一种用于微波功放的新型预失真结构

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摘 要：预失真技术是一种能有效的改善宽带信号线性度的方法。在普通的反向并联二极管预失真技术基础上做出了一定改进，提出了一种新的预失真线性化器电路结构。这种预失器结构简单，可以直接与功放级联，不需要延时线，相移器和衰减器等额外器件。通过调节二极管的偏置电压，电阻值和可调增益放大器,同时控制载波信号和IMD的相位和幅度变化。采用这种预失真器能够有效地补偿微波功放的非线性失真，ADS双音测试表明,IMD3和IMD5分别改善了41 dB和2.4 dB。

关键词：预失真；线性化器；肖特基二极管；ADS

中图分类号：TN722 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1507403

New Pre-distortion Structure for Microwave Power Amplifier

HUANG Weibo,LI Jianqing,GU Wenting

(National Laboratory for High-power Vacuum Electronics，School of Physical Electronics,

University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu,610054,China)

Abstract：Pre-distortion technique is an effective method to improve the linearity of band-width signal.In this paper,a new predistortion structure is proposed based on normal predistortion method using anti-parallel Schottky diodes.This simple linearizer can be directly connected with PA,the AM and PM of carrier signal and IMD will be changed by adjusting the biased voltage and the value of resistance.By applying this linearizer to ADS simulation soft,two tones test results show that the improvements in IMD3 and IMD5 cancellations are 41 dB and 2.4 dB respectively.

Keywords：pre-distortion;linearizer;Schottky diodes;ADS

1 引 言

随着现代无线通信系统的迅猛发展，当今的卫星通信系统和移动通信系统对频谱利用率和微波功放的效率提出了越来越高的要求，使得高线性微波功率放大器成为当今通信新技术领域中的一个重要研究课题。当前功放线性化技术主要有前馈型、反馈型和预失真型等3种［1］。他们结构不同、各具特色。相比于前馈型、反馈型两种线性化技术，预失真技术具有电路结构简单、工作绝对稳定等，可适用于宽带系统等优点，故是一种具有很好应用前景的线性化技术。

预失真技术实际是在微波功放之前串联一个函数模块。该模块的特性能补偿功放的压缩性能。在理想情况下，使预失真模块同功放组成的系统的输入输出关系是线性的。因此预失真型线性化技术的线性化效果主要取决于预失真器的特性。虽然由于技术的限制，目前还未能达到理想的线性化效果，但从长远发展来看，预失真技术存在巨大的发展潜力。任何线性化器都必须要处理幅度和相位校准，预失真法对两者都有较好的补偿效果，因此特别适用于行波管（TWT）放大器中。

结合普通的预失真技术，提出了一种新的反向并联肖特基二极管线性化器电路结构，与传统的反向并联二极管预失真型电路相比［2，3］，其不同之处在于不需对消基频信号，不需要延时线，相移器和衰减器等额外器件,而是使预失真器直接与功放级联［4］。通过改变预失真器外加偏压和电阻值可以有效地调节载波信号与失真信号的幅度和相位，这种线性化器结构简单，调节点多且易于调节，补偿效果好。文章首先介绍预失真技术的基本原理，再给出其电路结构和从理论上分析其主要特性，最后利用专用的微波电路仿真工具进一步验证。

2 预失真线性化原理

2.1 基本原理

在微波放大器的前端加入一个预失真器，预失真器的非线性特性与微波放大器的非线性特性刚好相反。当信号经过预失真器、可变增益放大器和放大器组成的级联系统时，由于预失真器与微波放大器的相反的非线性特性，从而可以对微波放大器的输出进行一定的补偿，使得输出信号为基本无失真信号，以达到线性化的目的。

当然预失真产生的非线性不可能与放大器的非线性完全相反，一般只对输出影响最大的三阶交调进行抑制。

功放的非线性主要指幅度转换特性（AM-AM）和幅度相位转换特性（AM-PM），非线性将导致幅度调制（AM）信号和相位调制（PM）信号的畸变。行波管是一种广泛用于卫星通信中的微波放大器，根据实际的参数，利用ADS仿真系统建立了一个工作在2.2~3.0 GHz频段的TWT放大器模型，图1为其失真测试曲线，可以看出单音信号经过功放后产生了严重的增益压缩和相位偏移。

图1 功放的失真特性2.2 功放及二极管对输出特性

当放大器工作在非线性区内时，不考虑放大器的记忆效应，其非线性可用无穷项幂级数来描述：Vout= K1Vin + K2 V2in + K3V3in + … (1) 而级数中只有奇次方项对输出信号的交调频率分量有贡献。偶次方项除了产生直流分量外,还产生了偶阶谐波频率分量,但均被滤除。因为三阶分量是对放大器非线性影响最大的因素，因此为了分析方便，一般只取前三项近似。

要搞清线性化器的原理，我们必须首先清楚反向并联二极管对单元的非线性特性。二极管是一种非线性半导体器件，对应输入信号，例如一个余弦信号，二极管的输出是包含了非线性失真分量的余弦信号。利用二极管的这种特性，构建了一种工作在相同偏压下的反向并联二极管对。这种反向并联二极管对可看作为单端口网络，反向并联二极管对的导纳可表示为［5］:

Yd(t)=i(t)Vin(t)=Y0+a3V2in(t)+a5V4in(t)+…(2)

经二极管对后，只有奇次分量输出，而其他分量均被抑制。适当的调节偏压就可以使得反向并联二极管对产生的三阶分量通过功放以后与功放自身非线性产生的三阶交调产物相互抵消，达到线性化的目的。

2.3 预失真器的电路结构及原理分析

利用反向并联二极管对搭建起来的线性化器的基本电路如图2所示。这个预失真发生器由2个具有相同特性的反向并联肖特基二极管(文章采用SMSbav99)、电感、电阻和180.3 dB电桥耦合器组成。2个二极管加有相同的偏置电压，以产生失真信号，电感用以调节支路的反射系数，补偿一定的相移，利用电阻可以吸收一定带内信号。由于反向并联二极管对必然带来一定的插入损耗［6］，在实际使用中需要在功放的前端增加一个可调增益放大器来补偿其插损。

图2 预失真器原理图对于理想的180° 3 dB正交电桥，输入信号等分、反相的传送到耦合端和直接输出端，隔离端没有输出。输入信号经180°正交电桥分成两个相等电平的信号，输入信号的一半送到3端口的电抗负载，所到达电抗负载的功率被反射回电桥，这个反射信号的相位为电抗反射系数相位和入射信号两者的函数。另一半功率到达2端口，送到反向并联Schottky二极管对非线性单元，到达管对的大部分功率也被反射回电桥，由于二极管被大功率驱动反射回来的幅值和相位都要发生变化。经2，3端口反射回来的信号都是关于幅度和相位的矢量，两矢量信号合成后从隔离端口4输出。图3给出了端口4反射信号合成示意图。

图3 端口4反射信号合成示意图这时端口3的反射系数为：Γ2=f(Vb,Vi,R)(3) 端口2的反射系数为：Γ3=g(L)(4) 经矢量合成在4 端口的反射输出为：VPD(out)=Vi(Γ 2-Γ 3)

=Vi［f(Vb,Vi,R),g(L)］(5)式中第二项的负号是电桥端口2反射特性决定的。适当的调整电抗负载L、电阻R和Vb的值，正交电桥的隔离端4输出可以得到期望的与功放非线性特性相反的失真信号。

3 计算机仿真与结果

为了验证预失真器的有效性，构建如图4所示的电路，借助于微波电路专用仿真软件ADS对电路进行仿真。输入频率为2.6 GHz的单音信号对TWT放大器模型进行仿真。图5为加入预失真前后的AM-AM，AM-PM失真比较，可以看出放大器的增益压缩和相位偏移在1 dB附近得到了很好的补偿，当输出功率为48.5 dBm时，增益补偿约为1.2 dB，相位补偿约为9.1°。

图4 预失真型线性化功率放大器电路结构图5 TWTA加入预失真器前后的单音输出比较为了进一步验证这种预失真线性化技术的特性，用中心频率为2.6 GHz、频率间隔为2 MHz的双音信号进行仿真得到图6所示的结果。从图6（a）中可以看出，在加入预失真器前，三阶IMD大约为15 dBm ，五阶IMD大约为-2.5 dBm，即出现了较为严重的非线性失真。构建与图1相同的系统仿真电路，通过适当调整可变增益放大器和偏置电压，可获得级联系统的输出信号的频谱图，如图6（b）所示。通过与图6（a）对比可见，经过预失真线性化处理后，三阶交调改善了41 dB左右，五阶交调改善了2.4 dB左右。

4 结 语

文章分析了一种应用工作在相同偏压下的反向并联二极管对构成的新型的线性化器电路结构，仿真分析结果表明，采用这种预失真器的线性化技术能够有效的改善功率放大器的非线性失真。与其他形式的预失真器相比，电路结构非常简单。这种预失真器对三阶交调较大改善的同时，对五阶交调也有部分改善。

图6 TWTA加入预失真器前后的双音输出比较

参 考 文 献

［1］Ludwig R,Bretchko P.RF Circuit Design:Theory and Applications ［M］.Beijing:Pubishing House of Electronics Industry,2002:181-205.

［2］李宏斌,刘辉,官伯然.一种模拟预失真线性化射频放大器\.杭州电子工业学院学报,2004(6):8-11.

［3］刘战胜,贾建华.一种新的用于射频功率放大器的预失真器［J］.现代电子技术,2006,29(4):19-20,25.

［4］Jeong H Y,Park S K,Ryn N S,et al.A Design of K-band Pre-distortion Linearizer Using Reflective Schottky Diode for Satellite TWTAs\.Gallium Arsenide and Other Semi-conductor Application Symposium,2005.EGAAS 2005.European,2005:597-600.

［5］Cahaha D,Poutukuchi J R,Marshalek R G,et al.Linearized Transponder Technology for Satellite sat Technique Review,1985,15(1):277-305.

［6］Kenington P B.High-linearity RF Amplifier Design\.London:Artech House Microwave Library,2000.

作者简介 黄微波 男，1984年出生，研究生。主要研究方向为微波预失真技术应用。

李建清 男，1972年出生，博士，副教授。主要研究方向为微波电子学。

辜文婷 女，1984年出生，研究生。主要研究方向为微波预失真技术应用。

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