一種用于微波功放的新型預失真結構

摘 要：預失真技術是一種能有效的改善寬帶信號線性度的方法。在普通的反向并聯二極管預失真技術基礎上做出了一定改進，提出了一種新的預失真線性化器電路結構。這種預失器結構簡單，可以直接與功放級聯，不需要延時線，相移器和衰減器等額外器件。通過調節二極管的偏置電壓，電阻值和可調增益放大器，同時控制載波信號和IMD的相位和幅度變化。采用這種預失真器能夠有效地補償微波功放的非線性失真，ADS雙音測試表明，IMD3和IMD5分別改善了41 dB和2.4 dB。

關鍵詞：預失真；線性化器；肖特基二極管；ADS

中圖分類號：TN722 文獻標識碼：B 文章編號：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

隨著現代無線通信系統的迅猛發展，當今的衛星通信系統和移動通信系統對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今通信新技術領域中的一個重要研究課題。當前功放線性化技術主要有前饋型、反饋型和預失真型等3種^［1］。他們結構不同、各具特色。相比于前饋型、反饋型兩種線性化技術，預失真技術具有電路結構簡單、工作絕對穩定等，可適用于寬帶系統等優點，故是一種具有很好應用前景的線性化技術。

預失真技術實際是在微波功放之前串聯一個函數模塊。該模塊的特性能補償功放的壓縮性能。在理想情況下，使預失真模塊同功放組成的系統的輸入輸出關系是線性的。因此預失真型線性化技術的線性化效果主要取決于預失真器的特性。雖然由于技術的限制，目前還未能達到理想的線性化效果，但從長遠發展來看，預失真技術存在巨大的發展潛力。任何線性化器都必須要處理幅度和相位校準，預失真法對兩者都有較好的補償效果，因此特別適用于行波管（TWT）放大器中。

結合普通的預失真技術，提出了一種新的反向并聯肖特基二極管線性化器電路結構，與傳統的反向并聯二極管預失真型電路相比^［2，3］，其不同之處在于不需對消基頻信號，不需要延時線，相移器和衰減器等額外器件，而是使預失真器直接與功放級聯^［4］。通過改變預失真器外加偏壓和電阻值可以有效地調節載波信號與失真信號的幅度和相位，這種線性化器結構簡單，調節點多且易于調節，補償效果好。文章首先介紹預失真技術的基本原理，再給出其電路結構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一步驗證。

2 預失真線性化原理

2.1 基本原理

在微波放大器的前端加入一個預失真器，預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。當信號經過預失真器、可變增益放大器和放大器組成的級聯系統時，由于預失真器與微波放大器的相反的非線性特性，從而可以對微波放大器的輸出進行一定的補償，使得輸出信號為基本無失真信號，以達到線性化的目的。

當然預失真產生的非線性不可能與放大器的非線性完全相反，一般只對輸出影響最大的三階交調進行抑制。

功放的非線性主要指幅度轉換特性（AM-AM）和幅度相位轉換特性（AM-PM），非線性將導致幅度調制（AM）信號和相位調制（PM）信號的畸變。行波管是一種廣泛用于衛星通信中的微波放大器，根據實際的參數，利用ADS仿真系統建立了一個工作在2.2~3.0 GHz頻段的TWT放大器模型，圖1為其失真測試曲線，可以看出單音信號經過功放后產生了嚴重的增益壓縮和相位偏移。

圖1 功放的失真特性2.2 功放及二極管對輸出特性

當放大器工作在非線性區內時，不考慮放大器的記憶效應，其非線性可用無窮項冪級數來描述：V_out= K₁V_in + K₂ V²_in + K₃V³_in + … (1) 而級數中只有奇次方項對輸出信號的交調頻率分量有貢獻。偶次方項除了產生直流分量外，還產生了偶階諧波頻率分量，但均被濾除。因為三階分量是對放大器非線性影響最大的因素，因此為了分析方便，一般只取前三項近似。

要搞清線性化器的原理，我們必須首先清楚反向并聯二極管對單元的非線性特性。二極管是一種非線性半導體器件，對應輸入信號，例如一個余弦信號，二極管的輸出是包含了非線性失真分量的余弦信號。利用二極管的這種特性，構建了一種工作在相同偏壓下的反向并聯二極管對。這種反向并聯二極管對可看作為單端口網絡，反向并聯二極管對的導納可表示為^［5］:

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

經二極管對后，只有奇次分量輸出，而其他分量均被抑制。適當的調節偏壓就可以使得反向并聯二極管對產生的三階分量通過功放以后與功放自身非線性產生的三階交調產物相互抵消，達到線性化的目的。

2.3 預失真器的電路結構及原理分析

利用反向并聯二極管對搭建起來的線性化器的基本電路如圖2所示。這個預失真發生器由2個具有相同特性的反向并聯肖特基二極管(文章采用SMSbav99)、電感、電阻和180.3 dB電橋耦合器組成。2個二極管加有相同的偏置電壓，以產生失真信號，電感用以調節支路的反射系數，補償一定的相移，利用電阻可以吸收一定帶內信號。由于反向并聯二極管對必然帶來一定的插入損耗^［6］，在實際使用中需要在功放的前端增加一個可調增益放大器來補償其插損。

圖2 預失真器原理圖對于理想的180° 3 dB正交電橋，輸入信號等分、反相的傳送到耦合端和直接輸出端，隔離端沒有輸出。輸入信號經180°正交電橋分成兩個相等電平的信號，輸入信號的一半送到3端口的電抗負載，所到達電抗負載的功率被反射回電橋，這個反射信號的相位為電抗反射系數相位和入射信號兩者的函數。另一半功率到達2端口，送到反向并聯Schottky二極管對非線性單元，到達管對的大部分功率也被反射回電橋，由于二極管被大功率驅動反射回來的幅值和相位都要發生變化。經2，3端口反射回來的信號都是關于幅度和相位的矢量，兩矢量信號合成后從隔離端口4輸出。圖3給出了端口4反射信號合成示意圖。

圖3 端口4反射信號合成示意圖這時端口3的反射系數為：Γ2=f(Vb，Vi，R)(3) 端口2的反射系數為：Γ3=g(L)(4) 經矢量合成在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)式中第二項的負號是電橋端口2反射特性決定的。適當的調整電抗負載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。

3 計算機仿真與結果

為了驗證預失真器的有效性，構建如圖4所示的電路，借助于微波電路專用仿真軟件ADS對電路進行仿真。輸入頻率為2.6 GHz的單音信號對TWT放大器模型進行仿真。圖5為加入預失真前后的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償，當輸出功率為48.5 dBm時，增益補償約為1.2 dB，相位補償約為9.1°。

圖4 預失真型線性化功率放大器電路結構圖5 TWTA加入預失真器前后的單音輸出比較為了進一步驗證這種預失真線性化技術的特性，用中心頻率為2.6 GHz、頻率間隔為2 MHz的雙音信號進行仿真得到圖6所示的結果。從圖6（a）中可以看出，在加入預失真器前，三階IMD大約為15 dBm ，五階IMD大約為-2.5 dBm，即出現了較為嚴重的非線性失真。構建與圖1相同的系統仿真電路，通過適當調整可變增益放大器和偏置電壓，可獲得級聯系統的輸出信號的頻譜圖，如圖6（b）所示。通過與圖6（a）對比可見，經過預失真線性化處理后，三階交調改善了41 dB左右，五階交調改善了2.4 dB左右。

4 結 語

文章分析了一種應用工作在相同偏壓下的反向并聯二極管對構成的新型的線性化器電路結構，仿真分析結果表明，采用這種預失真器的線性化技術能夠有效的改善功率放大器的非線性失真。與其他形式的預失真器相比，電路結構非常簡單。這種預失真器對三階交調較大改善的同時，對五階交調也有部分改善。

圖6 TWTA加入預失真器前后的雙音輸出比較

參 考 文 獻

［1］Ludwig R，Bretchko P.RF Circuit Design:Theory and Applications ［M］.Beijing:Pubishing House of Electronics Industry，2002:181-205.

［2］李宏斌，劉輝，官伯然.一種模擬預失真線性化射頻放大器\\.杭州電子工業學院學報，2004(6):8-11.

［3］劉戰勝，賈建華.一種新的用于射頻功率放大器的預失真器［J］.現代電子技術，2006，29(4):19-20，25.

［4］Jeong H Y，Park S K，Ryn N S，et al.A Design of K-band Pre-distortion Linearizer Using Reflective Schottky Diode for Satellite TWTAs\\.Gallium Arsenide and Other Semi-conductor Application Symposium，2005.EGAAS 2005.European，2005:597-600.

［5］Cahaha D，Poutukuchi J R，Marshalek R G，et al.Linearized Transponder Technology for Satellite Communications.Comsat Technique Review，1985，15(1):277-305.

［6］Kenington P B.High-linearity RF Amplifier Design\\.London:Artech House Microwave Library，2000.

作者簡介 黃微波 男，1984年出生，研究生。主要研究方向為微波預失真技術應用。

李建清 男，1972年出生，博士，副教授。主要研究方向為微波電子學。

辜文婷 女，1984年出生，研究生。主要研究方向為微波預失真技術應用。

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