CN105897191A - 一种预失真线性化器及其应用 - Google Patents

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虞崇志
胡波雄
唐康淞
王刚
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Abstract

一种预失真线性化器，包括：第一分支线耦合器，配置为对输入信号等额方向经第一输入端输入信号后，从第一直通端直接输出信号，并且从第一耦合端输出与第一直通端等幅反向的信号；第一非线性发生器，配置为产生幅度和相位同时呈扩张的曲线，并输出第一路信号；第二非线性发生器，配置为产生幅度和相位同时呈扩张的曲线，输出第二路信号；以及功分器，配置为对所述第一路信号和第二路信号进行合成，并输出合成后的信号。将该预失真线性化器用于功率放大器，例如行波管的线性化，极大地提升了线性度，具有重要工程应用价值。

Description

一种预失真线性化器及其应用
技术领域
本发明涉及功率放大器领域，进一步涉及一种预失真线性化器，以及应用所述预失真线性化器进行线性化的方法。
背景技术
随着无线与卫星通信技术的发展，频谱利用率较高的非恒包络调制技术得到了广泛的应用，但也使得被调制的信号具有更高的峰均比，对系统中的重要非线性器件——功率放大器的线性度提出了更高的要求。当行波管等功率放大器工作在饱和状态时，效率较高，可以输出较高的功率，但此时的线性度较差，会引起被调制信号非常严重的失真，进而使信号星座图发生变形和频谱再生，造成码间串扰和邻近信道间干扰。为此，人们提出了各种线性化技术，如功率回退法，负反馈法，前馈法和预失真法。其中，预失真法电路简单、成本低、工作带宽较宽、稳定性高，近些年得到了很好的发展。
在实现本发明的过程中，申请人发现上述现有技术存在如下技术缺陷：
目前的线性化器研发人员没有深入分析二极管SPICE(通用模拟电路仿真器)模型参数中零偏压结电容和串联电阻对预失真扩张曲线的影响，没有给出电路板材选择原则，选择二极管和电路板材时存在盲目性，所设计出来的微带线性化器存在工作在K波段(18-27GHz)以下，绝对和相对带宽不超过1.8GHz和4％，需在输入及输出端加隔离器等不足。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种预失真线性化器，以及应用所述预失真线性化器进行线性化的方法。
(二)技术方案
根据本发明的一方面，提供一种预失真线性化器，包括：
第一分支线耦合器，包括：第一输入端、第一耦合端和第一直通端，第一分支线耦合器配置为经第一输入端输入信号后，从第一直通端直接输出信号，并且从第一耦合端输出与第一直通端等幅反向的信号；
第一非线性发生器，第一直通端连接到所述第一非线性发生器，第一非线性发生器配置为产生幅度和相位同时呈扩张的曲线，并输出第一路信号；
第二非线性发生器，第一耦合端连接到所述第二非线性发生器，第二非线性发生器配置为产生幅度和相位同时呈扩张的曲线，输出第二路信号；以及
功分器，配置为对所述第一路信号和第二路信号进行合成，并输出合成后的信号。
优选的，预失真线性化器还包括增益放大器，所述第一耦合端经增益放大器连接到所述第二非线性发生器。
优选的，所述第一非线性发生器包括第二分支线耦合器和多个二极管，其中，
第二分支线耦合器包括第二输入端、第二耦合端、第二直通端和第二隔离端；第二输入端连接到第一直通端，第二隔离端连接到所述功分器，第二直通端和第二耦合端分别连接二极管；
第二分支线耦合器配置为经第二输入端输入信号后，从第二直通端直接输出信号，并且从第二耦合端输出与第二直通端等幅反向的信号。
优选的，所述第二非线性发生器包括第三分支线耦合器和多个二极管，其中，
第三分支线耦合器包括第三输入端、第三耦合端、第三直通端和第三隔离端；第三输入端连接到第一耦合端，第三隔离端连接到所述功分器，第三直通端和第三耦合端分别连接二极管；
第三分支线耦合器配置为经第三输入端输入信号后，从第三直通端直接输出信号，并且从第三耦合端输出与第三直通端等幅反向的信号。
优选的，预失真线性化器还包括第一偏置电路和第二偏置电路，第一偏置电路和第二偏置电路分别连接到第一非线性发生器和第二非线性发生器，第一偏置电路和第二偏置电路配置为分别为第一非线性发生器和第二非线性发生器提供偏置电流和偏置电压，还配置为供微波信号传输，同时阻断微波信号源对直流信号源产生干扰。
优选的，预失真线性化器还包括第一滤波器和第二滤波器，第一直通端经第一滤波器连接到第一非线性发生器；第一耦合端经第二滤波器连接到第二非线性发生器。
优选的，预失真线性化器还包括第三滤波器和第四滤波器，第一非线性发生器经第三滤波器连接到功分器；第二非线性发生器经第四滤波器连接到功分器。
优选的，所述第一分支线耦合器还包括第一隔离端，第一分支线耦合器还配置为在第一耦合端和第一直通端没有接匹配负载时，在第一隔离端叠加输出信号。
根据本发明的另一方面，还提供一种对功率放大器进行线性化的方法，包括将以上任意一种所述的线性化器连接到所述功率放大器。
优选的，所述功率放大器为毫米波行波管。
(三)有益效果
(1)由于该预失真线性化器在工作频带内，输入及输出端反射损耗在-20dB以下，反射信号相对于入射信号来讲可以忽略不计，因此不需要像目前大多数预失真线性化器那样在输入及输出端口处加隔离器，从而大大简化了系统的复杂程度；
(2)本发明在同一偏置情况下，无论是在中心频点还是边频，预失真线性化器的增益和相位扩张量基本不变，分别约5dB和50°，能补偿增益和相位压缩量一般为4～6dB和40°～60°的行波管；
(3)经级联线性化器后的行波管相比增益和相位压缩量得到改善，极大地提升了行波管的线性度。
附图说明
图1为本发明实施例的预失真线性化器的原理图；
图2为29、30、31GHz时预失真器的增益和相位扩张；
图3为不同零偏压结电容对预失真电路增益和相位扩张曲线的影响；
图4为预失真器线性化器输入输出端的反射损耗；
图5为不同串联电阻对预失真电路增益和相位扩张曲线的影响；
图6为行波管增益和相位压缩量测试原理图；
图7为线性化器增益和相位扩张量测试原理图分两步(a)和(b)；
图8为线性化行波管增益和相位压缩量测试原理图；
图9(a)为29GHz时行波管输入输出及增益和相位压缩曲线；
图9(b)为29GHz时线性化行波管输入输出及增益和相位压缩曲线；
图9(c)为30GHz时行波管输入输出及增益和相位压缩曲线；
图9(d)为30GHz时线性化行波管输入输出及增益和相位压缩曲线；
图9(e)为31GHz时行波管输入输出及增益和相位压缩曲线；
图9(f)为31GHz时线性化行波管输入输出及增益和相位压缩曲线；
图10为线性化行波管C/IM3(Carrier to third InterModulation，载波与三阶交叉调制分量抑制比)测试原理图；
图11为行波管C/IM3测试原理图；
图12为29，30，31GHz行波管及线性化行波管C/IM3与输入功率回退的关系图。
【主要元件符号说明】
5-第一分支线耦合器，
1-第一输入端，2-第一直通端，3-第一耦合端，4-第一隔离端；
15-第二分支线耦合器，
11-第二输入端，12-第二直通端，13-第二耦合端，14-第二隔离端；
31-第三分支线耦合器，
27-第三输入端，28-第三直通端，29-第三耦合端，30-第三隔离端；
35，37-偏置电路，
8，24-高阻线，9，25-偏置电阻，10，26-直流电源；
36-第一非线性发生器，38-第二非线性发生器，
16，17，32，33-二极管；
7，18，23，34-交指耦合线滤波器；22-增益放大器；39-功分器，
19，20-输入端口，21-输出端口
6-负载。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。应当理解，以下实施例是示例性的而非穷举，其仅用于说明本发明的原理，而非已在显示本发明的范围。
应该注意的是，本文中所使用的“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分不同对象，而不意味着这些对象之间有任何特定顺序关系。
图1为本发明实施例的预失真线性化器的原理图。提供了一种预失真线性化器，包括：第一分支线耦合器5、第一非线性发生器36、第二非线性发生器38和功分器39。
本实施例中，第一分支线耦合器5包括：第一输入端1、第一耦合端3和第一直通端2，第一分支线耦合器5配置为经第一输入端1输入信号后，从第一直通端2直接输出信号，并且从第一耦合端3输出与第一直通端等幅反向的信号；
本实施例中，第一非线性发生器36连接到第一直通端2，第一非线性发生器36配置为产生幅度和相位同时呈扩张的曲线，并输出第一路信号。
其中，第一非线性发生器36可以包括第二分支线耦合器15和多个二极管，第二分支线耦合器15包括第二输入端11、第二耦合端13、第二直通端12和第二隔离端14；第二输入端11连接到第一直通端2，第二隔离端14连接到所述功分器39，第二直通端12和第二耦合端13分别连接二极管16和二极管17，经过二极管后再进行接地。优选的，所述二极管16和二极管17为肖特基二极管。第二分支线耦合器15配置为经第二输入端11输入信号后，从第二直通端12直接输出信号，并且从第二耦合端13输出与第二直通端12等幅反向的信号。优选的，二极管16和二极管17的零偏压结电容为0.02-0.1pF。
本实施例中，第二非线性发生器38连接到第一耦合端3，第二非线性发生器38配置为产生幅度和相位同时呈扩张的曲线，输出第二路信号。
其中，所述第二非线性发生器36可包括第三分支线耦合器31和多个二极管，第三分支线耦合器31包括第三输入端27、第三耦合端29、第三直通端28和第三隔离端30；第三输入端27连接到第一耦合端3，第三隔离端30连接到所述功分器39，第三直通端28和第三耦合端29分别连接二极管32和二极管33，经过二极管后再进行接地。优选的，所述二极管32和二极管33为肖特基二极管。第三分支线耦合器31配置为经第三输入端27输入信号后，从第三直通端28直接输出信号，并且从第三耦合端29输出与第三直通端等幅反向的信号。优选的，二极管32和二极管33的零偏压结电容为0.02-0.1pF。
优选的，上述分支耦合器(第一、第二和第三分支耦合器)可以选自两分支耦合器、Lange耦合器和三分支耦合器。
本实施例中，功分器39配置为对第一路信号和第二路信号进行合成，并输出合成后的信号。功分器39包括功分器第一输入端口19、功分器第二输入端口20和功分器输出端口21，第一非线性发生器36和第二非线性发生器38分别连接到功分器39的功分器第一输入端口19和功分器第二输入端口20，通过对两路信号进行合成后从功分器输出端口21输出合成后的信号，该输出端口可连接到一可变增益放大器上。优选的，所述功分器39为Wilkinson功分器或者Gysel功分器。
根据本发明的实施例，预失真线性化器还可包括增益放大器22，所述第一耦合端3经增益放大器22连接到所述第二非线性发生器38。增益放大器22的作用是对从第一耦合端输出的信号进行不同倍数地放大。优选的，所述增益放大器22可以为可调增益放大器，可以根据实际所需的放大倍数相应的选择可调增益放大器的规格。
根据本发明的实施例，预失真线性化器还可包括第一偏置电路35和第二偏置电路37，第一偏置电路35和第二偏置电路37分别连接到第一非线性发生器36和第二非线性发生器38，第一偏置电路35和第二偏置电路37配置为分别为第一非线性发生器36和第二非线性发生器38提供偏置电流和偏置电压，还配置为供微波信号传输，同时阻断微波信号源对直流信号源产生干扰。
其中，第一偏置电路35和第二偏置电路37可以分别进行调节，优选的均为扇形偏置电路。第一偏置电路35包括偏置电阻9，高阻线8和直流电源10，直流电源10负极接地，正极经偏置电阻9，高阻线8，连接至第二输入端11。第二偏置电路37包括偏置电阻25，高阻线24和直流电源26，直流电源26负极接地，正极经偏置电阻25，高阻线24，连接至第三输入端27。调节第一偏置电路35和第二偏置电路37的偏置电压和增益放大器22的电压，不仅可以得到增益和相位扩张量不同的曲线，而且曲线形状可调，在对同频段增益和相位压缩特性不同的行波管进行线性化时，大大地减少了设计的重复性。
根据本发明的实施例，预失真线性化器还可包括第一滤波器7和第二滤波器23，第一直通端经第一滤波器7连接到第一非线性发生器36；第一耦合端经第二滤波器23连接到第二非线性发生器38。
优选的，预失真线性化器还可包括第三滤波器18和第四滤波器34，第一非线性发生器36经第三滤波器18连接到功分器39；第二非线性发生器38经第四滤波器34连接到功分器39。
需要说明的是，上述滤波器是配置为保证微波信号的传输，同时阻断直流信号的传输。
根据本发明的实施例，所述第一分支线耦合器5还包括第一隔离端4，第一分支线耦合器5还配置为在第一耦合端3和第一直通端2没有接匹配负载时，在第一隔离端4叠加输出信号；所述第一隔离端4经负载6后接地，所述负载6优选的为50Ω电阻。
基于同一发明构思，还提供一种对功率放大器进行线性化的方法，包括以上所述的线性化器连接到所述功率放大器。
优选的，所述功率放大器为毫米波行波管，中心频率为30GHz，绝对和相对带宽为2GHz和6.67％。
测试实验和分析
图2为用ADS软件对线性化器29、30、31GHz时的增益和相位扩张情况进行仿真。其中各标记点的输入功率、频率以及测量的增益和相位扩张结果参见表1所示。
表1
图3为用ADS软件仿真二极管SPICE模型的不同零偏压结电容对线性化器增益和相位扩张曲线的影响。其中各标记点的零偏压结电容、输入功率以及测量的增益和相位扩张结果参见表2所示。
表2
通过图2和图3对比分析二极管SPICE模型中零偏压结电容对预失真扩张曲线的影响，表明随着零偏压结电容的增加，预失真电路增益和相位扩张量越来越小，并据此给出了在设计高频段线性化器时，应该选择零偏压结电容小的二极管这一重要原则。
图4为用ADS软件对线性化器的输入端和输出端的反射损耗进行仿真，dB(S(1，1))和dB(S(2，2))分别表示输入端口和输出端口的反射损耗。由图4可知，该线性化器在工作频带内，输入端口和输出端口反射损耗在-20dB以下，反射信号相对于入射信号来讲可以忽略不计，因此不需要像目前大多数线性化器那样在输入端口和输出端口加隔离器，从而大大简化了系统的复杂程度。
图5为用ADS软件仿真二极管SPICE模型的不同串联电阻对线性化器增益和相位扩张曲线的影响。其中各标记点的零偏压结电容、输入功率以及测量的增益和相位扩张结果参见表3所示。图5分析了二极管SPICE模型中串联电阻对预失真扩张曲线的影响，随着串联电阻的增加，预失真电路相位变化相对很小，但增益变化却很大，根据实际行波管的增益和相位压缩量及补偿要求，可据此选择合适的二极管。
表3
图6为行波管(TWT)增益和相位压缩量测试原理图。用AgilentN5245A矢量网络分析仪(简称矢网)对行波管29、30和31GHz这三个频点分别进行功率扫描，记录各频点行波管饱和点相对于小信号点的增益和相位压缩量及饱和输入功率，结果如图9(a)、(c)、(e)所示。图9中每一幅图的上图中蓝色的线表示输入输出曲线，棕色的线表示增益压缩曲线，下图棕色的线表示相位压缩曲线。
图7为线性化器增益和相位扩张量测试原理图，分(a)和(b)两步进行。调节线性化器二极管和可变增益放大器的电压，使线性化器的增益和相位扩张量同时尽可能多地补偿行波管增益和相位压缩量，如图7(a)所示。将矢量的扫描功能换成连续波扫描，频率依次为29GHz，30GHz，31GHz，调节可变增益放大器，使线性化器的输出功率能将行波管推饱和，如图7(b)所示。
图8为级联线性化器后行波管(以下简称线性化行波管，LTWT)增益和相位压缩量测试原理图。将线性化器和行波管级联，用矢网对线性化行波管29、30和31GHz这三个频点分别进行功率扫描，记录各频点线性化行波管饱和点相对于小信号点的增益和相位压缩量，结果如图9(b)(d)(f)所示。
图9(a)-9(f)的显示结果综合为表4所示。表示29、30和31GHz行波管及线性化行波管的饱和输入功率及增益和相位压缩量，可以看出线性化行波管的可以改善增益以及大幅的降低相位压缩量。
表4
图10为线性化行波管C/IM3测试原理图。利用两台Keysight E8257D信号源，一台R&S FSW50频谱仪和一台Keysight N1914A功率计对行波管及线性化行波管进行双音测试，双音间隔选择5MHz，1和2分别表示先接功率计用两台信号源分别将行波管推饱和，然后两台信号源从各自的饱和点开始同时回退3～20dBm接频谱仪测C/IM3，测试结果如图12中标记的LTWT三条线所示。
图11为行波管C/IM3测试原理图。取下线性化器，重复上面的步骤，测试结果如图12中标记的TWT三条线所示。
图12为29，30，31GHz行波管及线性化行波管C/IM3与输入功率回退的关系图。图12的双音间隔5MHz时的测试结果表明，为了达到通信中C/IM3 25dB的要求，单独行波管在29、30、31GHz时需分别回退17、18、18dB，而加入线性化器后的行波管，只需分别回退12、9、8dB，也即加线性化器可改善5、9、10dB，极大地提升了行波管的线性度，具有重要工程应用价值。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种预失真线性化器，其特征在于包括：
第一分支线耦合器(5)，包括：第一输入端、第一耦合端和第一直通端，第一分支线耦合器(5)配置为经第一输入端输入信号后，从第一直通端直接输出信号，并且从第一耦合端输出与第一直通端等幅反向的信号；
第一非线性发生器(36)，第一直通端连接到所述第一非线性发生器(36)，第一非线性发生器(36)配置为产生幅度和相位同时呈扩张的曲线，并输出第一路信号；
第二非线性发生器(38)，第一耦合端连接到所述第二非线性发生器(38)，第二非线性发生器(38)配置为产生幅度和相位同时呈扩张的曲线，输出第二路信号；以及
功分器(39)，配置为对所述第一路信号和第二路信号进行合成，并输出合成后的信号。
2.根据权利要求1所述的预失真线性化器，其特征在于，还包括增益放大器，所述第一耦合端经增益放大器连接到所述第二非线性发生器(38)。
3.根据权利要求1所述的预失真线性化器，其特征在于，所述第一非线性发生器(36)包括第二分支线耦合器(15)和多个二极管，其中，
第二分支线耦合器(15)包括第二输入端、第二耦合端、第二直通端和第二隔离端；第二输入端连接到第一直通端，第二隔离端连接到所述功分器(39)，第二直通端和第二耦合端分别连接二极管；
第二分支线耦合器(15)配置为经第二输入端输入信号后，从第二直通端直接输出信号，并且从第二耦合端输出与第二直通端等幅反向的信号。
4.根据权利要求1所述的预失真线性化器，其特征在于，所述第二非线性发生器(36)包括第三分支线耦合器(31)和多个二极管，其中，
第三分支线耦合器(31)包括第三输入端、第三耦合端、第三直通端和第三隔离端；第三输入端连接到第一耦合端，第三隔离端连接到所述功分器(39)，第三直通端和第三耦合端分别连接二极管；
第三分支线耦合器(31)配置为经第三输入端输入信号后，从第三直通端直接输出信号，并且从第三耦合端输出与第三直通端等幅反向的信号。
5.根据权利要求1所述的预失真线性化器，其特征在于，还包括第一偏置电路和第二偏置电路，第一偏置电路和第二偏置电路分别连接到第一非线性发生器(36)和第二非线性发生器(38)，第一偏置电路和第二偏置电路配置为分别为第一非线性发生器(36)和第二非线性发生器(38)提供偏置电流和偏置电压，还配置为供微波信号传输，同时阻断微波信号源对直流信号源产生干扰。
6.根据权利要求1所述的预失真线性化器，其特征在于，还包括第一滤波器和第二滤波器，第一直通端经第一滤波器连接到第一非线性发生器(36)；第一耦合端经第二滤波器连接到第二非线性发生器(38)。
7.根据权利要求1所述的预失真线性化器，其特征在于，还包括第三滤波器和第四滤波器，第一非线性发生器(36)经第三滤波器连接到功分器(39)；第二非线性发生器(38)经第四滤波器连接到功分器(39)。
8.根据权利要求1所述的预失真线性化器，其特征在于，所述第一分支线耦合器(5)还包括第一隔离端，第一分支线耦合器(5)还配置为在第一耦合端和第一直通端没有接匹配负载时，在第一隔离端叠加输出信号。
9.一种对功率放大器进行线性化的方法，包括将权利要求1-8任一项所述的线性化器连接到所述功率放大器。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述功率放大器为毫米波行波管。
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