CN104836539A - 一种高三阶交调抑制的接收机末级放大器及交调抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种高三阶交调抑制的接收机末级放大器及交调抑制方法，包括90°分支线电桥、第一50Ω负载电阻、第一放大器、第二放大器、衰减器、移相器、90°耦合器和第二50Ω负载电阻。本发明中末级放大器的实现，在传统单级中功率放大器(第一放大器)的基础上增加了第二放大器，第二放大器为小信号放大器，1dB压缩点较低为10～12dBm，其输出的信号具有主载波功率较低但三阶交调功率较高的特点。两个放大器在输入端采用90°分支线电桥实现级联，在输出端通过90°耦合器实现级联，衰减器和移相器完成对第二放大器输出三阶交调信号幅度和相位的调整，使得两放大器所产生的三阶交调分量在合成端达到等幅反相从而实现功率对消。

Description

一种高三阶交调抑制的接收机末级放大器及交调抑制方法

技术领域

本发明涉及一种高三阶交调抑制的接收机末级放大器及交调抑制方法，属于微波电路技术领域。

背景技术

随着卫星技术的不断发展，卫星通信容量不断增加，系统对星载微波接收机的线性提出了越来越高的要求。具体来讲，在较高输入电平下要求星载微波接收机具有很好的三阶交调抑制性能。而通常情况下，接收机整机的三阶交调抑制性能主要由接收机末级放大器的三阶交调抑制性能决定。

星载微波接收机三阶交调抑制性能与末级放大器的输入电平和末级放大器的输出能力(1dB压缩点)相关。当末级放大器的输入电平一定的情况下，要想提高放大器的三阶互调抑制能力，传统方法为提高末级放大器的1dB压缩点功率。但提高放大器1dB压缩点输出功率会造成放大器功耗和热耗的增加，且这种方法对三阶交调抑制的改善十分有限，已经无法满足卫星通信系统对星载微波接收机线性的要求。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种高三阶交调抑制的接收机末级放大器及交调抑制方法，重点解决现有星载微波接收机末级放大器三阶交调受限的问题。

本发明解决的技术方案为：一种高三阶交调抑制的接收机末级放大器，包括90°分支线电桥、第一50Ω负载电阻、第一放大器、第二放大器、衰减器、移相器、90°耦合器和第二50Ω负载电阻；90°分支线电桥包括输入端、隔离端和两个输出端，两个输出端分别为第一输出端和第二输出端；90°耦合器包括第一输入端口、第二输入端口、输出端和隔离端；

双音信号输入90°分支线电桥的输入端，90°分支线电桥的隔离端通过第一50欧姆负载电阻接地，90°分支线电桥的输出端为两路幅度相等，相位相差90°的双音信号，90°分支线电桥的第一输出端的输出信号输入第一放大器进行放大，得到第一路放大的双音信号和三阶交调分量；90°分支线电桥的第二输出端的输出信号输入第二放大器进行放大，得到第二路放大的双音信号和三阶交调分量，送至衰减器，由衰减器对信号进行幅度衰减，输出至移相器，移相器对信号进行相位调整；

第一放大器的输出信号输入90°耦合器的第一输入端口，移相器的输出信号输入90°耦合器的第二输入端口，在90°耦合器的输出端经第一放大器输出的三阶交调信号和移相器输出的三阶交调信号为等幅反相实现功率抵消，同时经第一放大器输出的双音信号和移相器输出的双音信号相位相反但幅度相差20dB以上，避免造成第一放大器输出双音信号的功率损失，第二50Ω负载电阻的一端与90°耦合器隔离端连接，第二50Ω负载电阻的另一端接地，实现匹配负载接地，最终经过90°耦合器输出端输出的信号为第一放大器输出的双音信号和功率对消后的三阶交调信号，作为高三阶交调抑制的接收机末级放大器的输出。

所述双音信号频率为电路中第一放大器和第二放大器工作频段内的频率，第一放大器和第二放大器工作频段为毫米波频段。

所述的衰减器、移相器，能够进行幅度、相位调节，保证90°耦合器输出端的两路三阶交调信号等幅反相。

一种高三阶交调抑制的接收机末级放大器的交调抑制方法，步骤如下：

(1)双音信号输入90°分支线电桥的输入端，90°分支线电桥的隔离端通过第一50欧姆负载电阻接地，90°分支线电桥的第一输出端的输出信号输入第一放大器进行放大，得到第一路被放大的双音信号和三阶交调分量；90°分支线电桥的第二输出端的输出信号输入第二放大器；

(2)第二放大器对步骤(1)双音信号的另一路进行放大，得到第二路被放大的双音信号和三阶交调分量，送至衰减器；

(3)衰减器对步骤(2)产生的第二路被放大的双音信号和三阶交调分量进行幅度衰减，输出至移相器；

(4)移相器对步骤(3)经过幅度衰减的信号进行相位调整输出至90°耦合器的第二输入端口；

(5)步骤(1)第一放大器的输出信号输入90°耦合器的第一输入端口，步骤(4)移相器的输出信号输入90°耦合器的第二输入端口，90°耦合器对输入第一输入端口和第二输入端口的信号进行合成，在90°耦合器的输出端经第一放大器输出的三阶交调信号和移相器输出的三阶交调信号为等幅反相实现功率抵消，同时步骤(1)第一放大器输出的双音信号和步骤(4)移相器输出的双音信号相位相反但幅度相差20dB以上，避免造成步骤(1)第一放大器输出双音信号的功率损失。第二50Ω负载电阻的一端与90°耦合器隔离端连接，第二50Ω负载电阻的另一端接地，实现匹配负载接地，最终经过90°耦合器的第一输入端口输出的信号为第一放大器输出的双音信号和功率对消后的三阶交调信号，作为高三阶交调抑制的接收机末级放大器的输出。

所述步骤(1)双音信号频率为电路中第一放大器和第二放大器工作频段内的频率，第一放大器和第二放大器工作频段为毫米波频段。

所述步骤(2)的第二放大器为小信号放大器，该小信号放大器输出的双音信号功率比第一放大器输出的双音信号小10到12dB，三阶交调信号功率比第一放大器输出的双音信号大10到12dB。

所述步骤(3)的衰减器、步骤(4)的移相器，能够进行幅度、相位调节，保证90°耦合器输出端的两路三阶交调信号等幅反相。

所述步骤(5)的90°耦合器输出端，两路信号的三阶交调信号等幅反相，功率抵消。

所述步骤(5)90°耦合器的输出端两路双音信号相位相反，但幅度相差20dB以上，第一放大器输出双音信号的功率不损失。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)第一放大器为中功率放大器，可实现对信号的放大，第二放大器为小功率放大器，主要实现三阶交调分量的产生，由于第二放大器功率小，因此功耗低，可达到在不增加放大器功耗的情况下显著提高放大器三阶交调抑制的目的。

(2)90°分支线电桥、90°耦合器、衰减器和移相器主要实现对第一放大器和第二放大器输出的三阶交调分量的幅度和相位精确调整，可实现三阶交调分量的等幅反相对消，大大提高放大器的三阶交调抑制。

(3)在90°耦合器的合成端，第二放大器输出的双音信号功率远低于第一放大器输出的双音信号功率，虽然两者相位相反，但合成不会造成第一放大器输出双音信号功率的下降。

(4)本发明中末级放大器的实现，在传统单级中功率放大器(第一放大器)的基础上增加了第二放大器，第二放大器为小信号放大器，1dB压缩点较低为10～12dBm，其输出的信号具有主载波功率较低但三阶交调功率较高的特点。

(5)本发明两个放大器在输入端采用90°分支线电桥实现级联，在输出端通过90°耦合器实现级联，衰减器和移相器完成对第二放大器输出三阶交调信号幅度和相位的调整，使得两放大器所产生的三阶交调分量在合成端达到等幅反相从而实现功率对消。

附图说明

图1为本发明提出的高三阶交调抑制的接收机末级放大器电路框图；

图2为本发明第一放大器输出信号频谱；

图3为本发明第二放大器输出信号频谱；

图4是本发明高三阶交调抑制的接收机末级放大器输出信号频谱。

具体实施方式

本发明的基本思路为：提供一种高三阶交调抑制的接收机末级放大器及交调抑制方法，针对现有星载微波接收机末级放大器三阶交调受限的问题。通过90°分支线电桥、第一50Ω负载电阻、第一放大器、第二放大器、衰减器、移相器、90°耦合器和第二50Ω负载电阻实现。具体方法是双音信号输入至90°分支线电桥的输入端，90°分支线电桥的隔离端通过第一50欧姆负载电阻接地，90°分支线电桥的输出端的两路幅度相等，相位相差90°的双音信号分别输入给第一放大器和第二放大器进行放大，第一放大器的输出信号输入给90°耦合器的第二输入端口，第二路放大输出的双音信号经过衰减器，移相器，输入至90°耦合器的第一输入端口，90°耦合器的合成端输出的双音信号的三阶交调分量等幅反相从而实现功率对消。

本发明末级放大器包含第一放大器和第二放大器两个有源电路，第一放大器为中功率放大器，完成对信号的放大功能。第二放大器为低功率放大器，主要产生三阶交调分量。

本发明末级放大器包含的90°分支线电桥、90°耦合器、衰减器和移相器为无源电路。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述，图1给出本发明提出的高三阶交调抑制的接收机末级放大器电路框图。

双音信号输入90°分支线电桥的输入端，90°分支线电桥的隔离端通过第一50欧姆负载电阻实现接地，50欧姆负载电阻完成电桥隔离端口与50欧姆微波传输线系统特征阻抗的匹配，消除隔离端口反射，90°分支线电桥的分布式结构和隔离端口的50欧姆负载电阻共同保证90°电桥输出两路幅度相等，相位相差90°的信号，该双音信号，其中90°分支线电桥的第一输出端输出的信号输入给第一放大器进行放大。第一放大器为中功率放大器，其增益27dB，输出1dB压缩点27dBm，得到被放大的双音信号和三阶交调分量如图2所示(mark5为双音信号，功率为11dBm，mark7为三阶交调分量，功率为-35dBm)。其中90°分支线电桥的第二输出端输出的信号输入给第二放大器进行放大，第二放大器为小信号放大器，其增益12.5dB，输出1dB压缩点10dBm，主要产生三阶交调分量，第二放大器功耗低，可达到在不增加放大器功耗的情况下显著提高放大器三阶交调抑制的目的。第二放大器输出的双音信号和三阶交调分量如图3所示(mark6为双音信号，功率为0dBm，mark8为三阶交调分量，功率为-23dBm)，之后送至衰减器，衰减器对信号进行幅度衰减，输出至移相器，移相器对信号进行相位调整，最后第一放大器的输出信号和移相器的输出信号分别输入90°耦合器的第一输入端和第二输入端，90°耦合器通过电磁场耦合在其输出端经第一放大器输出的三阶交调信号和移相器输出的三阶交调信号为等幅反相实现功率抵消，同时经第一放大器输出的双音信号和移相器输出的双音信号相位相反但幅度相差较大，因此不会造成第一放大器输出双音信号的功率损失。90°耦合器隔离端与第二50Ω负载电阻与连接实现匹配负载接地，50欧姆负载电阻完成耦合器隔离端口与50欧姆微波传输线系统特征阻抗的匹配，消除隔离端口反射，最终经过90°耦合器输出端输出的信号为第一放大器输出的双音信号和功率对消后的三阶交调信号，作为高三阶交调抑制的接收机末级放大器的输出，如图4所示(mark1为双音信号，功率为11dBm，mark2为三阶交调分量，功率为-77dBm)。

本发明的核心思想为通过第一放大器和第二放大器的输出三阶交调分量实现等幅反相对消实现高的三阶交调抑制，因此两路放大器输出三阶交调信号在90°耦合器合成端的幅度和相位平衡性对三阶交调指标影响较大，针对这一特点进行三阶交调分量幅度相位不横仿真结果如下表所示。

表1 两路放大器输出三阶分量幅相不平衡下的三阶交调抑制

从本发明的仿真结果来看，第一放大器和第二放大器输出的三阶互调分量在合成端能够得到良好的对消，放大器的三阶交调指标大幅提升。当两路放大器输出三阶互调分量的相位和幅度不一致时，三阶交调分量对消效果会受到影响，但是在一定范围内是可以接受的，相位偏差允许在15°内，幅度偏差允许在1dB(三阶交调改善16dB)，允许的容差范围较大；通过对主放大器、辅助放大器、90°分支线电桥和90°耦合器的选用和电路布局设计完全可以将相位和幅度的不一致控制在此范围内。同时衰减器和移相器还以对三阶交调分量的相位和幅度进行更精确的控制，使得相位偏差小于2°，幅度偏差小于0.5dB，保证三阶交调改善达到30dB，从而满足使用要求。

本发明实例中，所用到的器件均可用微波单片集成电路实现，一致性好，电路体积小，集成度高，性能稳定，不需要调试，可靠性高。本发明的接收机末级放大器对三阶交调幅度的抑制性能有大幅度的提升，给接收机整机带来的积极效果有两方面：一方面，对于目前通信容量的不断提高，对接收机的三阶交调指标要求越来越高，传统改善放大器三阶交调的方法是不断提高放大器的输出功率，这就使得接收机末级放大器的功耗倍增，从而影响其结温降额及器件可靠性，若采用此发明，可以大大降低末级放大器为提高三阶交调抑制增加的功耗，大大降低了射频链的设计难度，接收机的功耗也可以减少约一半，同时提高了可靠性，也节约了成本；另一方面，由于该放大器本身对三阶交调的抑制性能非常理想，可以减少接收机射频链大功率器件的使用；减少采用功率合成提高输出功率改善三阶交调抑制放大器电路的设计难度，同时，电路采用MMIC，电路体积小、性能稳定，从而可以更好的运用MCM及SIP等集成电路形式，不仅减少了模块多次封装带来的电性能和可靠性问题，而且极大程度提升了接收机射频链的集成度，同时将整机的集成度提升到一个新台阶，体积和质量能降至传统接收机的1/3以下，性能更可靠，一致性更高，从而星载接收机在体积和质量等方面可以媲美Alcatel、NTS、Astruim等欧美日一流宇航公司接收机产品，其三阶交调指标超越目前国际一流宇航公司接收机产品，在国际市场中具有很强的影响力和竞争力。在高三阶交调要求的星载接收机中具有广阔的应用前景和重要的实用价值。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (9)

1.一种高三阶交调抑制的接收机末级放大器，其特征在于：包括90°分支线电桥、第一50Ω负载电阻、第一放大器、第二放大器、衰减器、移相器、90°耦合器和第二50Ω负载电阻；90°分支线电桥包括输入端、隔离端和两个输出端，两个输出端分别为第一输出端和第二输出端；90°耦合器包括第一输入端口、第二输入端口、输出端和隔离端；

双音信号输入至90°分支线电桥的输入端，90°分支线电桥的隔离端通过第一50Ω负载电阻接地，90°分支线电桥的输出端为两路幅度相等，相位相差90°的双音信号，90°分支线电桥的第一输出端的输出信号输入第一放大器进行放大，得到第一路放大的双音信号和三阶交调分量；90°分支线电桥的第二输出端的输出信号输入第二放大器进行放大，得到第二路放大的双音信号和三阶交调分量，送至衰减器，由衰减器对信号进行幅度衰减，输出至移相器，移相器对信号进行相位调整；

第一放大器的输出信号输入90°耦合器的第一输入端口，移相器的输出信号输入90°耦合器的第二输入端口，在90°耦合器的输出端经第一放大器输出的三阶交调信号和移相器输出的三阶交调信号为等幅反相实现功率抵消，同时经第一放大器输出的双音信号和移相器输出的双音信号相位相反但幅度相差20dB以上，避免造成第一放大器输出双音信号的功率损失，第二50Ω负载电阻的一端与90°耦合器隔离端连接，第二50Ω负载电阻的另一端接地，实现匹配负载接地，最终经过90°耦合器输出端输出的信号为第一放大器输出的双音信号和功率对消后的三阶交调信号，作为高三阶交调抑制的接收机末级放大器的输出。

2.根据权利要求1所述的一种高三阶交调抑制的接收机末级放大器，其特征在于：所述双音信号频率为电路中第一放大器和第二放大器工作频段内的频率，第一放大器和第二放大器工作频段为毫米波频段。

3.根据权利要求1所述的一种高三阶交调抑制的接收机末级放大器，其特征在于：所述的衰减器、移相器，能够进行幅度、相位调节，保证90°耦合器输出端的两路三阶交调信号等幅反相。

4.一种高三阶交调抑制的接收机末级放大器的交调抑制方法，其特征在于步骤如下：

(1)双音信号输入90°分支线电桥的输入端，90°分支线电桥的隔离端通过第一50欧姆负载电阻接地，90°分支线电桥的第一输出端的输出信号输入第一放大器进行放大，得到第一路被放大的双音信号和三阶交调分量；90°分支线电桥的第二输出端的输出信号输入第二放大器；

(2)第二放大器对步骤(1)双音信号的另一路进行放大，得到第二路被放大的双音信号和三阶交调分量，送至衰减器；

(3)衰减器对步骤(2)产生的第二路被放大的双音信号和三阶交调分量进行幅度衰减，输出至移相器；

(4)移相器对步骤(3)经过幅度衰减的信号进行相位调整输出至90°耦合器的第二输入端口；

(5)步骤(1)第一放大器的输出信号输入90°耦合器的第一输入端口，步骤(4)移相器的输出信号输入90°耦合器的第二输入端口，90°耦合器对输入第一输入端口和第二输入端口的信号进行合成，在90°耦合器的输出端经第一放大器输出的三阶交调信号和移相器输出的三阶交调信号为等幅反相实现功率抵消，同时步骤(1)第一放大器输出的双音信号和步骤(4)移相器输出的双音信号相位相反但幅度相差20dB以上，避免造成步骤(1)第一放大器输出双音信号的功率损失；第二50Ω负载电阻的一端与90°耦合器隔离端连接，第二50Ω负载电阻的另一端接地，实现匹配负载接地，最终经过90°耦合器的第一输入端口输出的信号为第一放大器输出的双音信号和功率对消后的三阶交调信号，作为高三阶交调抑制的接收机末级放大器的输出。

5.根据权利要求4所述的一种高三阶交调抑制的接收机末级放大器的交调抑制方法，其特征在于：所述步骤(1)双音信号频率为电路中第一放大器和第二放大器工作频段内的频率，第一放大器和第二放大器工作频段为毫米波频段。

6.根据权利要求4所述的一种高三阶交调抑制的接收机末级放大器的交调抑制方法，其特征在于：所述步骤(2)的第二放大器为小信号放大器，该小信号放大器输出的双音信号功率比第一放大器输出的双音信号小10到12dB，三阶交调信号功率比第一放大器输出的双音信号大10到12dB。

7.根据权利要求4所述的一种高三阶交调抑制的接收机末级放大器的交调抑制方法，其特征在于：所述步骤(3)的衰减器、步骤(4)的移相器，能够进行幅度、相位调节，保证90°耦合器输出端的两路三阶交调信号等幅反相。

8.根据权利要求4所述的一种高三阶交调抑制的接收机末级放大器的交调抑制方法，其特征在于：所述步骤(5)的90°耦合器输出端，两路信号的三阶交调信号等幅反相，功率抵消。

9.根据权利要求4所述的一种高三阶交调抑制的接收机末级放大器的交调抑制方法，其特征在于：在所述步骤(5)90°耦合器的输出端两路双音信号相位相反，但幅度相差20dB以上，第一放大器输出双音信号的功率不损失。