)于-19 dB。

圖7 毫米波預(yù)失真器無(wú)源電路Fig.7 Passive circuit of millimeter-wave predistortion linearizer

圖8 毫米波預(yù)失真器無(wú)源電路仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of passive circuit for millimeter-wave predistortion linearizer

3 預(yù)失真線性化器制作與測(cè)試

本文中的預(yù)失真線性化器所采用的二極管為M/A-COM MA4E-2037。預(yù)失真線性化器實(shí)物的正面與背面視圖如圖9所示。圖10為預(yù)失真線性化器工作在30 GHz頻點(diǎn)處，偏置電壓為2.4 V時(shí)，輸入功率在-10～5 dBm范圍內(nèi)的預(yù)失真測(cè)試曲線。從圖10中可以看出，線性化器在30 GHz可提供2.6 dB的增益幅度擴(kuò)張和24°的相位壓縮。表1為該預(yù)失真線性化器在25～38 GHz頻帶范圍內(nèi)的預(yù)失真特性。由表1可知，預(yù)失真線性化器在25～38 GHz的寬頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了3 dB左右的增益幅度擴(kuò)張和20°左右的相位壓縮。

圖9 毫米波預(yù)失真器實(shí)物圖Fig.9 Actual photo of millimeter-wave predistortion linearizer

圖10 30 GHz頻點(diǎn)處線性化器預(yù)失真曲線圖Fig.10 Predistortion curves of linearizer at 30 GHz

表1 25～38 GHz頻帶內(nèi)線性化器預(yù)失真特性

4 預(yù)失真線性化器驅(qū)動(dòng)放大器制作與測(cè)試

在實(shí)際應(yīng)用中，功放需要一定的輸入功率，線性化器的適用功率范圍與功放的輸入功率范圍未必一致，且線性化器引入的插損對(duì)功放的性能也會(huì)產(chǎn)生一定影響。為使線性化器工作在最佳狀態(tài)并為功放提供適宜的輸入功率，設(shè)計(jì)了預(yù)失真驅(qū)動(dòng)放大電路模塊。

預(yù)失真驅(qū)動(dòng)放大電路結(jié)構(gòu)如圖11所示。通過(guò)前置的衰減器1、衰減器2和放大器1調(diào)節(jié)進(jìn)入預(yù)失真器的輸入功率，同時(shí)保證放大器1不進(jìn)入非線性放大區(qū)域；同樣，通過(guò)衰減器3、放大器2和放大器3調(diào)節(jié)預(yù)失真線性化驅(qū)動(dòng)放大電路的輸出功率范圍，以適應(yīng)對(duì)輸入功率有不同要求的末級(jí)功率放大器。在反復(fù)測(cè)試和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇3片型號(hào)為CHT4694的衰減器芯片，放大器1、放大器2和放大器3的芯片型號(hào)分別選擇為HMC-ALH445、TGA4507和TGA1073。該選擇方案可在調(diào)整預(yù)失真器輸入輸出功率范圍的同時(shí)不產(chǎn)生新的非線性失真。預(yù)失真驅(qū)動(dòng)放大器電路實(shí)物如圖12所示，放大器腔體材料為銅。

圖11 預(yù)失真驅(qū)動(dòng)放大器電路結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Structure diagram of predistortion driving amplifier circuit

圖12 預(yù)失真驅(qū)動(dòng)放大器電路實(shí)物圖Fig.12 Actual photo of predistortion driving amplifier circuit

用失網(wǎng)測(cè)試預(yù)失真驅(qū)動(dòng)放大器在二極管電流為3 mA，頻點(diǎn)為30 GHz處的幅度特性和相位特性，測(cè)試平臺(tái)如圖13所示，圖14為測(cè)試結(jié)果。由測(cè)試結(jié)果可知，該線性化器在30 GHz頻點(diǎn)處，可提供3.8 dB的增益幅度擴(kuò)張和30°的相位壓縮。

圖13 預(yù)失真驅(qū)動(dòng)放大器電路測(cè)試平臺(tái)Fig.13 Test platform for predistortion driving amplifier circuit

圖14 預(yù)失真驅(qū)動(dòng)放大器30 GHz時(shí)幅度和相位特性Fig.14 Amplitude and phase characteristics of predistortion driving amplifier at 30 GHz

將預(yù)失真驅(qū)動(dòng)放大器與功放級(jí)聯(lián)，通過(guò)測(cè)試對(duì)比線性化前后毫米波功率放大器三階交調(diào)失真來(lái)驗(yàn)證預(yù)失真器對(duì)功放非線性失真的改善能力。選用一型工作頻段為29.6～30 GHz，飽和輸出功率為5 W的毫米波功率放大器，并測(cè)試其線性化前后的三階交調(diào)失真。雙音信號(hào)測(cè)試平臺(tái)如圖15所示。雙音信號(hào)的頻率間隔為5 MHz，在1 dB壓縮點(diǎn)回退7 dB的條件下使用頻譜儀測(cè)試功率放大器的三階交調(diào)。29.8 GHz頻點(diǎn)處功放加載線性化器前后三階交調(diào)測(cè)試結(jié)果如圖16所示。圖16(a)為沒(méi)有級(jí)聯(lián)預(yù)失真器時(shí)功率放大器的三階交調(diào)，圖16(b)為功率放大器級(jí)聯(lián)線性化器后的三階交調(diào)。在29.6～30 GHz的頻帶范圍內(nèi)，功率放大器加載線性化器前后的三階交調(diào)失真改善情況見(jiàn)表2。其中，IMD30表示未加載線性化器功率放大器的三階交調(diào)系數(shù)，IMD31表示加載線性化器后功率放大器的三階交調(diào)系數(shù)。測(cè)試結(jié)果表明：在29.6～30 GHz的頻帶范圍內(nèi)，級(jí)聯(lián)線性化器后，功率放大器的三階交調(diào)失真都在-30 dBc以下，三階交調(diào)改善程度都高于10 dB，其中，在29.8 GHz頻點(diǎn)處，三階交調(diào)失真改善程度最高達(dá)19 dB。

圖15 雙音信號(hào)測(cè)試平臺(tái)Fig.15 Test platform for two-tone signal

圖16 29.8 GHz頻點(diǎn)處功放加載線性化 器前后三階交調(diào)測(cè)試結(jié)果Fig.16 Test results of three-order intermodulation for power amplifier with and without loading linearizer at 29.8 GHz

工作頻率/GHzIMD30/dBcIMD31/dBc改善程度/dB29.6 -20.7-34.2 13.529.8 -23.5-42.5 19.030.0 -23.4-34.7 11.3

5 結(jié)論

本文利用共面波導(dǎo)傳輸線良好的二端口器件并聯(lián)集成特性，提出了基于共面波導(dǎo)集成肖特基非線性二極管的毫米波線性化新方法，避免了傳統(tǒng)微帶集成電路接地電感等不連續(xù)性對(duì)工作頻率和工作帶寬的限制，提高了線性化電路的工作頻率，拓展了工作帶寬。所研制的毫米波預(yù)失真線性化電路具有工作頻率高、工作帶寬寬、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用該線性化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的線性化驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)輸出功率為5 W的功率放大器的三階交調(diào)失真進(jìn)行了有效改善，在29.6～30 GHz頻率范圍內(nèi)三階交調(diào)抑制度改善超過(guò)11 dB，并在29.8 GHz處達(dá)到19 dB，大幅提升了整個(gè)線性化功放的線性性能。該線性化技術(shù)可用于滿足現(xiàn)代大容量、高速衛(wèi)星通信前端系統(tǒng)需求，大幅改善毫米波衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)中功率放大器的線性性能，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低誤碼率的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸鏈接。