CN103414435B - 毫米波功放预失真线性化器 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种毫米波功放预失真线性化器，旨在提供一种结构简单、频带宽、稳定性好，增益相位分别可调、能够适用于毫米波高功率放大器的预失真线性化器，本发明通过下述技术方案予以实现：射频信号从射频输入口（1）输入正交耦合器输入端，正交为两路，一路通过正交耦合器直通端（2）进入I路（6），通过直流馈电电源（12）调整直流偏压和二极管（16）连接的高阻线（17）得到非线性状态的相位不失真，幅度失真的分量，输出一个具有增益扩张特性的信号，另一路通过接匹配负载的正交耦合器隔离端（4）和正交耦合器耦合端（3）进入Q路（7），输出一个幅度可控的信号；上述两信号最终通过功率合成器（8）后输出一个幅度和相位同时失真的信号，并且幅度和相位可以分别可调。

Description

毫米波功放预失真线性化器

技术领域

本发明涉及一种用于毫米波高功率放大器中的线性化器，主要应用于航天测控、卫星通信等领域。

背景技术

预失真线性化技术理论上是最简单的RF功率放大器线性化技术，但随着无线通信技术的迅猛发展，通信频段变得越来越拥挤，提高频谱利用率已经成为研究的热门课题。毫米波技术属于高新技术，其频谱资源的开发价值大，功率放大器作为毫米波发射系统的关键部件和基站当中最昂贵的器件之一，其对效率的要求越来越高，对其输出线性度的要求越来越高，而且主要需求集中在高线性高效率的功放。然而功率放大器是发射系统中非线性失真最严重的器件，其产生的三阶互调在带内是滤波器无法滤除的，因此提高频谱利用率的问题就转化为改善非线性功放线性度的问题即改善其三阶互调的问题，这样我们需要在功放系统中引入线性化技术来降低其非线性。移动和卫星通信系统的迅速发展对毫米波功率放大器的输出效率和线性度提出了更高的要求。输出效率和线性度对于功放是一对非常关键但又相互矛盾的指标。当功放工作于饱和状态时其效率最佳,输出功率达到最大,然而此时,功放的非线性失真也剧烈增加,严重影响了功放的性能。目前，功率放大器的线性化技术总体可以分为负反馈法、前馈法、预失真线性化法等几种。

负反馈一般情况下用于低频段的功放，其重要原理是将功放的输出信号耦合出一部分进行倒相然后反馈到输入端与原来的输入信号进行叠加再输入功放以减小非线性失真，负反馈虽然简单易行，但是它降低了功放的增益，并且在高频端，很难实现在宽频段内使输入信号和反馈信号完全反相，相移控制很难，所以其很难用于高频端。

在各种射频功率放大器线性化技术中，主要用于直放站大功率放大器中的前馈技术有很高的线性度和带宽，是目前改善功放线性比较好的方法，但是该方法的一个问题是降低了功放的效率，电路结构复杂，成本昂贵，而且效率低。通常，前馈系统主要由两个环路组成，失真提取环路和失真消除环路。其中失真提取环路主要是用于提取交调分量，功放输入端耦合一部分信号并经过一定的延时，功放输出端也耦合一部分信号经过适当的相移然后与输入端耦合的信号叠加后的信号只剩下了反相的交调分量，这样就提取出了失真分量；第二环路主要用于对消功放的失真分量。前馈系统可以大大的改善功放的线性度，其频带宽，是无条件稳定的，理论上可以完全消除非线性失真。但是前馈系统的复杂度高，整个环路多处用到延时、相移、衰减，这些精度都得完全依赖于器件的精度，因此，整个系统中衰减器、移相器、辅助放大器都将制约前馈系统的性能，特别是在高频段时，延时、移相精度更难控制，所以前馈系统一般应用于射频低端。

预失真技术是目前应用最为广泛的一种线性化技术，其主要原理是信号通过一个非线性器件产生失真信号，再输入到功放，非线性器件产生的非线性特性是与功放的非线性特性相反，那么输入信号经过预失真再经过功放则输出为线性的。预失真虽然其精度没有前馈法高，但是其结构简单、成本低，可以作为一个单独单元进行控制，具有频带宽和稳定性好的优点。但是，目前的预失真技术大多集中在低频段，在毫米波频段的应用少有报道，少量报到的线性化器结构简单，可调性能差，增益和相位不能单独进行调整。预失真电路在进行调整时增益和相位特性同时改变。《微波学报》2010年04期，电子科技大学物理电子学院；中国西南电子研究所，李培、黄建、罗勇、李凯，公开了一种“采用二极管的射频预失真毫米波功放线性化器”，文章提出的一种Ka波段的射频预失真线性化器，由一个GaAs肖特基二极管和一个电容并联构成，通过一个偏置电阻加入直流馈电，该线性化器具有增益扩展和相位延迟的特性,并且其增益和相位特性具有可调性，尤其其相位特性可调性更强。将其应用于工作频率为30GHz饱和输出功率为10W的功放,输出三阶互调失真(IMD3)可以改善15dBc以上，此时功放输入的双音激励信号频率间隔为5MHz。该线性化器可调性强、结构简单、成本低廉、易于实现，但由于它的相位和幅度不能分别可调，所以实现线性度的改善范围小，在提高效率、多载波应用、修正效果以及自适应方面不具有很大的优势。

综上所述，以往的这些研究多集中于L,S,C,X,K等波段，并且输出功率较低,在国内对于高功率毫米波功放线性化的研究尚少见到公开报导。现有的线性化技术很难在毫米波频段实现，并且可调性一般，增益和相位不能单独可调。在机失真RF功率放大器中，放大器性能的好坏主要取决于预失真器的特性。好的预失真器可以大大提高功率放大器的线性度，更好地抑制频谱再生。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种结构简单、成本低、频带宽和稳定性好、可调性强、增益相位分别可调、能够适用于毫米波高功率放大器的预失真线性化器，突破毫米波高功率放大器预失真线性化技术的瓶颈。

本发明的上述目的可以通过以下措施来实现，一种毫米波功放预失真线性化器，包括，含有二极管16的非线性电路I路6、含有一电调衰减器18的线性Q路7、正交耦合器5和功率合成器8，其特征在于，射频信号从射频输入口1输入正交耦合器输入端，通过正交耦合器正交为两路，一路通过正交耦合器直通端2进入I路6，通过直流馈电电源12调整直流偏压和二极管16后连接的高阻线17得到非线性状态的相位不失真，幅度失真的分量，输出一个具有增益扩张特性的信号，另一路通过接匹配负载的正交耦合器隔离端4和正交耦合器耦合端3进入Q路7，通过外加电源控制电调衰减器18的电压改变衰减值来改变信号的幅度，使Q路7幅度远小于I路6幅度，输出一个幅度可控的信号；正交耦合器5将从I路6获得的一个幅度为非线性的失真信号送入功率合成器I路输入端9；经过幅度调整的信号进入功率合成器Q路输入端10；功率合成器8将上述两路输入信号合成为正交信号，通过射频输出端11合成输出一个具有增益扩张和相位压缩的失真信号。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明的预失真器主要通过正交的电路实现，由二极管组成的非线性电路I路6，由于加入直流电压，二极管16的状态可调，通过直流馈电电源调整直流偏压可以得到不同的非线性状态信号，同时在二极管16后加入一段高阻线17，可以抵消掉二极管16的电抗分量，那么信号经过I路6相位不会产生失真，而幅度产生失真，并且幅度失真可以通过直流电压改变；Q路7为一个线性的电调衰减器18构成，通过控制电调衰减器18的电压可以改变其衰减值来改变信号的幅度，由于衰减器为线性的，调整幅度时相位基本不变，只会在幅度上产生变化；那么通过I路6和Q路7之后的正交两路信号，经过功率合成器合成之后，幅度和相位都出现了失真，主要表现为增益扩张和相位压缩。这种方法可以通过二极管16的直流偏置电压12来调整增益的扩张特性，通过电调衰减器18来调整相位的压缩特性，这样可以对相位和增益进行分别的控制。

由于传统的预失真电路在进行调整时增益和相位特性同时改变，本发明中，采用正交电路的形式，I路6主要通过直流偏置电压12控制幅度，即增益扩张特性，而Q路为一电调衰减器18，通过控制其电压控制其幅度，通过控制衰减器，使Q路7幅度远小于I路6幅度，那么经过功率合成器之后，Q路7对I路6的幅度影响可以忽略不计，即电路的增益特性主要由I路6决定，而I路的增益特性主要由二极管16的直流偏置电压12决定，即预失真器的增益特性主要由二极管16的直流偏置电压12决定；由于I路6随输入功率增加表现为增益扩张特性，Q路7随输入功率增益不变，那么经过功率合成器8之后，预失真器的相位就表现为压缩特性，并且Q路7幅度的细小变化对电路的相位影响甚大，所以尽管Q路7幅度相比I路6幅度很小，但是Q路7幅度的微小变化都能影响相位的变化，故通过外加电源控制电调衰减器18的电压控制其幅度就可以控制预失真器的相位压缩特性。这样，通过两个控制变量就可以分别控制预失真器的增益和相位特性，同时由于控制变量多，使得增益和相位特性可调范围广，可调性强。

本发明采用正交的电路形式取代传统的电路形式，突破了Ka频段高功率固态功放预失真线性化器研究的瓶颈，实现预失真器的增益和相位特性的可调，并创造性地实现了增益和相位特性的分别可调，这样可以方便对预失真器的控制，为研制具有自适应特性的线性化固态功放打下了坚实的基础。

附图说明

图1是本发明毫米波功放预失真线性化器的电路原理框图。

图中：1射频输入口（正交耦合器输入端），2正交耦合器直通端，3正交耦合器耦合端，4正交耦合器隔离端，5正交耦合器，6I路，7Q路，8功率合成器，9功率合成器I路输入端（I路输出端），10功率合成器Q路输入端（Q路输出端），11射频输出端（功率合成器输出端），12直流馈电电源，13直流偏置电阻，14偏置高阻线，15隔直电容，16二极管，17高阻线，18电调衰减器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

在图1中，毫米波功放预失真线性化器，主要包括：正交耦合器5、功率合成器8、I路6非线性电路、Q路7幅度可调电路。其中I路6为二极管16非线性电路，主要产生失真分量，Q路7为一电调衰减器18，主要控制Q路7信号的幅度。相连I路6输入端的正交耦合器直通端2和相连Q路7输入端的正交耦合器耦合端3，两者相位相差90度。正交耦合器隔离端4接匹配负载。首先，射频信号由正交耦合器输入端1进入，分成正交的两路，射频信号从正交耦合器直通端2进入I路6，输出一个具有增益扩张特性的信号；正交耦合器耦合端3信号进入Q路7，输出一个幅度可控的信号；两信号最终通过功率合成器8后输出一个幅度和相位同时失真的信号，即输出一个具有增益扩张和相位压缩的失真信号。I路6电路主要由二极管16非线性电路组成，信号通过I路6将会出现失真，主要表现为增益扩张特性，并且通过改变二极管16的直流偏置电压12，可以得到不同的增益扩张特性；Q路7主要由一个电调衰减器18构成，通过外加电源控制衰减器18的电压值得到不同的衰减值来控制Q路7信号的幅度。

I路6电路主要由直流馈电电源12、直流馈电电阻13、偏置高阻线14、隔直电容15、高阻线17和并联二极管16构成。直流电源12主要是给并联二极管16馈电，使二极管16工作在合适的非线性工作点上，馈电电阻13主要起到分压和保护二极管电路的作用，电路两边的隔直电容15主要是起到隔直流的作用，防止二极管16馈电电路的直流信号进入射频电路，偏置高阻线14主要是保护直流馈电电路，防止射频信号进入直流电路，并联二极管16主要是在适当的直流电压驱动下产生与功率放大器失真相反的失真分量，二极管后的高阻线17主要是抵消二极管16的电抗分量，使失真分量中只包括幅度失真，主要表现为增益扩张，不包含相位失真，那么正交耦合器5的直通端2的信号经过I路6过后将得到一个幅度为非线性的失真信号，再送入功率合成器8的功率合成器I路输入端9；正交耦合器耦合端3的信号进入Q路7。Q路7主要由一线性的电调衰减器18构成，它主要是调整信号的幅度大小，经过幅度调整的信号进入功率合成器8的功率合成器Q路输入端10；功率合成器8的功率合成器I路输入端9和功率合成器Q路输入端为正交的信号，两信号经过功率合成器8合成输出11后，将得到一个幅度和相位同时失真的信号。

上述I路6电路主要包括，串联直流馈电电阻13的接地直流馈电电源12和偏置高阻线14，以及并联在两个隔直电容15接点之间并联二极管16和串联并联二极管16的高阻线17。为了保证I6、Q7两路相位始终保持90度，I路6中，连接在偏置高阻线14和两个隔直电容15交汇接点上的二极管16后，加入有一段抵消掉二极管16电抗分量，只会产生幅度失真的高阻线17，这样就不会出现相位失真。Q路7选择线性度比较好的电调衰减器18，保证调整幅度的同时相位不变。这样在信号通过功率合成器8后，通过控制上下两路的幅度，就可以改变整个预失真器的增益和相位特性。通过直流馈电电源12改变二极管16的直流偏置电压，可改变预失真器的增益扩张特性，改变电调衰减器18的衰减值主要控制预失真器的相位特性，这样就可以分别对预失真器的增益和相位进行分别控制。

Claims (7)

1.一种毫米波功放预失真线性化器，包括，含有二极管（16）的非线性电路I路（6）、含有一电调衰减器（18）的线性Q路（7）、正交耦合器（5）和功率合成器，其特征在于，为了保证I路（6）、Q路（7）两路相位始终保持90度，在I路（6）中，连接在偏置高阻线（14）和两个隔直电容（15）交汇接点上的二极管（16）后，加入有一段抵消掉二极管（16）电抗分量，只会产生幅度失真的高阻线（17）；射频信号从射频输入口（1）输入正交耦合器输入端，通过正交耦合器正交为两路，一路通过正交耦合器直通端（2）进入I路（6），通过直流馈电电源（12）调整直流偏压和二极管（16）后连接的高阻线（17）得到非线性状态的相位不失真，幅度失真的分量，输出一个具有增益扩张特性的信号，另一路通过接匹配负载的正交耦合器隔离端（4）和正交耦合器耦合端（3）进入Q路（7），通过外加电源控制电调衰减器（18）的电压改变衰减值来改变信号的幅度，使Q路（7）幅度远小于I路（6）幅度，输出一个幅度可控的信号；正交耦合器（5）将从I路（6）获得的一个幅度为非线性的失真信号，送入功率合成器I路输入端（9）；经过幅度调整的信号进入功率合成器Q路输入端（10）；功率合成器（8）将上述两路输入信号合成为正交信号，通过射频输出端（11）合成输出一个具有增益扩张和相位压缩的失真信号，并且增益和相位特性分别可调。

2.如权利要求1所述的毫米波功放预失真线性化器，其特征在于，I路（6）电路主要包括，串联直流馈电电阻（13）的接地直流馈电电源（12）和偏置高阻线（14），以及并联在两个隔直电容（15）接点之间并联二极管（16）和串联并联二极管（16）的高阻线（17）。

3.如权利要求1所述的毫米波功放预失真线性化器，其特征在于，通过直流馈电电源（12）改变二极管（16）的直流偏置电压，改变预失真器的增益扩张特性。

4.如权利要求1所述的毫米波功放预失真线性化器，其特征在于，改变电调衰减器（18）的衰减值主要控制预失真器的相位特性，分别对预失真器的增益和相位进行分别控制。

5.如权利要求1所述的毫米波功放预失真线性化器，其特征在于，I路（6）为二极管（16）非线性电路，主要产生失真分量，Q路（7）为一电调衰减器（18），主要控制Q路（7）信号的幅度。

6.如权利要求1所述的毫米波功放预失真线性化器，其特征在于，相连I路（6）输入端的正交耦合器直通端（2）和相连Q路（7）输入端的正交耦合器耦合端（3），两者相位相差90度。

7.如权利要求1所述的毫米波功放预失真线性化器，其特征在于，功率合成器8的功率合成器I路输入端（9）和功率合成器Q路输入端为正交的信号，两信号经过功率合成器（8）合成输出（11）后，将得到一个幅度和相位同时失真的信号。