航天测控高效率线性功率放大器研究

王 帅，谢冰一，李春辉，杨建永，申冀湘

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

航天测控高效率线性功率放大器研究

王 帅，谢冰一，李春辉，杨建永，申冀湘

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

针对航天测控发射机的GaN末级功率放大器效率得到提升，但线性度往往达不到指标要求的问题。提出了射频预失真技术和Doherty技术相结合的方法来提高功率放大器的回退效率和线性化指标，给出了射频预失真的方案设计，对差分匹配和100 W功率放大器进行了仿真设计。通过仿真分析和试验可以发现，该方法可以改善三阶交调到-47 dBc以下，效率在输出功率回退6 dB后可以达到45%。

射频预失真；功率放大器；Doherty功率放大器；差分匹配

Abstract In order to achieve high efficiency and linearity in the GaN power amplifier for aerospace TT&C,a method in combination of RF predistortion and Doherty technology was presented in this paper.The design of RF predistortion was proposed.The simulation of differential impedance match and 100 W power amplifier was introduced.Simulation results and analysis have shown that the proposed amplifier achieves efficiency of 45% at 6 dB back-off from the saturated output power,and IMD3 is improved to -47 dBc.

Key words RF predistortion;power amplifier;Doherty power amplifier;differential impedance match

0 引言

航天测控技术为各种轨道的人造地球卫星、无人试验飞船、载人飞船、深空探测器的发射、在轨运行和返回着陆提供测控支持，是整个航天工程中不可或缺的重要组成部分。随着航天测控技术的发展，特别是第三代半导体GaN功率器件的使用，相比较Si基LDMOS器件，效率有了很大提升，但由于GaN的自身特性，线性度指标往往不是很理想，差于同功率的LDMOS功率放大器。在航天测控实际应用中，末级功率放大器输出功率有较大的动态范围。在低于额定输出功率下，传统的功率放大器的效率将大大降低，每下降6 dB，效率降低一半[1]。

本文针对航天测控功率放大器的实际需求，提出射频预失真技术和Doherty技术相结合的方法来提高功率放大器的回退效率和线性度指标。三阶交调可以改善到-47 dBc，效率在6 dB回退后可以达到45%。

1 射频预失真

1.1 射频预失真原理

预失真的基本原理是在输入功率信号与功率放大器模块之间加入预失真模块，该模块产生与功放模块相反的输入特性，进而改善功放模块的线性度。预失真技术按照电路的实现形式分为模拟预失真和数字预失真2种，按照工作频率可分为基带预失真、中频预失真和射频预失真[2-4]。本文采用射频预失真方案，采用模拟电路来实现射频预失真，其优点是电路结构相对简单，成本低且工作带宽较宽等，缺点是相对数字预失真频谱再生分量改善较少、实际调试难度较大[5]。

1.2 射频预失真方案

本文采用了原Scintera公司(Maxim已收购)的射频预失真芯片SC1894，SC1894芯片是该公司第三代预失真校正芯片，支持的频率范围为225～3 800 MHz。该芯片为了减小功率放大器的自身失真，通过功率放大器的输出信号和输入信号自适应地产生一个优化的校正功能。预失真器本质上是减小了带外的功率，SC1894测量功率放大器输出端反馈回来的射频模拟信号，通过优化误差函数来减小带外功率，从而达到提高线性度的目的[5]。其系统工作原理框图如图1所示。通过对末级功放的输出信号进行耦合输出采样和数字化，采样结果送给SC1894的数字电路，经过预失真算法计算出波形Volterra Series扩展的因数修正因子，通过一个双定向耦合器将经过修正的射频信号送回到射频路径中，从而达到校准波形和提高线性度的目的[6-7]。

图1 SC1894工作原理

整个预失真模块的设计包括输入输出和反馈的差分匹配网络、电源模块设计、衰减电路设计和延时线的调整设计。其中最核心的设计为差分匹配网络设计。

1.3 差分匹配

SC1894的射频端口为差分形式，差分匹配设计框图如图2所示，通过Mini Circuits公司的巴伦芯片NCS2-222+把单端50 Ω阻抗环境转换为差分100 Ω环境，根据仿真图3确定SC1894在需要考虑的频点上的差分阻抗为Zin=33.4-j*15.6，则对应的单端阻抗Zinp=Zin/2=16.7-j*7.8。原SC1894和100 Ω之间的差分匹配转换为单端阻抗Zinp=16.7-j*7.8和单端50 Ω的匹配，单端匹配完成后再扩展为差分形式，仿真原理图和仿真结果如图4所示，从仿真结果中看出，差分匹配良好。

图2 匹配框图

图3 SC1894端口差分阻抗

图4 差分匹配电路及仿真结果

2 Doherty技术

2.1 Doherty原理

Doherty功率放大器电路结构最初是由贝尔实验室的W.H.Doherty于1936年提出来的。经典Doherty结构如图 5所示[6]，Doherty结构的功率放大器包含2个放大器：主功放和辅助功放，它们之间通过一个1/4波长线来合路输出，主功放通常偏置在AB类，输出端串接的1/4波长线起阻抗变换作用，在小功率输入时，主功放的输出阻抗为2倍负载阻抗(如果负载为50 Ω，此时为100 Ω)。下方为辅助功率放大器，通常偏置在C类，该辅助放大器的输入端接入一个1/4波长线来补偿2路之间的相位。随着技术的发展，后来又出现了非对称Doherty放大器和多路Doherty放大器等研究方向。其提高效率的基本原理与经典Doherty放大器相同[8-10]。

图5 Doherty结构

2.2 电路设计

Doherty功率放大器电路设计包括偏置电路设计，单管电路设计，补偿线设计和功分器设计[11-12]。

偏置电压的确定依赖于功率器件转移特性曲线在栅压的摆动范围。本设计选用的功率器件为Cree公司的CGH40120F，其转移特性曲线如图6所示。CGH40120F的动态范围为4 V(-3.34～0.76 V)，因此主功放的偏置电压初步设置为-2.34 V(=0.25*4-3.34)，辅助功放的偏置电压初步设置为-5.34 V(=-0.5*4-3.34)。

图6 转移特性曲线

根据负载牵引系统对CGH40120F进行仿真，得到最大功率下的源端阻抗和负载端阻抗，考虑到设计的一致性和模型准确性，本文采用开路短截线来代替电容进行匹配设计[13-15]，具体原理图如图7所示，仿真结果如图8所示，可以看出满足100 W的设计要求，实物如图9所示，实际测试满足100 W功率输出。

图7 单管设计仿真原理

图8 仿真结果

图9 单管匹配功放实物

将前面的单管设计电路在ADS软件上进行封装建模，构建出典型的Doherty电路，上面为主功放，下面为辅助功放。在主功放和辅助功放输入输出分别加入了补偿线，补偿线的作用是改变主功放和辅助功放在小功率输入时的阻抗和补偿相位[16-18]。

3 测试结果分析

双音频率间隔5 MHz的功放三阶交调测试情况如表1所示。采用SC1894预失真模块，配置好不同射频接口的电平和上位机软件，在4.1.03.08的版本和4.0.05.12版本下得到不同的三阶交调改善。由于射频预失真模块是闭环调节，整个调节改善是动态的，所以在频谱仪上看到三阶交调信号在不断跳动，表中所示的最差情况为三阶交调频谱最大时的IMD3值，平均模式指的是把频谱仪设置成平均模式下的IMD3读数。通过表1结果可以看出，三阶交调可以改善到-47 dBc以下(4.0.05.12固件版本)。

表1 三阶交调测试结果

对Doherty电路仿真，电路输出功率回退6 dB后效率可以达到45%。而平衡式AB类功放在同等功率回退情况下功率附加效率为30%左右，效率提高了15%左右。

4 结束语

本文对2路Doherty功率放大器进行了仿真设计，功率附加效率在输出功率回退6 dB后仍可达到45%，提高了航天测控发射机功率放大器在输出功率低于额定功率下的效率。功率放大器在加入射频预失真模块后，IMD3可以改善到-47 dBc(指标要求一般为-29 dBc)以下，改善了末级功率放大器的线性度。仿真结果和实测数据可以表明，射频预失真技术和Doherty技术相结合的方法可以改善放大器的回退效率和线性度指标。

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Research on High-efficiency Linear Power Amplifier for Aerospace TT&C

WANG Shuai，XIE Bing-yi，LI Chun-hui，YANG Jian-yong，SHEN Ji-xiang

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.08.18

王帅，谢冰一，李春辉，等.航天测控高效率线性功率放大器研究[J].无线电工程,2017,47(8):75-78.[WANG Shuai，XIE Bingyi，LI Chunhui，et al.Research on High-efficiency Linear Power Amplifier for Aerospace TT&C[J].Radio Engineering,2017,47(8):75-78.]

2016-10-26

国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(2013AA122105)。

TN722

A

1003-3106(2017)08-0075-04

王 帅 男，(1985—)，博士，工程师。主要研究方向：RF LDMOS功率器件研究、功率放大器和射频前端设计。

解冰一 男，(1986—)，工程师。主要研究方向：微波功率放大器。