矢量调制器自适应前馈线性化技术研究

李毅，何方敏，唐健，李建轩，孟 进

（1.海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉430033；2.海军电磁兼容研究检测中心，上海 200235）

0 引言

矢量调制器是一种可以同时控制信号幅度和相位的器件。矢量调制器在雷达、通信等领域中有广泛的应用，如预失真或前馈功率放大器中的交调失真对消，辐射干扰对消，交叉极化对消，连续波雷达和电子战接收机收发天线耦合对消；相控阵天线的复加权控制；雷达模拟器系统中的幅相控制；单边带调制多普勒模拟和数字通信系统中作正交调制；用作移相器等[1-6]。在这些应用中，需要矢量调制器有较高的线性度，尤其是在需要矢量调制器处理大功率信号时。

典型的矢量调制器中的主要元器件为PIN二极管。目前抑制矢量调制器的非线性的主要方法[7,8]是多个PIN二极管串联分压。但采用多个PIN二极管串联的方法会使成本和体积大幅增加，器件的插损也会增大；并且当PIN二极管数量增加时，为了器件的阻抗匹配和减小非线性失真，必须增大PIN二极管的控制电流，这样使直流损耗大幅增加，从而导致发热量大幅增加。因此，PIN二极管串联分压方法减小器件的非线性失真有局限，有必要研究新的减小矢量调制器非线性失真的技术。

1 矢量调制器非线性失真

典型的矢量调制器的结构框图如图1所示。其射频部分由正交功分器，两个双极性电调衰减器以及合成器构成。双极性电调衰减器是矢量调制器中的关键部件，它的作用是控制射频信号输出功率大小和极性。其主要由含有PIN二极管的电路构成。设输入PIN二极管的射频电流的幅值Im，频率为f，则一个周期流入I区的电荷量为Im/2πf。若PIN二极管的载流子平均寿命为τ，直流控制电流为Idc，则I区储存的电荷量为Idcτ。因此，PIN二极管线性工作的条件是[8]：

当式(1)不能满足时，双极性电调衰减器将出现较严重的非线性失真，从而导致矢量调制器的非线性失真。由式(1)可知，双极性电调衰减器的非线性失真程度与射频输入功率、频率，以及直流控制电流（该电流与双极性电调衰减器的衰减量对应）有关。

图1 矢量调制器模块框图

矢量调制器的非线性一般引起谐波分量，交调和互调失真，其中互调失真对系统的影响最严重，不能用一般的滤波器滤除。若矢量调制器的输入信号为双音信号：

则其三阶互调分量的频率为 2ω1-ω2、2ω2-ω1，落在通带之内，无法用滤波器滤除。该三阶互调若不采取有效的抑制措施，将会对通带内的有用信号形成干扰。本文提出基于相关检测法的自适应前馈线性化技术抑制矢量调制器的三阶互调干扰。

2 矢量调制器自适应前馈线性化技术

基于相关检测法的自适应前馈线性化技术已在功放线性化技术[9,10]中应用，得到了良好的效果。本文将该思想应用到矢量调制器的线性化中，降低或解决矢量调制器非线性失真中的三阶互调失真。

自适应前馈线性化技术可大幅降低三阶互调干扰，解决一般滤波器无法滤除的通带内的三阶互调信号。自适应前馈技术的基本思想是提取经过矢量调制器后的失真分量，自适应调整其幅相后与输出失真信号等幅反相叠加，从而将失真分量从输出信号中消除，得到只含有线性分量的部分。

图2是矢量调制器基于相关检测的前馈线性化技术的系统框图。整个前馈系统由两个环路组成，环路1称为信号对消环（也称误差检测环），环路2为失真对消环（也称误差对消环），它们分别实现失真信号的提取与消除功能。图2中，矢量调制器1为主矢量调制器，矢量调制器2和矢量调制器3是辅助矢量调制器。

就相关控制而言，在信号对消环中，通过耦合器1提取的基波信号与耦合器2提取的信号作相关运算，以二者之间的相关度最小为目标，控制矢量调制器 2；在失真对消环路中，以输出信号与耦合器2提取的信号作相关运算，以二者之间的相关度最小为目标，控制矢量调节器3。

而矢量调制器 1产生的失真信号的消除过程分析如下：

在信号对消环中，输入信号分为两路，主功率直接进入矢量调制器1进行矢量调制，由于矢量调制器1的非线性失真，输出信号中除了原始输入信号外还出现了新的频率分量即失真分量。对矢量调制器1的输出信号通过耦合器2进行采样，将其输入到参考支路的合成器 1。由耦合器1的耦合端进入参考支路的延迟线1，再由矢量调制器2调整后，使之与耦合器2耦合端的信号幅度相等相位相反，两信号相加后消除原始信号，只剩下失真信号，实现信号对消功能。值得注意的是，虽然耦合器1的耦合端的输出功率较小，但为保证矢量调制器2输出的信号的非线性失真小，需选用与矢量调制器1功率等级相当的矢量调制器；另外，也要合理选择耦合器1和耦合器2的耦合度。

在失真对消环中，将合成器1输出的失真信号通过矢量调制器3调整，以及误差放大器放大后，与经过延迟线2的信号的失真信号部分幅度相等、相位相反，从而在合成器2中对消失真信号。

3 仿真计算及结果

矢量调制器一种典型的应用场合为自适应辐射对消系统，本文将该自适应反馈线性化的矢量调制器用于大功率短波自适应辐射干扰对消系统中，研究该矢量调制器线性化技术。依据自适应对消系统[11]与图2所示的矢量调制器自适应反馈线性化技术框图，建立的对消系统框图如图3所示。图3中发射机发射功率为100 W，发射天线与接收天线的空间耦合度为35 dB（用35 dB衰减器和延迟线模拟空间耦合情况），则到接收机处的干扰功率为 15 dBm；为对消干扰功率，自适应辐射干扰对消系统的从发射机取样耦合度为20dB，则矢量调制器1的输入功率为30 dBm；相关器3为矢量调制器1提供控制电压。利用仿真软件，建立图3所示框图的仿真系统，得到的仿真结果如图4所示。由图4中可见，采用自适应前馈线性化技术后，RFout（经线性化后的信号）相对RFvm（经矢量调制器1后）处的三阶互调分量降低30 dB以上，大大改善了矢量调制器的非线性失真。

图2 基于相关检测法的前馈线性化技术的系统框图

图3 含矢量调制器线性化技术的对消系统框图

4 结语

本文将自适应前馈线性化技术应用到解决矢量调制器的非线性失真中，给出了矢量调制器自适应前馈线性化技术的系统框图，并在对消系统中研究了该矢量调制器线性化技术。仿真结果显示使用该技术可将矢量调制器的三阶互调失真改善30 dB以上，表明矢量调制器自适应前馈线性化技术具有良好的应用前景。

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