预失真电路设计论文

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1原理分析与电路设计

1.1放大器非线性模型当放大器工作在非线性区时，采用Taylor级数模型，放大器的输出信号与输入信号可表述。若k1和k3符号相反，输出信号的增益会随着输入信号功率的增大而减小，即增益压缩（AM－AM效应）。同时，输出信号的相位会随着输入功率变化而变化，即相位失真（AM－PM效应）［6］。对于固态放大器，k3＜0，其非线性特性是增益压缩，相位扩张。预失真的基本原理即通过二极管或其它电路结构产生与功放相反的非线性特性，从而抵消因功放非线性引起的幅度与相位失真，达到改善功率放大器线性度的目的，其原理如图2所示。由于2ω1－ω2、2ω2－ω1两个频率分量（三阶交调分量）通常落在带内难以消除，会对系统产生严重的干扰，因此是衡量放大器非线性的一项重要指标。

1.2电路设计在图1中，输入信号通过2个3dBLange桥后，分别送入两个放大器；一般情况下，两路信号功率相差15dB以上，可保证A1工作在线性状态。设放大器的线性增益为G0，放大器1和2的输出分别为。为了准确地拟合主放大器的非线性特性，放大后的误差信号应与主功放的非线性分量相等，即非线性工作的放大器应与主放大器工作在相同的功率回退状态。功分器和耦合器1均采用相同的3dBLange桥实现（δ1＝δ2＝0．707），整个预失真电路的增益应为0，可以满足上述要求。结合（7）、（9）、（10）三式，可以确定耦合器的耦合度和各个衰减器的大小。通过调节延时线的长度和微调衰减器的大小，得到对主放大器线性度较好的改善效果。采用ADS进行仿真，G0＝25．5dB，衰减器1的衰减量为22dB，衰减器2的衰减量为5．4dB，定向耦合器的耦合度为－16．7dB。耦合器2也选择Lange桥，不仅简化了电路的设计，同时也节约了版图面积。

2测试结果

本设计采用0．15μmGaAs工艺实现，芯片面积为1．9mm×3．0mm，芯片结构如图3所示。该预失真单片的中心频率为21GHz，采用5V电压供电，直流功耗0．8W。采用矢量网络分析仪测试该预失真电路的增益和相位特性，设置中心频率为21GHz，输入功率扫描范围为－20～14dBm。测试结果如图4所示。该预失真电路可以提供3dB的增益扩张，以及20°以上的相位压缩。验证了该芯片可以产生预失真信号后，将其与功率放大器级联，测试其对功率放大器线性度的改善情况。测试结果表明，加入预失真电路后，功率放大器的P－1从22．2dBm提升至22．8dBm，相位误差从P－1处20°以上减小至3°以内，如图5所示。虽然增益波动最大为－0．4dB，但是该预失真电路修正了绝大部分的相位误差，同时一定程度上提高1 dB压缩点。为了验证该预失真电路的线性化效果，进一步测试采用中心频率为21GHz、间隔为10MHz的双音信号作为输入信号，比较相同的输出功率下，加入预失真芯片前后三阶交调指标改善情况，如图6所示。测试结果表明，该预失真芯片对功率放大器三阶交调最高可有27dBc的改善，在功率回退3dB时，可有5dBc的改善。在对功率放大器三阶交调为－30dBc的抑制条件下，驱动放大器输出功率从13dBm提高至17．5dBm。但是，五阶分量在回退过程中会有一定程度的恶化，如图7所示。由于流片过程中采用的电容比设计电容小20％，预失真电路中功放的特性出现了一定的偏差，导致了幅度修正不平坦、三阶分量在回退至小功率时改善效果不明显，也是五阶分量恶化的主要原因。对五阶分量改善不好的另一原因是要对高阶分量有很好的抑制，需要精确地产生预失真信号，而产生该信号非常困难，通常的做法是预失真系统中包含某种反馈以实现自适应，而这会使电路的复杂程度增大。为了验证该预失真电路的通用性，将该芯片与一高功率放大器（HPA）级联，进行了双音信号测试，结果如图8所示。在功率回退的整个过程中，IM3均有不同程度的改善，在输出29dBm时可改善15dBc以上，同时五阶分量并不会恶化。在－30dBc的抑制条件下，HPA输出功率可从28dBm提高至33dBm。

3结论

提出了一种预失真电路的新结构，通过理论分析和仿真，实现了一款工作于K波段的预失真电路单片集成电路。该电路将主路信号与非线性信号支路分离，具有更好的AM－AM和AM－PM效应的同时，大大减小了芯片尺寸。仿真与实测结果显示，预失真电路各项性能指标良好，指标满足雷达、卫星通信等领域的应用要求，为进一步深入研究提供了设计参考。

作者：王文斌陶洪琪张斌单位：南京电子器件研究所