CN102710222B - 一种行波管线性化信号调理驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种行波管线性化信号调理驱动装置，具体包括，输入隔离器、线性化器、削峰单元、输出隔离器，第一增益可调放大器、第二增益可调放大器和第三增益可调放大器。所述的削峰单元用于调理峰均比，改善由于行波管过激励引起的输出功率下降、输出线性度降低以及输出基波功率减小等问题，进而改善由于输入信号的包络超过了行波管最高输入电平造成的行波管过驱动。本发明的驱动装置适用于多载波或其他高峰均比的通信系统，在改善行波管线性度的同时，可提高高峰均比通信中行波管在饱和点的基波输出功率。

Description

一种行波管线性化信号调理驱动装置

技术领域

本发明属于功率放大器技术领域，具体涉及一种行波管线性化信号调理驱动装置的设计。

技术背景

随着移动通信技术迅速发展，无线通信频段变得越来越拥挤，频带资源越来越紧张，为了在有限的频谱范围内容纳更多的通信信道，人们提出了一些宽带数字传输技术（OFDM、WCDMA等）和高频谱利用率的调制方式（M-QAM等）。采用这些技术所传输的信号具有非恒定包络、宽频带和高峰平比等特点，当调制信号通过非线性的功率放大器后将产生带内和带外失真，导致输出信号频谱扩展，带外失真信号干扰邻近信道，带内失真信号增大通信系统误码率。为了保证通信的质量，现代通信系统对射频功率放大器的线性度提出了很高的要求，要求功率放大器具有很好的线性度、较高的效率和较高的输出功率。为了同时保证以上指标，除了采用高效率的功率放大器结构之外，功率放大器线性化技术的应用也成为必然。随着通信技术的迅速发展，对功放线性度要求逐渐提高，功率放大器线性化技术已成为下一代无线通信系统的关键技术之一，成为了当今世界研究的一大热点。在现代通信系统中，行波管功率放大器得到了广泛的应用，由于工艺的原因，尤其是国内的行波管，行波管与行波管之间的非线性特性不同，按常规做法需要针对不同的行波管非线性进行定制不同的线性化器，成本很高，货期慢，因此有必要设计一种可调的线性化器，以适用于不同特性的行波管的线性化。

常用的功率放大器线性化技术有功率回退法、前馈法、负反馈法和预失真技术等。功率回退法是传统而有效的一种方法，然而，工作点的回退降低了功放的电源利用效率并导致很高的热耗散；前馈法能够在较宽的带宽内获得较好的效果，是目前比较成熟的一种线性化技术，但其缺点是效率低且系统复杂；负反馈法是用增益换取线性度，其窄带宽和稳定性问题限制了其应用；预失真技术又分为模拟预失真技术和数字预失真技术，数字预失真技术具有稳定、高效、宽带宽与自适应等优势，能达到中等程度的线性化，但是不能应用于输入输出皆为射频信号的场合。模拟预失真尤其是射频模拟预失真线性化器具有体积小、成本低、电路实现简单、在微波毫米波频段绝对带宽大等优点，并且可以获得相当的线性化效果。

CN101567667A公开了一种增强型模拟预失真线性化功率放大器；CN1396707A公开了一种预失真线性化电路以及预失真的失真补偿方法，程序和介质，其中要用到可变功率分配器、存储器、电平检测器等复杂部件；CN101807886A公开了一种射频功率放大装置及其预失真叫做方法，其中用到了复杂的模拟预失真校正系统。

这些线性化器在用于功率放大器包括行波管和固态功率放大器时，为改善功率放大器的线性度引入了一定的增益扩张和相位扩张，因此恶化了功率放大器输入信号的均峰比，而对于工作在饱和点附近的行波管，如果输入信号的包络超过了最高输入电平，将造成行波管过驱动，从而进一步的减小输出基波电平。

发明内容

本发明的目的是针对工作在饱和点附近的行波管，其输入信号的包络超过了最高输入电平，造成行波管过驱动，而线性化器的增益扩张进一步恶化了这种情况。针对以上问题，本发明提出一种行波管线性化信号调理驱动装置，以改善高峰均比信号带来的过驱动。

本发明的技术方案是：一种行波管线性化信号调理驱动装置，具体包括，输入隔离器、线性化器和输出隔离器，其特征在于，还包括，第一增益可调放大器、第二增益可调放大器、第三增益可调放大器和削峰单元，其中，

输入隔离器作为所述驱动装置的输入端；

输入隔离器、第一增益可调放大器、线性化器、第二增益可调放大器、削峰单元、第三增益可调放大器和输出隔离器依次顺序连接；

输出隔离器作为所述驱动装置的输出端。

进一步的，所述的削峰单元包括：第一二极管、第二二极管、第一均衡匹配器和第二均衡匹配器，

其中，

第一均衡匹配器的输入端作为所述削峰单元的输入端，第一均衡匹配器的输出端与第一二极管的正极端相连，第一二极管的负极端耦接至地电位；

第二均衡匹配器的输出端作为所述削峰单元的输出端，第二均衡匹配器的输入端与第二二极管的正极端相连，第二二极管的负极端耦接至地电位；

第一均衡匹配器的输出端和第二均衡匹配器的输入端通过微带线进行连接。

进一步的，所述的线性化器包括：第一混合接头、第二混合接头、线性支路和非线性支路，输入信号经第一混合接头分为两路，记为第一支路信号和第二支路信号，第一支路信号和第二支路信号分别输入到所述的线性支路和非线性支路，线性支路和非线性支路的输出信号经第二混合接头耦合成输出信号。

本发明的有益效果：本发明的行波管线性化信号调理驱动装置中加入了削峰单元。当输入信号的包络过大，超过了行波管最高输入电平而造成行波管过驱动时，通过削峰单元可以使过驱动问题得到有效的改善；当行波管功率回退较大，其包络峰值在行波管饱和点内而不再对行波管造成过驱动时，削峰单元自动退出削峰模式，通过的信号不受影响。并且本发明的驱动装置中的线性化器可以通过调整幅度扩张、相位扩张和非线性发生器的波形，调整线性化器的曲线，因而可以将性化信号调理驱动装置匹配到不同的行波管功率放大器的特性，可以用来线性化不同的行波管放大器，也可以用于固态功率放大器线性化。本发明的驱动装置适用于多载波或其它高峰均比通信系统，可改善行波管线性度的同时提高多载波通信中行波管在饱和点的基波输出功率。

附图说明

图1是本发明的波管线性化信号调理驱动装置的结构示意图。

图2是本发明实施例中削峰单元的结构示意图。

图3是本发明实施例中线性化器的结构示意图。

图4是本发明实施例中第一非线性发生器的结构示意图。

图5是本发明实施例中第一非线性发生器的另一个结构示意图。

图6是本发明实施例中移相器的结构示意图。

图7是本发明实施例中衰减器结构示意图。

图8是本发明实施例中衰减器的另一个结构示意图。

图9是行波管输入/输出特性曲线图。

图10是实施例中行波管双音信号输入信号曲线图。

图11是现有的行波管工作在过驱动状态的输出信号曲线图。

图12是采用本发明所述的驱动模块后的行波管输出信号曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。

本发明的波管线性化信号调理驱动装置的结构示意图如图1所示，具体包括：输入隔离器、线性化器、削峰单元、出隔离器、第一增益可调放大器、第二增益可调放大器和第三增益可调放大器，其中，

输入隔离器作为所述驱动装置的输入端；

输入隔离器、第一增益可调放大器、线性化器、第二增益可调放大器、削峰单元、第三增益可调放大器和输出隔离器依次顺序连接；

输出隔离器作为所述驱动装置的输出端。

输入信号依次经过输入隔离器、第一增益可调放大器、线性化器、第二增益可调放大器、削峰模块、削峰单元、第三增益可调放大器和输出隔离器。

这里的，输入隔离器用以改善输入驻波；第一增益可调放大器用于线性调整信号电平，使线性化器的增益扩张及相位扩张曲线在最优位置；线性化器用于对输入信号进行预失真处理；第二增益可调放大器用于线性调整信号电平，使削峰单元工作在最佳状态；削峰单元用于调理峰均比，改善由于行波管过激励引起的输出功率下降、输出线性度降低以及输出基波功率减小等问题，进而改善由于输入信号的包络超过了行波管最高输入电平造成的行波管过驱动；第三增益可调放大器用于将信号电平线性调整到行波管所需输入电平，使输入信号平均功率满足行波管的要求；输出隔离器用于改善装置的输出驻波。

削峰单元的结构示意图如图2所示，具体包括：第一二极管、第二二极管、第一均衡匹配器和第二均衡匹配器，其中，

第一均衡匹配器的输入端作为所述削峰单元的输入端，第一均衡匹配器的输出端与第一二极管的正极端相连，第一二极管的负极端耦接至地；

第二均衡匹配器的输出端作为所述削峰单元的输出端，第二均衡匹配器的输入端与第二二极管的正极端相连，第二二极管的负极端耦接至地；

第一均衡匹配器的输出端和第二均衡匹配器的输入端通过微带线进行连接。

这里的二极管可以是肖特基二极管或者PIN二极管，通过所述的连接关系，均衡匹配器结合二极管可以产生一个分段函数，在输入信号小于最大输入电平时，输出电平等于输入电平，在输入信号大于最大输入电平时，输出最大输入电平不变，从而减少峰均比，进而改善行波管的过驱动造成的影响。

线性化器的结构示意图如图3所示，包括：第一混合接头、第二混合接头、线性支路和非线性支路，输入信号经第一混合接头分为两路，记为第一支路信号和第二支路信号，第一支路信号和第二支路信号分别输入到所述的线性支路和非线性支路，线性支路和非线性支路的输出信号经第二混合接头矢量耦合成输出信号。

这里，所述线性支路包括第一衰减器、第一群时延单元和第一移相器，第一支路信号依次经过第一衰减器、第一群时延单元和第一移相器，其中，第一衰减器用于调节信号的幅度，第一群时延单元用于调节信号的时延，第一移相器用于调节信号的相位。

这里，所述非线性支路包括第一非线性发生器、第二群时延单元和第二移相器，第二支路信号依次经过第一非线性发生器、第二群时延单元和第二移相器，其中，第一非线性发生器用于使得第二支路信号产生增益压缩和相位压缩，产生非线性失真信号；第二群时延单元用于调节产生的非线性失真信号的时延；第二移相器用于调节经过第二群时延单元之后的信号的相位。

通过第一衰减器调节线性支路的幅度，从而调节线性支路和非线性支路的幅度差，从而达到调节整个线性化器输出特性曲线的幅度扩张和相位扩张的效果。

通过第一群时延单元和第二群时延单元调节线性支路和非线性支路的时延匹配程度。

通过调节第一移相器和第二移相器，调节线性支路和非线性支路的相移，可使线性支路和非线性支路达到最优匹配，同时可以反相调节整个行波管线性化器输出特性曲线的幅度扩张和相位扩张。

通过调节第一非线性发生器中的第一直流馈电单元（采用如图4所示的方案时），或者通过调节第一非线性发生器中的第二直流馈电单元（采用如图5所示的方案时），调整非线性发生器的非线性点，调节非线性发生器的波形。

这里，第一混合接头和第二混合接头均为3dB混合接头，可以用分支线电桥，也可以用Wilkinson功分器代替。

这里，第一非线性发生器如图4所示，所述第一非线性发生器由第一微带线单元、第二微带线单元、第三微带线单元、第一直流馈电单元和第一肖特基二极管组成，所述第一微带线单元和第二微带线单元级联，所述第一直流馈电单元并联接在所述第一微带线单元上，所述第三微带线单元并联接在所述第一微带线单元和所述第二微带线单元中间，所述第一肖特基二极管与所述第三微带线单元级联，第一肖特基二极管的另一端接地。

肖特基二极管可以为单管，也可以为双管，双管的连接方式可以为同向，也可以为反向。

第一非线性发生器也可以由3dB耦合器和两个肖特基二极管构成，如图5所示。所述第一非线性发生器由第四微带线单元、第五微带线单元、第一3dB耦合器、第二肖特基二极管、第三肖特基二极管、第二直流馈电单元组成，所述第四微带线单元与第一3dB耦合器的输入端相连，所述第五微带线单元与第一3dB耦合器的隔离端相连，所述第二肖特基二极管和第三肖特基二极管分别与第一3dB耦合器的另外两端相连，第二肖特基二极管和第三肖特基二极管的另一端接地，所述第二直流馈电单元并联接在第四微带线单元上。

在非线性支路中，第二支路信号首先通过第一非线性发生器，由于肖特基二极管的特性，随着信号功率的增加，其增益和相移变小，产生增益压缩和相位压缩，即产生非线性。

这里，第一移相器和第二移相器可以采用HITTITE公司的HMC247。

第一移相器和第二移相器也可由变容二极管构建，如图6所示。所述第一移相器和第二移相器的原理图和如图5所示的非线性发生器相比，除了将肖特基二极管换成变容二极管之外，其它的元件和连接关系完全相同。

具体为：所述移相器由第六微带线单元、第七微带线单元、第二3dB耦合器、第一变容二极管、第二变容二极管、第三直流馈电单元组成，所述第六微带线单元与第二3dB耦合器的输入端相连，所述第七微带线单元与第二3dB耦合器的隔离端相连，所述第一变容二极管和第二变容二极管分别与第二3dB耦合器的另外两端相连，第一变容二极管和第二变容二极管的另一端接地，所述第三直流馈电单元并联接在第六微带线单元上。

这里，第一衰减器由单个PIN二极管构建，如图7所示，所述第一衰减器的原理图和如图4所示的非线性发生器相比，除了将肖特基二极管换成PIN二极管之外，其它的元件和连接关系完全相同。

具体为：所述第一衰减器由第八微带线单元、第九微带线单元、第十微带线单元、第四直流馈电单元和第一PIN二极管组成，所述第八微带线单元和第九微带线单元级联，所述第四直流馈电单元并联接在所述第八微带线单元上，所述第十微带线单元并联接在所述第八微带线单元和所述第九微带线单元中间，所述第一PIN二极管与所述第十微带线单元级联，第一PIN二极管的另一端接地。

第一衰减器也可以由3dB耦合器和两个PIN二极管构成，如图8所示。所述第一衰减器的原理图和如图5所示的非线性发生器相比，除了将肖特基二极管换成PIN二极管外，其它的元件和连接关系完全相同。

具体为：所述第一衰减器由第十一微带线单元、第十二微带线单元、第三3dB耦合器、第二PIN二极管、第三PIN二极管、第五直流馈电单元组成，所述第十一微带线单元与第三3dB耦合器的输入端相连，所述第十二微带线单元与第三3dB耦合器的隔离端相连，所述第二PIN二极管和第三PIN二极管分别与第三3dB耦合器的另外两端相连，第二PIN二极管和第三PIN二极管的另一端接地，所述第五直流馈电单元并联接在第十一微带线单元上。

第一移相器和第二移相器采用类似的结构，第一衰减器和第一非线性发生器采用类似的结构，这样线性支路和非线性支路形成对称结构，通过对称结构，信号经历类似的时间延迟，通过第一移相器和第二移相器，构成线性支路和非线性支路的差分移相器，扩大相位调节的范围；第一非线性发生器为可调非线性发生器，可以调节非线性发生器的非线性特性曲线，而传统的线性化器不能调节非线性曲线的形状。

如图9所示为行波管输入/输出电平曲线图，其中当输入电平大于饱和输入功率时，随着输入电平增加，输出电平反而下降，即产生行波管过驱动，如图9中标有TWTA和LTWTA两条曲线所示，而理想的效果是当输入电平大于行波管的饱和输入功率时，输出功率不会急剧下降，如图9中第三条曲线所示。

如图10所示为与行波管双音输入信号曲线图。

如图11所示是现有的行波管工作在过驱动状态时的输出信号曲线图，可以看到由于行波管过驱动，输出信号包络的峰值形成凹陷。

如图12所示是加入本发明所述的线性化信号调理驱动装置后的行波管输出信号曲线图，可以看出由于削峰单元作用，本发明的装置改善了行波管的过驱动带来的凹陷。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种行波管线性化信号调理驱动装置，具体包括，输入隔离器、线性化器和输出隔离器，其特征在于，还包括，第一增益可调放大器、第二增益可调放大器、第三增益可调放大器和削峰单元，其中，

输入隔离器作为所述驱动装置的输入端；

输入隔离器、第一增益可调放大器、线性化器、第二增益可调放大器、削峰单元、第三增益可调放大器和输出隔离器依次顺序连接；

输出隔离器作为所述驱动装置的输出端；

所述的削峰单元包括：第一二极管、第二二极管、第一均衡匹配器和第二均衡匹配器，

其中，

第一均衡匹配器的输入端作为所述削峰单元的输入端，第一均衡匹配器的输出端与第一二极管的正极端相连，第一二极管的负极端耦接至地电位；

第二均衡匹配器的输出端作为所述削峰单元的输出端，第二均衡匹配器的输入端与第二二极管的正极端相连，第二二极管的负极端耦接至地电位；

第一均衡匹配器的输出端和第二均衡匹配器的输入端通过微带线进行连接。

2.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述的第一二极管和第二二极管为肖特基二极管或者PIN二极管。

3.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述的线性化器包括：第一混合接头、第二混合接头、线性支路和非线性支路，输入信号经第一混合接头分为两路，记为第一支路信号和第二支路信号，第一支路信号和第二支路信号分别输入到所述的线性支路和非线性支路，线性支路和非线性支路的输出信号经第二混合接头耦合成输出信号。

4.根据权利要求3所述的驱动装置，其特征在于，所述线性支路包括第一衰减器、第一群时延单元和第一移相器，第一支路信号依次经过第一衰减器、第一群时延单元和第一移相器，其中，第一衰减器用于调节信号的幅度，第一群时延单元用于调节信号的时延，第一移相器用于调节信号的相位；

所述非线性支路包括第一非线性发生器、第二群时延单元和第二移相器，第二支路信号依次经过第一非线性发生器、第二群时延单元和第二移相器，其中，第一非线性发生器用于使得第二支路信号产生增益压缩和相位压缩，产生非线性失真信号；第二群时延单元用于调节产生的非线性失真信号的时延；第二移相器用于调节经过第二群时延单元之后的信号的相位。

5.根据权利要求4所述的驱动装置，其特征在于，所述第一非线性发生器由第一微带线单元、第二微带线单元、第三微带线单元、第一直流馈电单元和第一肖特基二极管组成，所述第一微带线单元和第二微带线单元级联，所述第一直流馈电单元并联接在所述第一微带线单元上，所述第三微带线单元并联接在所述第一微带线单元和所述第二微带线单元中间，所述第一肖特基二极管与所述第三微带线单元级联，第一肖特基二极管的另一端接地。

6.根据权利要求4所述的驱动装置，其特征在于，其特征在于，所述第一非线性发生器由第四微带线单元、第五微带线单元、第一3dB耦合器、第二肖特基二极管、第三肖特基二极管、第二直流馈电单元组成，所述第四微带线单元与第一3dB耦合器的输入端相连，所述第五微带线单元与第一3dB耦合器的隔离端相连，所述第二肖特基二极管和第三肖特基二极管分别与第一3dB耦合器的另外两端相连，第二肖特基二极管和第三肖特基二极管的另一端接地，所述第二直流馈电单元并联接在第四微带线单元上。

7.根据权利要求4所述的驱动装置，其特征在于，所述第一移相器由第六微带线单元、第七微带线单元、第二3dB耦合器、第一变容二极管、第二变容二极管、第三直流馈电单元组成，所述第六微带线单元与第二3dB耦合器的输入端相连，所述第七微带线单元与第二3dB耦合器的隔离端相连，所述第一变容二极管和第二变容二极管分别与第二3dB耦合器的另外两端相连，第一变容二极管和第二变容二极管的另一端接地，所述第三直流馈电单元并联接在第六微带线单元上；

所述第二移相器与第一移相器结构相同。

8.根据权利要求4所述的驱动装置，其特征在于，所述第一衰减器由第八微带线单元、第九微带线单元、第十微带线单元、第四直流馈电单元和第一PIN二极管组成，所述第八微带线单元和第九微带线单元级联，所述第四直流馈电单元并联接在所述第八微带线单元上，所述第十微带线单元并联接在所述第八微带线单元和所述第九微带线单元中间，所述第一PIN二极管与所述第十微带线单元级联，第一PIN二极管的另一端接地。

9.根据权利要求4所述的驱动装置，其特征在于，所述第一衰减器由第十一微带线单元、第十二微带线单元、第三3dB耦合器、第二PIN二极管、第三PIN二极管、第五直流馈电单元组成，所述第十一微带线单元与第三3dB耦合器的输入端相连，所述第十二微带线单元与第三3dB耦合器的隔离端相连，所述第二PIN二极管和第三PIN二极管分别与第三3dB耦合器的另外两端相连，第二PIN二极管和第三PIN二极管的另一端接地，所述第五直流馈电单元并联接在第十一微带线单元上。