CN103312275A - 混合式预失真线性化器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用范围广的混合式预失真线性化器。该混合式预失真线性化器包括功分器、合成器,所述功分器的输出端口通过串联型传输式模拟预失真电路或并联型传输式模拟预失真电路与合成器的输入端口一对一相连。该线性化器通过对多路不同特性的非线性信号进行合成,可以得到所需的幅度和相位预失真信号,克服了单独的串联型和并联型传输式模拟预失真电路只能产生适用于固态功率放大器的预失真信号以及反射式预失真电路大多只能产生适用于毫米波行波管功率放大器的预失真信号的缺点,既能够实现对毫米波行波管功率放大器非线性预失真线性化也能够实现对固态功率放大器非线性预失真线性化,适用范围广,适合在毫米波线性化技术领域推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波线性化技术领域,具体涉及一种混合式预失真线性化器。
背景技术
现代无线通信系统要求更大的信号容量、更高的信号传输率及更高的通信质量和效率,使得具有更宽工作频带和更高信息容量的毫米波通信系统得到日益关注。在毫米波通信系统中,关键技术瓶颈在于毫米波高功率获取昂贵以及毫米波功率放大器效率低下。在毫米波通信系统中,为达到低成本和高效率目的,更大程度地发挥系统末级功率放大器性能,末级功率放大器往往要求工作于非线性状态。这样势必要求对末级功率放大器进行线性化,以满足系统信息大容量高速率传输要求。与微波和低频频段线性化系统不同,在毫米波频段,较短的工作波长限制了精准而复杂线性化措施的采用。
毫米波功率放大器工作在饱和状态就会产生非线性失真,包括非线性幅度失真和非线性相位失真。非线性幅度失真是指毫米波功率放大器增益幅度随输入功率增加而产生的非线性减小的现象;非线性相位失真是指毫米波功率放大器增益相位随输入功率增加而产生的非线性压缩或扩张的现象。预失真线性化就是针对功率放大器非线性失真特点,产生与其增益幅度和相位失真相反的非线性信号,与功率放大器本身的非线性进行抵消,得到线性化高功率输出,其线性化的关键在于产生与功率放大器幅度和相位非线性失真精确匹配的信号——预失真信号。
利用肖特基势垒二极管良好的高频性能而实现的预失真线性化是当前毫米波线性化技术研究热点,也是对毫米波以及更高频率功率放大器非线性补偿的重要手段。
肖特基势垒二极管截止频率高,可用于毫米波频段产生所需的预失真信号,并且可通过调整二极管偏置状态,得到不同幅度和相位的非线性失真特性。肖特基势垒二极管非线性模型可由一个非线性电容Gd和一个非线性电阻Cj并联等效。通常,按照二极管安装方式不同,具有两种基本电路结构:串联和并联。对于并联肖特基势垒二极管电路[“Amicrowaveminiaturizedlinearizerusingaparalleldiodewithabiasfeedresistance”,作者:Yamauchi,K.;Mori,Kazutomi;Nakayama,M.;Mitsui,Y.;Takagi,Tadashi,MicrowaveTheoryandTechniques,IEEETransactionsonVolume:45]来说,肖特基势垒二极管的传输系数为:
对于串联肖特基势垒二极管电路[“Anovelseriesdiodelinearizerformobileradiopoweramplifiers”,作者Yamauchi,K.;Mori,K.;Nakayama,M.;Itoh,Y.;Mitsui,Y.;Ishida,O.MicrowaveSymposiumDigest,1996,IEEEMTT-SInternational,Volume:2]来说,肖特基势垒二极管的传输系数为:
在大信号状态,随着输入信号增加,无论串联结构还是并联结构,二极管等效模型中,Gd均呈非线性减小趋势,对应传输系数相位∠S21也呈非线性减小趋势。
采用肖特基势垒二极管非线性器件方法实现功率放大器预失真线性化的关键难题在于对功率放大器非线性相位和幅度进行准确地补偿。当前在通信系统中采用的毫米波高功率放大器主要有真空电子功率器件(比如行波管放大器)和固态功率放大器两大类。典型情况下,对于行波管功率放大器来说,随着输入功率增加,其增益幅度和相位均呈非线性地减小情况;而对于典型的固态功率放大器来说,随着输入功率增加,其增益幅度呈非线性减小但相位则呈非线性增大情况。由于设计、制作工艺和偏置情况不同,对于同一类型的不同功率放大器来说,其非线性特性也是不同的。这种多样的非线性特性使得在预失真线性化系统中对功率放大器非线性相位和幅度进行准确补偿提出了挑战,即要求产生满足不同功率放大器非线性需求的预失真信号,以实现对不同毫米波功率放大器非线性预失真线性化目的。
当前采用肖特基势垒二极管非线性器件产生毫米波预失真信号的基本方式主要有两种:传输式和反射式。传输式肖特基势垒二极管预失真电路中,预失真信号由非线性电路传输系数决定;反射式肖特基势垒二极管预失真电路中,预失真信号由非线性电路反射系数决定。
从目前研究结果来看,现有非线性器件预失真线性化技术成果仅适用于同一类功率放大器线性化要求,适用范围较小。KazuhisaYamauchi等人研究过一种串联型传输式模拟预失真电路[“Anovelseriesdiodelinearizerformobileradiopoweramplifiers”,作者Yamauchi,K.;Mori,K.;Nakayama,M.;Itoh,Y.;Mitsui,Y.;Ishida,O.MicrowaveSymposiumDigest,1996,IEEEMTT-SInternational,Volume:2]和一种并联型传输式模拟预失真电路[“Amicrowaveminiaturizedlinearizerusingaparalleldiodewithabiasfeedresistance”,作者:Yamauchi,K.;Mori,Kazutomi;Nakayama,M.;Mitsui,Y.;Takagi,Tadashi,MicrowaveTheoryandTechniques,IEEETransactionsonVolume:45]都只能产生适用于固态功率放大器的预失真信号。而结构更复杂的毫米波反射式预失真电路[“AdesignofK-bandpredistortionlinearizerusingreflectiveSchottkydiodeforsatelliteTWTAs,”作者:Hee-YoungJeong;Sang-KeunPark;Nam-SikRyu;Jeong,Yong-Chae;In-BokYom;YoungKim,GalliumArsenideandOtherSemiconductorApplicationSymposium,2005.EGAAS2005.European,vol,no.,pp.597,600,3-4Oct.2005],多产生适应于真空电子器件预失真线性化要求,且电路中所需的90°电桥属于非对称结构,在毫米波频段难于获得宽带性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种适用范围广的混合式预失真线性化器。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:该混合式预失真线性化器,包括功分器、合成器,所述功分器的输出端口通过串联型传输式模拟预失真电路或并联型传输式模拟预失真电路与合成器的输入端口一对一相连。
进一步的是,所述功分器具有一个输入端口和两个输出端口,所述合成器具有一个输出端口和两个输入端口。
进一步的是,所述功分器的第一输出端口通过串联型传输式模拟预失真电路与合成器的第一输入端口相连,所述功分器的第二输出端口通过并联型传输式模拟预失真电路与合成器的第二输入端口相连。
进一步的是,所述串联型传输式模拟预失真电路包括第一非线性器件,所述第一非线性器件的正极通过第一隔直电容与功分器的第一输出端口相连,第一非线性器件的正极还连接有第一射频扼流圈,第一射频扼流圈的另一端通过第一偏置电阻与第一电压源的正极相连,并且第一射频扼流圈的该端还通过第二隔直电容与接地端相连,第一电压源的负极与接地端相连,第一非线性器件的负极通过第三隔直电容与合成器的第一输入端口相连,第一非线性器件的负极还通过第二射频扼流圈与接地端相连。
进一步的是,所述并联型传输式模拟预失真电路包括第二非线性器件,所述第二非线性器件的正极通过第四隔直电容分别与功分器的第二输出端口、合成器的第二输入端口相连,第二非线性器件的正极还连接有第三射频扼流圈,所述第三射频扼流圈的另一端通过第二偏置电阻与第二电压源的正极相连,第二电压源的负极与接地端相连,所述第二非线性器件的负极直接与接地端相连。
进一步的是,所述第一非线性器件、第二非线性器件均为肖特基势垒二极管。
本发明的有益效果:根据实际应用中具体功率放大器非线性特性,该混合式预失真线性化器利用矢量叠加的原理,通过对多路不同特性的非线性信号进行合成,可以得到所需的幅度和相位预失真信号,克服了单独的串联型和并联型传输式模拟预失真电路只能产生适用于固态功率放大器的预失真信号以及反射式预失真电路大多只能产生适用于毫米波行波管功率放大器的预失真信号的缺点,既能够实现对毫米波行波管功率放大器非线性预失真线性化也能够实现对固态功率放大器非线性预失真线性化,适用范围广,而且本发明所述的混合式预失真线性化器,相对于传统的毫米波模拟预失真技术,其可控性高,可调范围大,可调精度高,可以在宽频带范围内改善毫米波功率放大器的线性度,另外,本发明所述的混合式预失真线性化器,类型新颖,结构紧凑,方便级联在毫米波功率放大器前端,再者,本发明所述的混合式预失真线性化器作为功能单元组件,可由常规微波混合集成工艺实现,作为多功能芯片,也可由单片集成工艺实现,加工工艺灵活多变,便于加工。
附图说明
图1是本发明混合式预失真线性化器的结构示意图;
图2是本发明混合式预失真线性化器的其中一种原理图;
图3是本发明混合式预失真线性化器的另外一种原理图;
图4是由本发明实施例1得到的增益幅度预失真曲线图;
图5是由本发明实施例1得到的增益相位预失真曲线图;
图6是由本发明实施例2得到的增益幅度预失真曲线图;
图7是由本发明实施例2得到的增益相位预失真曲线图;
图8是由本发明实施例3得到的增益幅度预失真曲线图;
图9是由本发明实施例3得到的增益相位预失真曲线图;
图10是由本发明实施例4得到的增益幅度预失真曲线图;
图11是由本发明实施例4得到的增益相位预失真曲线图;
图中标记说明:功分器1、第一输出端口101、第二输出端口102、合成器2、第一输入端口201、第二输入端口202、第一非线性器件301、第二非线性器件302、第一隔直电容401、第二隔直电容402、第三隔直电容403、第四隔直电容404、第一射频扼流圈501、第二射频扼流圈502、第三射频扼流圈503、第一偏置电阻601、第二偏置电阻602、第一电压源701、第二电压源702、接地端8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
如图1所示,该混合式预失真线性化器,包括功分器1、合成器2,所述功分器1的输出端口通过串联型传输式模拟预失真电路或并联型传输式模拟预失真电路与合成器2的输入端口一对一相连。该混合式预失真线性化器的工作过程如下:射频信号通过功分器1后,分为等幅同相的多路子射频信号,每路子射频信号通过串联型传输式模拟预失真电路或并联型传输式模拟预失真电路后发生幅度和相位改变得到子预失真信号,发生幅度和相位改变的子预失真信号再由合成器2进行矢量叠加后得到预失真信号。根据实际应用中具体功率放大器非线性特性,该混合式预失真线性化器利用矢量叠加的原理,通过对多路不同特性的非线性信号进行合成,可以得到所需的幅度和相位预失真信号,克服了单独的串联型和并联型传输式模拟预失真电路只能产生适用于固态功率放大器的预失真信号以及反射式预失真电路大多只能产生适用于毫米波行波管功率放大器的预失真信号的缺点,既能够实现对毫米波行波管功率放大器非线性预失真线性化也能够实现对固态功率放大器非线性预失真线性化,适用范围广,而且本发明所述的混合式预失真线性化器,相对于传统的毫米波模拟预失真技术,其可控性高,可调范围大,可调精度高,可以在宽频带范围内改善毫米波功率放大器的线性度,另外,本发明所述的混合式预失真线性化器,类型新颖,结构紧凑,方便级联在毫米波功率放大器前端,再者,本发明所述的混合式预失真线性化器作为功能单元组件,可由常规微波混合集成工艺实现,作为多功能芯片,也可由单片集成工艺实现,加工工艺灵活多变,便于加工。
所述功分器1的输出端口、合成器2的输入端口可以有多个,但是功分器1的输出端口、合成器2的输入端口越多,连接在二者之间的串联型传输式模拟预失真电路或并联型传输式模拟预失真电路也越多,这样射频信号的损耗也会越来越大,同时较多的模拟预失真电路也不容易控制,因此,为了降低射频信号的损耗,同时便于电路的控制,作为优选的是,所述功分器1具有一个输入端口和两个输出端口,所述合成器2具有一个输出端口和两个输入端口。
所述功分器1的第一输出端口101可以通过串联型传输式模拟预失真电路与合成器2的第一输入端口201相连,也可以通过并联型传输式模拟预失真电路与合成器2的第一输入端口201相连,同样的,所述功分器1的第二输出端口102可以通过串联型传输式模拟预失真电路与合成器2的第二输入端口202相连,也可以通过并联型传输式模拟预失真电路与合成器2的第二输入端口202相连。作为优选的方式是:所述功分器1的第一输出端口101通过串联型传输式模拟预失真电路与合成器2的第一输入端口201相连,所述功分器1的第二输出端口102通过并联型传输式模拟预失真电路与合成器2的第二输入端口202相连。由于射频信号经过功分器1后得到的等幅同相的子射频信号经过串联型传输式模拟预失真电路和并联型传输式模拟预失真电路得到的子预失真信号的幅度和相位是不同的,这样经过合成器2合成后可以得到更多的不同幅度和相位预失真信号,实现对不同类型功率放大器非线性幅度相位失真的精确匹配,达到精确可控的预失真线性化目的。
在上述实施方式中,所述串联型传输式模拟预失真电路可以采用现有的各种结构的电路实现,一般的,优选为:所述串联型传输式模拟预失真电路包括第一非线性器件301,所述第一非线性器件301的正极通过第一隔直电容401与功分器1的第一输出端口101相连,第一非线性器件301的正极还连接有第一射频扼流圈501,第一射频扼流圈501的另一端通过第一偏置电阻601与第一电压源701的正极相连,并且第一射频扼流圈501的该端还通过第二隔直电容402与接地端8相连,第一电压源701的负极与接地端8相连,第一非线性器件301的负极通过第三隔直电容403与合成器2的第一输入端口201相连,第一非线性器件301的负极还通过第二射频扼流圈502与接地端8相连。该串联型传输式模拟预失真电路的工作过程如下:从功分器1的第一输出端口101输出的子射频信号经过第一隔直电容401到达第一非线性器件301,子射频信号经过第一非线性器件301后发生幅度和相位改变得到子预失真信号,接着子预失真信号经过第三隔直电容403进入合成器2的第一输入端口201;第一电压源701输出的直流信号经过第一偏置电阻601、第一射频扼流圈501加载于第一非线性器件301的端口,第一隔直电容401能够阻隔直流信号进入功分器1,第三隔直电容403能够阻隔直流信号进入合成器2,第二隔直电容402能够阻隔直流信号进入地面,第一射频扼流圈501是用于防止子射频信号进入第一电压源701,第二射频扼流圈502是用于防止的得到的子预失真信号进入地面,通过调整第一电压源701的输出电压和第一偏置电阻601的阻值都能够获得不同直流偏置条件,进而对第一非线性器件301进行控制,以实现不同幅度、相位非线性信号产生,获取高精度可控预失真信号。
所述并联型传输式模拟预失真电路可以采用现有的各种结构的电路实现,一般的,优选为:所述并联型传输式模拟预失真电路包括第二非线性器件302,所述第二非线性器件302的正极通过第四隔直电容404分别与功分器1的第二输出端口102、合成器2的第二输入端口202相连,第二非线性器件302的正极还连接有第三射频扼流圈503,所述第三射频扼流圈503的另一端通过第二偏置电阻602与第二电压源702的正极相连,第二电压源702的负极与接地端8相连,所述第二非线性器件302的负极直接与接地端8相连。该并联型传输式模拟预失真电路的工作过程如下:从功分器1的第二输出端口102输出的子射频信号经过第四隔直电容404到达第二非线性器件302,子射频信号经过第二非线性器件302后发生幅度和相位改变得到子预失真信号,接着子预失真信号经过第四隔直电容404进入合成器2的第二输入端口202;第二电压源702输出的直流信号经过第二偏置电阻602、第三射频扼流圈503加载于第一非线性器件301的端口,第四隔直电容404能够阻隔直流信号进入功分器1与合成器2,第三射频扼流圈503是用于防止子射频信号进入第二电压源702,通过调整第二电压源702的输出电压和第二偏置电阻602的阻值都能够获得不同直流偏置条件,进而对第二非线性器件302进行控制,以实现不同幅度、相位非线性信号产生,获取高精度可控预失真信号。
该混合式预失真线性化器的原理如下:第一种情况如图2所示,射频信号通过功分器1后,分为等幅同相的两路信号和通过调整第二电压源702的输出电压和第二偏置电阻602的阻值来单独控制第二非线性器件302的工作状态,使其处于不同的工作状态,在第二非线性器件302同一工作状态下,经并联型传输式模拟预失真电路后发生幅度和相位改变,成为信号通过调整第一电压源701的输出电压和第一偏置电阻601的阻值来单独控制第一非线性器件301的工作状态,使其处于不同的工作状态,在第一非线性器件301同一工作状态下,经串联型传输式模拟预失真电路后发生幅度和相位改变,成为信号和由合成器2进行矢量叠加后成为由合成器输出端口203输出。随着输入的射频信号幅度增加,无论串联结构还是并联结构,非线性器件的等效Gd均呈非线性减小趋势,对应网络传输系数相位∠S21也呈非线性减小趋势,因此,随着输入射频信号增加,和幅度增加相角减小,成为成为合成预失真信号由成为此时,随着输入射频信号幅度增加,由和合成输出的预失真信号的幅度呈非线性增加,而其相位呈非线性减少趋势,这种矢量叠加产生的预失真信号与固态功率放大器类型非线性特性相反,适合用于此类放大器的预失真线性化。
第二种情况如图3所示,射频信号通过功分器1后,分为等幅同相的两路信号和通过调整第二电压源702的输出电压和第二偏置电阻602的阻值来单独控制第二非线性器件302的工作状态,使其处于不同的工作状态,在第二非线性器件302同一工作状态下,经并联型传输式模拟预失真电路后发生幅度和相位改变,成为信号通过调整第一电压源701的输出电压和第一偏置电阻601的阻值来单独控制第一非线性器件301的工作状态,使其处于不同的工作状态,在第一非线性器件301同一工作状态下,经串联型传输式模拟预失真电路后发生幅度和相位改变,成为信号和由合成器2进行矢量叠加后成为由合成器输出端口203输出,随着输入的射频信号幅度增加,无论串联结构还是并联结构,非线性器件的等效Gd均呈非线性减小趋势,对应网络传输系数相位∠S21也呈非线性减小趋势,因此,随着输入射频信号增加,和幅度增加相角减小,成为成为合成预失真信号由成为此时,随着输入射频信号幅度增加,由和合成输出的预失真信号幅度呈非线性增加,同时其相位也呈非线性增加趋势,这种矢量叠加产生的预失真信号与行波管放大器类型非线性特性相反,适合用于此类放大器的预失真线性化。
另外,由于不同的非线性器件其非线性特性也有所区别,其最后产生的预失真信号也有所区别,为了得到最优的预失真信号,所述第一非线性器件301、第二非线性器件302均为肖特基势垒二极管。
实施例
在该实施例中,混合式预失真线性化器的工作频率为29~31GHz,为八毫米波卫星通信上行频率。实例中,肖特基势垒二极管采用MACOM公司的MA4E2037,基片采用Duroid5880,厚度为0.254毫米。R1为第一偏置电阻601的阻值,R2分为第二偏置电阻602的阻值,V1为第一电压源701输出的电压值,V2第二电压源702输出的电压值。
实施例1
当R1=100,R2=200,V1=0.6V~0.8V,V2=0.65V~0.85V,可以得到如图4所示的增益幅度预失真曲线和如图5所示的增益相位预失真曲线。由图可见,在30GHz频率处,输入功率在﹣20dBm~﹢20dBm变化范围内,网络传输系数幅度呈非线性增加,增加范围为2.5dB~22.5dB;网络传输系数相位呈非线性增长,增长范围为30°~50°。
实施例2
当V1=0.8V,V2=0.8V时,R1=200Ω~400Ω,R2=100Ω~200Ω,可以得到如图6所示的增益幅度预失真曲线和如图7所示的增益相位预失真曲线。由图可见,在30GHz频率处,输入功率在﹣20dBm~﹢20dBm变化范围内,网络传输系数幅度呈非线性增加,增加范围为4dB~6.5dB;网络传输系数相位呈非线性增长,增长范围为30°~35°。
以上两个实施例的工作状态,分别通过调节V1,V2(或R1,R2),随输入功率增加,传输系数幅度和相位均可实现非线性增加,与行波管类型的非线性特性相反,可满足毫米波行波管功率放大器预失真需求。
实施例3
当R1=100,R2=200,V1=0.7V~1.2V,V2=0.35V~0.5V,可可以得到如图8所示的增益幅度预失真曲线和如图9所示的增益相位预失真曲线。由图可见,在30GHz频率处,输入功率在﹣20dBm~﹢20dBm变化范围内,网络传输系数幅度呈非线性增加,增加范围为2dB~10.5dB;网络传输系数相位呈非线性减少,减少范围为-80°~-30°。
实施例4
当V1=0.85V,V2=0.45V,R1=150Ω~200Ω,R2=250Ω~500Ω,可以得到如图10所示的增益幅度预失真曲线和如图11所示的增益相位预失真曲线。由图可见,在30GHz频率处,输入功率在﹣20dBm~﹢20dBm变化范围内,网络传输系数幅度呈非线性增加,增加范围为4dB~4.5dB;网络传输系数相位呈非线性减少,减少范围为-35°~﹣18°。
以上两个实施例工作状态,分别通过调节V1,V2(或R1,R2),随输入功率增加,传输系数幅度呈非线性增加,而相位呈非线性压缩,增加,与固态功率放大器类型的非线性特性相反,可满足毫米波固态功率放大器预失真需求。
Claims (6)
1.混合式预失真线性化器,其特征在于:包括功分器(1)、合成器(2),所述功分器(1)的输出端口通过串联型传输式模拟预失真电路或并联型传输式模拟预失真电路与合成器(2)的输入端口一对一相连。
2.如权利要求1所述的混合式预失真线性化器,其特征在于:所述功分器(1)具有一个输入端口和两个输出端口,所述合成器(2)具有一个输出端口和两个输入端口。
3.如权利要求2所述的混合式预失真线性化器,其特征在于:所述功分器(1)的第一输出端口(101)通过串联型传输式模拟预失真电路与合成器(2)的第一输入端口(201)相连,所述功分器(1)的第二输出端口(102)通过并联型传输式模拟预失真电路与合成器(2)的第二输入端口(202)相连。
4.如权利要求3所述的混合式预失真线性化器,其特征在于:所述串联型传输式模拟预失真电路包括第一非线性器件(301),所述第一非线性器件(301)的正极通过第一隔直电容(401)与功分器(1)的第一输出端口(101)相连,第一非线性器件(301)的正极还连接有第一射频扼流圈(501),第一射频扼流圈(501)的另一端通过第一偏置电阻(601)与第一电压源(701)的正极相连,并且第一射频扼流圈(501)的该端还通过第二隔直电容(402)与接地端(8)相连,第一电压源(701)的负极与接地端(8)相连,第一非线性器件(301)的负极通过第三隔直电容(403)与第一合成器(2)的第一输入端口(201)相连,第一非线性器件(301)的负极还通过第二射频扼流圈(502)与接地端(8)相连。
5.如权利要求3所述的混合式预失真线性化器,其特征在于:所述并联型传输式模拟预失真电路包括第二非线性器件(302),所述第二非线性器件(302)的正极通过第四隔直电容(404)分别与功分器(1)的第二输出端口(102)、合成器(2)的第二输入端口(202)相连,第二非线性器件(302)的正极还连接有第三射频扼流圈(503),所述第三射频扼流圈(503)的另一端通过第二偏置电阻(602)与第二电压源(702)的正极相连,第二电压源(702)的负极与接地端(8)相连,所述第二非线性器件(302)的负极直接与接地端(8)相连。
6.根据权利要求1至5中任意一项权利要求所述的混合式预失真线性化器,其特征在于:所述第一非线性器件(301)、第二非线性器件(302)均为肖特基势垒二极管。
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