氮化鎵功率放大器功率增益非線性的預失真電路設計

周二風

摘 ? 要：提供一種可實現氮化鎵（GaN）功率放大器功率增益非線性預失真校正電路，克服了現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。該預失真電路具有性能優越、通用性強和靈活性好等特點。

關鍵詞：氮化鎵功率放大器;預失真;功率增益非線性

中國分類號：TN95 ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

在微波通信設備中、大功率放大器是發射系統中核心部件，目前常用的功放芯片類型以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）和氮化鎵（GaN）為主要類型。隨著通信、數字電視、衛星定位、航空航天、雷達和電子對抗等技術的發展，微波系統對功放的要求越來越高，更低的功耗、更高的穩定性、更小的體積、更高的線性度要求是功放追求的目標，也是系統對功放提出的發展的方向。GaAs類型的功放已無法滿足系統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展，其與相同量級的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，更高的效率和熱導率優越等特點，特別適合于需要同時滿足大功率和小型化及低功耗的應用領域。

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。

筆者提供一種可實現GaN功率放大器功率增益非線性預失真校正電路，克服現有技術中的GaN功率放大器具有的功率增益非線性問題，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，該預失真校正電路具有性能優越、通用性強和靈活性好等特點。

1 微波功率放大器功率增益特性定義

功率增益G=PL/Pin，即耗散在負載ZL的功率與傳輸到二端口網絡的輸入端功率之比，二端口微波功率放大器網絡如圖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輸入時，隨輸入信號的增大呈現線性特性-即輸入輸出同比例變化，接近P-1 dB或飽和功率點時功率增益才出現壓縮，特性曲線一般如圖2所示，為便于對比，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輸入時，其隨輸入功率的增大就已呈現功率壓縮特性（此處稱為軟壓縮-即輸入功率增加1 dB，輸出功率增加小于1 dB，約0.7 dB），而接近飽和功率點時功率增益與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，工程中使用該類型功率放大器在發射鏈路系統中P-1dB將不能滿足要求。

2 功率增益預失真電路工作原理

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失真校正電路，包括砷化鎵驅動功率放大器、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、功率檢波溫補電路、射頻功率檢波電路、差分運算放大器和射隨器;砷化鎵驅動功率放大器、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，構成射頻微波發射鏈路;微帶定向耦合器還與射頻功率檢波電路、差分運算放大器以及射隨器，且射隨器與射頻模擬衰減器相連，從而構成氮化鎵功率放大器功率增益校正鏈路; 功率檢波溫補電路、射頻功率檢波電路以及所述差分運算放大器依次相連構成高低溫檢波電路誤差補償電路，其電路組成框圖如圖2所示。

2.2 電路工作原理

微波射頻信號從砷化鎵驅動功率放大器（U1）輸入，流經射頻微波發射鏈路直至射頻信號輸出端口;砷化鎵驅動功率放大器（U1）對射頻輸入信號進行中功率放大，且讓其工作在增益線性區，其輸出功率經過微帶定向耦合器（U2），實現對砷化鎵驅動功率放大器（U1）輸出微波功率的耦合取樣功能，耦合功率經過射頻功率檢波電路（U7）轉換為功率檢波電壓（Vd）。

大功率放大器在高低溫環境中工作，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電路（U6）和差分運算放大器（U8）補償Vd的溫漂，差分放大器輸出的電壓為Vb，Vb經過電壓射隨器（U9）再次穩定和帶載能力后產生射頻模擬衰減器控制電壓Vt，由Vt電壓驅動射頻模擬衰減器，使得射頻模擬衰減器（U3）的衰減特性呈現與氮化鎵高功率功率放大器（U4）功率增益相同的特性，從而實現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動功率放大器的功率曲線，結合氮化鎵高功率功率放大器功率曲線軟壓縮特性，然后通過差分運算放大器（U8）的運算（針對多廠家的氮化鎵功放可調整U8中的R1進而調整控制電壓斜率-即功率增益校正斜率），產生射頻模擬衰減器控制電壓進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）實現對功率放大器諧波抑制和功率反向隔離，保護氮化鎵高功率放大器（U4）不被反射功率燒壞。

3 電路測試與結果分析

該電路使用到衛星通信Ku 波段150 W功率放大器發射系統鏈路中（150 W高功率末級功率放大器模塊采用氮化鎵功放芯片進行功率合成），該電路使用前后功率增益測試結果對比如表1和圖3所示。

從表1測試結果可看出，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，其不滿足產品要求的P-1 dB≥51.8 dBm，而使用功率增益預失真校正電路后其P-1 dB約為52.8 dBm，其線性輸出功率得到明顯提升，滿足產品要求。

4 結論

經實際微波射頻功放系統功率增益測試，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

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