反并聯二極管實現預失真線性化器的電路設計

北方工業大學信息工程學院電子信息工程系 宋張凱 范宜添

1.引言

為了更加有效地使用頻譜，在現代通信系統中越來越多地采用正交幅度調制（QAM）、碼分復用（CDMA）和多載波等方式來傳輸信號，這就對功率放大器的效率和線性度提出了更高的要求[1][2]。功率放大器（TWTA）在放大信號的過程中會產生幅度（AM-to-AM）失真和相位（AM-to-PM）失真，所以如何采用線性化技術減小這兩種失真是實現功率放大器高線性度、高功率放大的關鍵問題。

功率回退法是以犧牲效率和最大輸出功率為代價來改善線性度，反饋在射頻微波頻段容易產生自激振蕩，前饋雖對非線性度改善效果較好，但實現復雜，成本高，電路體積較大，預失真法應用電路相對簡單，但對線性度改善有限，其主要難點在于非線性源的實現。預失真，包括基帶、中頻和射頻上的預失真，基帶預失真可采用數字信號處理[3]。預失真線性化器產生失真特性來補償行波管放大器的失真特性。單個二極管和工作在截止區的場效應管[4]可作為射頻預失真的失真源，但須加可變移相器和可變衰減器來調節失真信號的幅度和相位，結構相對復雜，電路不易調節。

圖1 預失真概念圖[5][6]

圖2

圖3 反并聯的肖特基二極管等效電路

本文采用反并聯的肖特基二極管來設計預失真線性化器電路，控制偏置電壓即可調節幅度失真和相位失真，即AM-AM、AM-PM轉換。和上述方法相比，本電路體積小，結構簡單，易于調節，是比較實用的線性化器。

2.線性化器的設計原理

2.1 射頻預失真線性化方法

如圖1所示，線性化器與行波管的失真特性互補，從而提高二者合成系統的線性度，圖2(a)、(b)分別顯示了二者AM-AM和AM-PM補償原理圖。

2.2 反并聯二極管特性

反并聯肖特基二極管在一定偏置條件下可以等效為并聯的電導和電容，等效導納Y = GD+ jBD隨著輸入信號功率P而變化，其變化范圍與加在二極管兩端的偏置電壓有關。

圖4

圖3是反并聯的肖特基二極管等效電路。

由Skyworks公司生產的肖特基二極管SMS7621-006，利用SPICE模型在偏置電壓分別為400mV和220mV時進行功率掃描，掃描范圍-30dBm～15dBm，得到導納值的變化范圍如圖4所示，可以看出，等效導納在220mV偏置電壓下有更大的動態范圍。

2.3 線性化器原理

正交分支線耦合器的S參量為：

圖5 線性化器原理圖[7]

圖6 末端等效電路

輸出端口的輸出信號與反射系數和輸入信號有關，對于一定輸入信號，反射系數決定了該線性化器的傳輸特性。將反并聯的二極管等效為并聯電阻和電容，串聯的微帶線和電阻等效為并聯電阻電容來計算反射系數，末端等效電路見圖6。

由于偏置電壓和信號輸入功率都會使反并聯二極管的電導和電納變化，由公式（7）可知，反射系數亦隨之而變化。結合公式（5）可以得到，出射波幅度和相位也將隨輸入功率和偏置電壓而變化。因此，可以用偏置電壓來調節AM-AM和AM-PM轉換特性。而且，在較大動態范圍內，反并聯二極管等效導納使得線性化器的AM-AM和AM-PM轉換特性變化較快（曲線斜率更大）。

本線性化器與可變移相器、可變衰減器設計原理有相通之處，都是通過改變耦合器直通端和耦合端所連器件的反射系數來使從隔離端輸出的信號具有一定的幅度特性和相位特性。可變移相器末端連接變容二極管[10]，在偏置電壓下等效為電容，可變衰減器末端連接PIN二極管[11]，在偏置電壓下等效為電阻，理想情況下要求等效電容和電阻對輸入功率無影響。而線性化器則較復雜，其末端等效導納隨輸入功率和偏置電壓變化較大，由于在不同功率點上有不同的衰減和相移，通過偏置電壓設置來實現調節AM-AM，AM-PM的功能。

3.仿真結果

假設中心頻率8.5GHz，帶寬200MHz，用Agilent公司仿真軟件ADS設計微波電路與仿真，結果如圖7所示。本電路的AM-AM和AM-PM轉換特性呈現出行波管的補償特性，補償的程度和與目標行波管相對應的輸入1dB壓縮點可由偏置電壓來調節。偏置電壓為220mV時，在輸入功率-24~4dBm上能補償AM-AM轉換4.7dB，補償AM-PM轉換31°。

圖7示出了在不同頻點上預失真信號發生器的AM-AM、AM-PM特性，偏置電壓為220mV，畫圖時使用了相同的幅度衰減常量和相移常量。圖7(a)反映了預失真信號發生器在200MHz帶寬上頻率越大，衰減量越大，但總體上AM-AM特性保持穩定，衰減量差值在1dB內。而待線性化的管型自身具有增益在頻率上的不平坦性，且在工作頻帶上增益隨頻率增大。因此信號發生器也增大了行波管放大器的增益平坦度。圖7(b)反映了不同頻率上的相位特性，AM-PM變化趨勢穩定。

在額定輸入功率范圍內，通過調節肖特基二極管偏壓，這種預失真電路能夠在相位變化不大的情況下實現增益的調整。在8.4GHz~8.6GHz頻率范圍內，對本章預失真器進行不同輸入功率條件下頻率掃描，結果表明，從-16dBm(線性狀態)到8dBm(非線性狀態)，各個頻點處的增益擴張量都可以保持在6dB左右，且工作頻帶內增益平坦度在1dB以內，相位擴張基本保持在45o左右，如圖8所示。

圖7 不同偏置電壓下電路仿真結果(a)AM-AM轉換；(b)AM-PM轉換

圖8 不同頻率下電路仿真結果(a)AM-AM轉換；(b)AM-PM轉換

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