毫米波線性化固態功放的研制

李 凱,黃 建,李 培

（1.中國西南電子技術研究所,成都610036;2.電子科技大學 物理電子學院,成都 610054）

毫米波線性化固態功放的研制

李 凱1,黃 建1,李 培2

（1.中國西南電子技術研究所,成都610036;2.電子科技大學 物理電子學院,成都 610054）

研制了工作于Ka頻段的10 W線性化固態功放。采用預失真技術的線性化單元主要由一個肖特基二極管和一個電容并聯構成,具有增益擴展和相位延遲的特性,并且其增益和相位特性具有可調性。將其應用于工作頻率為30 GHz、輸出功率為10 W的功放,雙音激勵信號頻率間隔為5 MHz,三階互調（IMD3）可以改善15 dBc。

毫米波;固態功放;三階互調;預失真;線性化器

1 引 言

隨著毫米波技術廣泛應用于各種系統平臺,毫米波系統對大功率固態發射機的需求日益迫切。電子戰、衛星通信、地面測控站等均需要高可靠性的大功率毫米波固態發射機,其發射功率需求為幾瓦至幾百瓦不等。

作為毫米波發射系統的關鍵部件,功率放大器對工作效率和輸出線性度的要求也越來越高,尤其是在航天測控、衛星通信等領域,為達到較好的通信質量和測控精度,對具有高線性度的毫米波固態功放的需求越來越迫切。而目前毫米波固態功放自身的線性度通常不能滿足系統要求,需要采用相應的線性化技術來達到指標要求。

雖然在較低的頻段,如 L、S 、C 、X 等頻段,諸如預失真[1]、負反饋[2]、前饋[3]等功放線性化技術應用已較為成熟,但在毫米波頻段,國內對于高功率功放線性化技術的研究幾乎沒有。目前在毫米波頻段最常用的線性化技術是功率回退法,該方法原理簡單、易于實現,但線性度的提升范圍有限,同時也帶來了成本上升、效率降低、功耗增大等缺點。

本文采用模擬預失真線性化技術,在不降額使用并滿足功率需求的前提下,不僅可以達到通信測控系統對線性度指標的要求,與功率回退法相比,該技術在滿足相同的指標前提下,可節約大量成本,并成倍降低功耗。

本文首先介紹了毫米波線性化固態功放的方案設計原理和研制過程,然后給出了仿真結果,最后給出了實驗測試結果。

2 方案設計及工作原理

如圖1所示,Ka頻段線性化固態功放主要由前端可調放大模塊、線性化模塊和末級功放單元三部分組成,各單元之間用波導連接。

圖1 Ka頻段線性化固態功放設計框圖Fig.1 Block diagram of linearizer for solid state power amplifier in Ka-band

前端放大模塊主要由可調增益放大器組成,可調增益放大器的作用是提供使線性化模塊工作在最佳工作點的功率。在本項目中,可調增益放大器由一個固定增益放大器和一個電調衰減器組成。

線性化模塊由非線性電路單元、射頻輸入輸出匹配電路、調諧電路、直流饋電單元等組成。線性化模塊用以補償末級功放的非線性失真,提高功放的線性度。非線性電路單元產生的非線性特性與功放的非線性特性呈現相反的趨勢,與功放級聯后,可一定程度補償功率放大器的非線性,如圖2所示。加入線性化模塊以后,可在一定范圍內提高功放的線性度,三階互調指標一般可提高4～20 dBc。

圖2 預失真技術的工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of predistortion

末級功放由波導微帶探針過渡、功率分配合成網絡、末級功率放大器、直流饋電電路等幾部分組成。在本項目中,線性化的主要目標是針對目前已經應用于通信測控等工程中的Ka頻段10 W固態功放模塊。

3 各級電路單元的研制

3.1 毫米波功放單元的研制

通過對毫米波大功率固態功放合成技術的研究,突破了微帶與波導相結合的混合式合成網絡的功率合成關鍵技術（如圖3）,研制出了Ka頻段的5 W、10 W、20W、50W、200W等系列化毫米波固態功放,并已成功應用于航天測控、衛星通信等多個領域。

圖3 末級單元功率模塊原理圖Fig.3 Schematic diagram of solid state power amplifier

3.2 線性化單元的研制

（1）末級功放單元的非線性參數測試

首先,需要得到末級功放單元的非線性特性參數。通過測試方法得到功放的輸入功率-增益特性、輸入功率-傳輸相移特性。

（2）毫米波固態功放非線性特性軟件建模及優化

通過實驗手段得到的一些功放非線性特性參數,在ADS中建立固態功放單元的大信號非線性仿真模型,可以對功放的實際情況進行模擬,這樣就可以在軟件仿真平臺中將功放與預失真器一起協同仿真,從而得到相對比較準確的仿真結果。

（3）線性化單元設計

線性化單元的基本電路原理如圖4所示。

圖4 采用單個二極管并聯的預失真器電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of p redistortion linearizer with a parallel Schottky diode

在軟件中,建立二極管的理想模型,通過調節電路的偏置電壓,可以改變增益擴展性能;通過調節二極管的并聯電容,可以改變相位擴展性能[4,5]。加入輸入輸出匹配電路可以使得整個預失真器的插損減小,輸入可調增益放大器可以使得二極管工作在最佳工作點上,輸出可調增益放大器不僅可以使得輸出功率滿足指標要求,而且可以隔離末級功放反射回來的能量,保護二極管。通過調諧饋電電壓和調試調諧單元,可以使得電路工作在最優。

經過第1和第2步,在ADS軟件中將功放與整個線性化電路協同仿真。末級功放的三階互調指標的仿真結果如圖5所示。

圖5 預失真電路與功放級聯仿真結果Fig.5 Simulated IMD3 of linearizer for solid state power amplifier

3.3 前端可調放大模塊的研制

前端可調放大模塊主要由電調衰減器和固定增益放大器組成（如圖6所示）,可以滿足整機的增益指標要求、電調控制整機系統的增益,并可使得線性化單元工作在最佳工作點上。

圖6 前端可調放大模塊設計框圖Fig.6 Block diagram of d riving amplifier

研制出的10 W Ka頻段線性化固態功放的實物如圖7所示。

圖7 Ka頻段10W線性化固態功放實物照片Fig.7 Photo of linearizer for 10 W solid state power amplifier in Ka-band

4 試驗情況

圖8為毫米波線性化固態功放測試系統框圖。如圖所示,雙音信號由2個信號源（頻率間隔為5 MHz的點頻信號）同時饋入等功率合路器,然后經由放大驅動模塊進入線性化單元最終進入末級功放單元。輸出信號經過一個雙耦合器分別輸出到功率計和頻譜儀,可以分別對輸出信號的頻譜和功率進行監測。

圖8 線性化單元級聯功放的整體測試系統框圖Fig.8 Block diagram of testing system

測試是在功放從1 dB壓縮點回退3 dB,即輸出功率為37 dBm時進行的。雙音激勵信號頻率間隔為5MHz,測試頻段為29.5～30 GHz。

圖9和圖10分別給出了功放加入線性化單元前后的三階互調（IMD3）指標比較。

圖9 功放未加線性化單元的三階互調Fig.9 Measured IMD3without predistortion linearizer

圖10 功放加入線性化單元后的三階互調Fig.10Measured IMD3 with predistortion linearizer

由測試結果可知,在工作頻率為30GHz時,未加線性化單元前,功放三階互調為-19 dBc;加入線性化單元后,功放三階互調為-35 dBc。因此,該線性化單元對Ka頻段10W功放的三階互調改善了15 dBc以上。

最終,Ka頻段10W線性化固態功放原理樣機主要技術指標測試結果如表1所示。

表1 Ka頻段10W線性化固態功放技術指標測試結果Table 1Measured results of linearizer for 10W solid state power amplifier in Ka-band

5 結 論

本文針對Ka頻段10 W固態功放的非線性進行了研究,采用模擬預失真技術,具有穩定性好、成本低、實用性廣等優點,突破了毫米波預失真電路設計的關鍵技術;在國內首次完成了Ka頻段線性化大功率固態功放原理樣機研制,對功放的三階互調指標可以改善15 dBc,驗證了本方案切實可行;已為多家單位配套小批量生產20余套產品,其市場前景廣闊。

在工程應用中,功放的實際工作狀態復雜多變,需要大量的調試工作使得線性化單元與功放實現良好匹配。因此,具有自適應性能的線性化技術將是一個重要的研究方向。

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[5] Kazuhisa Yamauchi,Masatoshi Nakayama,Yukio Ikeda,et al.An 18 GHz-Band MMIC Linearizer Using A Parallel Diode with A BiasFeed Resistance and A Parallel Capacitor[C]//Proceedings of IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.Boston,MA,USA:IEEE,2000:1507-1510.

Development of Linearizer for M illimeter-Wave Solid State Power Amplifier

LI Kai1,HUANG Jian1,LI Pei2
（1.Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China;2.Institute of Physical Electronics,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China）

A linearizer for 10 W Solid State Power Amplifier（SSPA）in Ka-band is developed.The millimeterwave（MMW）predistortion linearizer,which is composed of a Schottky diode and a parallel capacitor,has gain expansion and phase shift characteristics,and its characteristics can be controlled.By applying this linearizer to a 30GHz-power amplifier with 10W output power,and using a two-tone prompting signal with 5 MHz spacing,the improvement of IMD3 is 15 dBc.

millimeter-wave（MMW）;solid state power amplifier（SSPA）;three order intermodulation;predistortion;linearizer

TN802

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2011.02.019

1001-893X（2011）02-0094-04

2010-09-05;

2010-12-06

李 凱（1982-）,男,四川內江人,分別于2005年和2008年獲學士學位和碩士學位,現為助理工程師,主要從事功率放大器、微波毫米波電路等方面的研究;

LI Kai wasborn in Neijiang,Sichuan Province,in1982.He

the B.S.degree and the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China（UESTC）in 2005 and 2008,respectively.He is now an assistant engineer.His research interests include power amplifier and millimeter-wave circuit research.

Email:likaizi@163.com

黃 建（1971-）,男,四川鄰水人,研究員級高級工程師,主要從事毫米波技術等方面的研究;

HUANG Jianwasborn in Lingshui,Sichuan Province,in 1971.He received the B.S.degree and the M.S.degree from UESTC in 1993 and 1996,respectively.He is now a senior engineer of p rofessor.H is research concernsm illimeter-wave technology.

李 培（1984-）,男,河南南陽人,分別于2007年和2010年獲學士學位和碩士學位,主要從事電磁場與微波技術等方面的研究。

LI Pei was born in Nanyang,Henan Province,in 1984.He received the B.S.degree and the M.S.degree from UESTC in 2007 and 2010,respectively.H is research interests include electromagnetic field and microwave-wave technology.