周二風(fēng)

摘 ? 要：提供一種可實(shí)現(xiàn)氮化鎵（GaN）功率放大器功率增益非線性預(yù)失真校正電路，克服了現(xiàn)有的氮化鎵功率放大器的功率增益非線性或線性輸出功率低的問(wèn)題，使其在功率增益特性方面與砷化鎵（GaAS）功放性能相似。該預(yù)失真電路具有性能優(yōu)越、通用性強(qiáng)和靈活性好等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：氮化鎵功率放大器;預(yù)失真;功率增益非線性

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：TN95 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在微波通信設(shè)備中、大功率放大器是發(fā)射系統(tǒng)中核心部件，目前常用的功放芯片類(lèi)型以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）和氮化鎵（GaN）為主要類(lèi)型。隨著通信、數(shù)字電視、衛(wèi)星定位、航空航天、雷達(dá)和電子對(duì)抗等技術(shù)的發(fā)展，微波系統(tǒng)對(duì)功放的要求越來(lái)越高，更低的功耗、更高的穩(wěn)定性、更小的體積、更高的線性度要求是功放追求的目標(biāo)，也是系統(tǒng)對(duì)功放提出的發(fā)展的方向。GaAs類(lèi)型的功放已無(wú)法滿足系統(tǒng)高線性度與低功耗的需求，因此采用GaN材料的高功率放大器得以快速發(fā)展，其與相同量級(jí)的GaAs芯片相比，具有更大的輸出功率，更好的頻率特性，更高的可靠性，更高的耐高溫特性，更高的擊穿電壓，更高的效率和熱導(dǎo)率優(yōu)越等特點(diǎn)，特別適合于需要同時(shí)滿足大功率和小型化及低功耗的應(yīng)用領(lǐng)域。

然而GaN功率放大器具有功率增益軟壓縮/非線性特性，其很難滿足客戶要求的功率增益線性度要求。

筆者提供一種可實(shí)現(xiàn)GaN功率放大器功率增益非線性預(yù)失真校正電路，克服現(xiàn)有技術(shù)中的GaN功率放大器具有的功率增益非線性問(wèn)題，提升GaN功率放大器的線性輸出功率，使其在功率增益特性與GaAs性能相似，該預(yù)失真校正電路具有性能優(yōu)越、通用性強(qiáng)和靈活性好等特點(diǎn)。

1 微波功率放大器功率增益特性定義

功率增益G=PL/Pin，即耗散在負(fù)載ZL的功率與傳輸?shù)蕉丝诰W(wǎng)絡(luò)的輸入端功率之比，二端口微波功率放大器網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。該文在輸入和輸出端都與二端口共軛匹配狀態(tài)下陳述。

1.1 砷化鎵功率放大器的功率增益特性

GaAs功率放大器的功率增益在小信號(hào)輸入時(shí)，隨輸入信號(hào)的增大呈現(xiàn)線性特性-即輸入輸出同比例變化，接近P-1 dB或飽和功率點(diǎn)時(shí)功率增益才出現(xiàn)壓縮，特性曲線一般如圖2所示，為便于對(duì)比，圖2采用具有相同輸出功率的GaAs和GaN功放芯片繪制其功率增益特性曲線。

1.2 氮化鎵微波功率放大器功率增益特性

GaN功率放大器的功率增益在小信號(hào)輸入時(shí)，其隨輸入功率的增大就已呈現(xiàn)功率壓縮特性（此處稱(chēng)為軟壓縮-即輸入功率增加1 dB，輸出功率增加小于1 dB，約0.7 dB），而接近飽和功率點(diǎn)時(shí)功率增益與GaAs功率放大器基本一致。氮化鎵功率放大器的功率增益非線性或線性輸出功率低，工程中使用該類(lèi)型功率放大器在發(fā)射鏈路系統(tǒng)中P-1dB將不能滿足要求。

2 功率增益預(yù)失真電路工作原理

2.1 電路組成

在射頻鏈路中，氮化鎵功率放大器功率增益非線性預(yù)失真校正電路，包括砷化鎵驅(qū)動(dòng)功率放大器、微帶定向耦合器、射頻模擬衰減器、氮化鎵高功率放大器、隔離濾波器、功率檢波溫補(bǔ)電路、射頻功率檢波電路、差分運(yùn)算放大器和射隨器;砷化鎵驅(qū)動(dòng)功率放大器、微帶定向耦合器、射頻模擬衰減器、氮化鎵高功率放大器和隔離濾波器依次相連，構(gòu)成射頻微波發(fā)射鏈路;微帶定向耦合器還與射頻功率檢波電路、差分運(yùn)算放大器以及射隨器，且射隨器與射頻模擬衰減器相連，從而構(gòu)成氮化鎵功率放大器功率增益校正鏈路; 功率檢波溫補(bǔ)電路、射頻功率檢波電路以及所述差分運(yùn)算放大器依次相連構(gòu)成高低溫檢波電路誤差補(bǔ)償電路，其電路組成框圖如圖2所示。

2.2 電路工作原理

微波射頻信號(hào)從砷化鎵驅(qū)動(dòng)功率放大器（U1）輸入，流經(jīng)射頻微波發(fā)射鏈路直至射頻信號(hào)輸出端口;砷化鎵驅(qū)動(dòng)功率放大器（U1）對(duì)射頻輸入信號(hào)進(jìn)行中功率放大，且讓其工作在增益線性區(qū)，其輸出功率經(jīng)過(guò)微帶定向耦合器（U2），實(shí)現(xiàn)對(duì)砷化鎵驅(qū)動(dòng)功率放大器（U1）輸出微波功率的耦合取樣功能，耦合功率經(jīng)過(guò)射頻功率檢波電路（U7）轉(zhuǎn)換為功率檢波電壓（Vd）。

大功率放大器在高低溫環(huán)境中工作，其射頻功率檢波電路輸出的檢波電壓（Vd）存在溫度漂移特性，故需要配備功率檢波溫補(bǔ)電路（U6）和差分運(yùn)算放大器（U8）補(bǔ)償Vd的溫漂，差分放大器輸出的電壓為Vb，Vb經(jīng)過(guò)電壓射隨器（U9）再次穩(wěn)定和帶載能力后產(chǎn)生射頻模擬衰減器控制電壓Vt，由Vt電壓驅(qū)動(dòng)射頻模擬衰減器，使得射頻模擬衰減器（U3）的衰減特性呈現(xiàn)與氮化鎵高功率功率放大器（U4）功率增益相同的特性，從而實(shí)現(xiàn)射頻鏈路中氮化鎵功率放大器的功率增益壓縮校正。

總之，使用射頻功率檢波電路采集砷化鎵驅(qū)動(dòng)功率放大器的功率曲線，結(jié)合氮化鎵高功率功率放大器功率曲線軟壓縮特性，然后通過(guò)差分運(yùn)算放大器（U8）的運(yùn)算（針對(duì)多廠家的氮化鎵功放可調(diào)整U8中的R1進(jìn)而調(diào)整控制電壓斜率-即功率增益校正斜率），產(chǎn)生射頻模擬衰減器控制電壓進(jìn)而修正氮化鎵功率放大器功率增益壓縮，提高功率放大器的功率增益線性度。

隔離濾波器（U5）實(shí)現(xiàn)對(duì)功率放大器諧波抑制和功率反向隔離，保護(hù)氮化鎵高功率放大器（U4）不被反射功率燒壞。

3 電路測(cè)試與結(jié)果分析

該電路使用到衛(wèi)星通信Ku 波段150 W功率放大器發(fā)射系統(tǒng)鏈路中（150 W高功率末級(jí)功率放大器模塊采用氮化鎵功放芯片進(jìn)行功率合成），該電路使用前后功率增益測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表1和圖3所示。

從表1測(cè)試結(jié)果可看出，修正前Ku 波段150 W功率放大器的線性輸出功率P-1 dB約為47.4 dBm，其不滿足產(chǎn)品要求的P-1 dB≥51.8 dBm，而使用功率增益預(yù)失真校正電路后其P-1 dB約為52.8 dBm，其線性輸出功率得到明顯提升，滿足產(chǎn)品要求。

4 結(jié)論

經(jīng)實(shí)際微波射頻功放系統(tǒng)功率增益測(cè)試，采用該電路校正后，射頻鏈路中氮化鎵功率放大器的功率增益壓縮曲線如圖5所示，其線性輸出功率得到有效顯著提升。

參考文獻(xiàn)

[1]David M. Pozar [美].微波工程（第三版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2]張國(guó)興，陳會(huì)，文繼國(guó).射頻與微波晶體管功率放大器工程[M].北京：電子工業(yè)初版社，2013.

[3]蔡志清.氮化鎵技術(shù)在雷達(dá)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].電子技術(shù)與軟件工程， 2019，150（4）：95-96.