用于毫米波段行波管的可调预失真器

李文朝，张德伟，周东方，汪永飞

(信息工程大学信息系统工程学院， 郑州450002)

0 引言

随着通信技术的快速发展，为了实现大容量、高速率的传输，对功率放大器线性度和效率提出了更高的要求。目前行波管功放在很多的通信电路(如:卫星转发器)中起着非常重要的作用［1-2］。行波管功率放大器工作在饱和区时，可以获得较高的功率输出，但却引入了较严重的信号失真［3］。解决信号失真的传统方式是采用功率回退的方法使功率放大器工作在远离饱和区的线性区，但这使得放大器的工作效率降低。因此，单个行波管很难解决高线性和高效率之间的矛盾。通常采用外接线性化器［4-5］的方法解决线性度与效率之间的矛盾。文献［6］发现，如果使用预失真器可以在一定程度上改善行波管的非线性特性，不过这种预失真器在可调度方面较差，不能很好地匹配行波管功率放大器，使得行波管功放的线性改善效果不明显。本文介绍的预失真电路解决了之前预失真电路存在的可调性差的问题，并结合先进设计系统(ADS)仿真以及电路实测来验证预失真电路的可调性效果。

1 基本原理及仿真设计

1.1 预失真线性化器的基本原理

当信号经过图1所示的系统时，由于预失真器的传输特性与行波管的传输特性相反，使得他们的传输特性相互抵消，最终系统呈线性输出。因此，在相同的输入功率条件下，行波管将具有更好的线性度。这就是预失真线性化的思想，它从系统的角度解决行波管的非线性问题。

图1 预失真线性化器线性化原理图

从传递函数的角度考虑，假设行波管功率放大器的传递函数为

如果最终的传递函数H=Ke-jωt0(线性放大)，则有H=HAHB=Ke-jωt0，所以

函数HB即为理论上线性化行波管的传递函数。

1.2 电路的设计与理论分析

通过对预失真线性化技术的基本原理及肖特基二极管的非线性特性进行理论分析，本文设计了Ka波段的预失真电路。该电路主要由90°电桥、GaAs肖特基二极管、微带线和负载电阻构成，具有良好的匹配特性和较宽的工作带宽，电路结构简单，线性改善度更好［7］，其电路模型如图2所示。

图2 预失真电路模型

如图2所示，射频信号进入定向耦合器后，分成上下两路信号经过肖特基二极管、微带线以及终端负载电阻，利用肖特基二极管的非线性改变直通端和耦合端的反射系数，经过反射后在耦合器输出端汇合。由于预失真电路本身对称性良好，所以输入端和输出端匹配特性比较好。

为了便于分析，通常将肖特基二极管等效为电纳Bd和电导Gd，同时将负载电阻和微带线等效为电纳BL和电导GL，端口等效电路模型如图3所示。

图3 端口的等效电路模型

图2预失真电路模型中3 dB正交混合电桥的直通臂和耦合臂的输出幅度为1∶1，相位差为90°。其S矩阵如下

设预失真电路的输入信号为

信号vin通过电桥后分为两路信号v2、v3分别通过2、3端口，设2、3端口的反射系数为Γ，则根据式(3)、式(4)可得

将式(5)、式(6)代入式(7)、式(8)可得

由式(9)可知，该预失真电路输入端具有良好的匹配特性。由于该电路2、3端口完全一样，故电路输出端无需外加隔离器等，同样具有良好的匹配特性。

由式(10)可得到新型预失真电路的增益和相位

其中，Γ=|Γ|ejφΓ。

根据图2的电路原理图、图3的端口等效电路图及传输线理论，可得

最终，得到反射系数Γ的模值mag(Γ)及相位ang(Γ)

由式(11)～式(14)可知，图2预失真电路的幅度及相位特性由参数Bd、Gd、BL、GL决定，通过调节肖特基二极管的偏置电压、负载电阻及微带线长度，即可获得不同的增益扩展和相位扩张组合，进而能更好地补偿行波管的非线性特性。

1.3 预失真电路结构仿真

根据上述电路分析，正交混合电桥是整个电路的基础，电桥的电特性能好坏直接影响到整个电路匹配效果，因此，对电桥进行仿真优化具有理论及实际意义。图4为电桥的仿真模型及仿真结果。

图4 正交混合电桥及其仿真曲线

利用ADS对整个预失真电路进行仿真，该预失真电路采用的GaAs肖特基二极管具有工作频段高、品质因子好、寄生电感低等优点，使得电路稳定，预失真效果更加良好。所采用的介质材料是Rogers RT/duroid 5880，其介电常数为2.2，厚度 H=0.254 mm，以频点31 GHz为例的仿真结果如图5～图7所示。

图5 不同的偏置电压Vdc，预失真电路的AM/AM及AM/PM特性曲线

图6 不同的微带线电长度θ，预失真电路的AM/AM及AM/PM特性曲线

图7 不同的偏置电压RL，预失真电路的AM/AM及AM/PM特性曲线

该预失真电路的AM/AM及AM/PM特性曲线可以通过二极管两端的偏置电压Vdc、微带线电长度θ以及负载电阻RL进行调节。在输入功率为［-20 dBm，15 dBm］内，图5通过调节偏置电压Vdc，使电路产生了5 dB～16 dB的增益扩张及60°～80°的相位扩展;图6通过调节微带线电长度θ，使电路实现了5 dB～12 dB的增益扩张及35°～65°的相位扩展;图7通过调节负载电阻RL，使电路实现了3 dB～6 dB的增益扩张及50°～80°的相位扩展。因此，该预失真电路具有灵活的可调性，能更好地补偿行波管放大器的非线性特性。

2 预失真电路的实现与测试

综合以上的理论与仿真分析，设计并制作了工作于29 GHz～31 GHz的预失真线性化器。该预失真器所采用的介质基片为Rogers RT/duroid 5880，介电常数为2.2，加工及测试的电路如图8所示。

图8 预失真电路实物及测试场景图

该预失真器在各频点上均有明显的增益扩展及相位扩张效应，且同样灵活可调。这里给出预失真器在31 GHz频点时的传输特性，如图9所示，利用型号为Agilent N5247A PAN-X网络分析仪对预失真器进行测量。以电压调节为例，通过调节偏置电压Vdc，在输入功率为［-20 dBm，4 dBm］范围内，该预失真电路的AM/AM、AM/PM具有明显的可调性，从测试的结果可以看出，其增益扩展的范围为5 dB～11.5 dB，相位扩张范围为35°～65°。在与行波管功率放大器联测时，根据不同类型的行波管，通过改变二极管的偏置电压Vdc、微带线电长度θ及负载电阻RL获得不同的增益扩展和相位扩张的组合以更好的匹配行波管，对行波管的非线性改善更加明显，具有较高的工程实现价值。

图9 不同的偏置电压Vdc对应预失真器的AM/AM及AM/PM测试曲线

3 结束语

微波预失真线性化器种类繁多，本文介绍的预失真器借助二极管的非线性实现了增益扩展和相位扩张预失真特性。通过调节肖特基二极管的偏置电压、微带线电长度及负载电阻三个独立调节的变量，可在额定功率输入范围内调节预失真器的AM/AM及AM/PM特性，使该预失真器能更好地改善行波管的非线性。总之，该预失真器结构简单、易于实现、可调性灵活、线性化效果良好，具有很好的工程应用价值。

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