CN106936394A - 大动态后失真低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种大动态后失真低噪声放大器，旨在提供一种结构简单、大动态、线性度好的后失真低噪声放大器，本发明通过下述技术方案予以实现：正交耦合器(5)通过射频输入口(1)与耦合端(3)端连接线交叉于隔离端(4)与直通端(2)的端连接线，并联于I、Q两路低噪声放大器(6、7)输入端之间，Q路低噪声放大器通过Q路(10)串联线性可调衰减器，I路低噪声放大器通过I路(11)，旁路并联二极管非线性电路，并与上述线性可调衰减器同向电连接功率合成器，共端通过射频输出口输出非线性得到改善的射频信号。本发明通过分别控制I、Q两路的变量就可以对低噪声放大器的增益和相位失真特性进行补偿，可调性更强，调整范围更广。

Description

大动态后失真低噪声放大器

技术领域

本发明涉及一种主要用于毫米波卫星通信多种无线通讯系统中的大动态后失真低噪声放大器。

背景技术

为了在有限的频谱范围内容纳更多的通信信道，并提高更高的数据传输率，当前的无线通信系统大多采用多载波，正交频分多址等技术，采用的信号也大多非恒定包络调制信号，这就导致系统的输出信号包络具有很高的峰均比，对系统的线性度提出了更高的要求，加上环境负责，干扰无处不在，接收系统中存在大量带内干扰和不同模块或发射机泄露引起的交调或互调信号，要在带内抵制各种干扰，必然要求使用高线性接收机，高线性接收机必然也要要求具有高线性度的低噪声放大器，因此，低噪声放大器的线性化技术的研究具有十分重要的意义。

在多种无线通讯系统中，微波接收机接收的信号或者干扰信号较大时，会造成接收机后级饱和，信号阻塞，所以需要大动态的低噪声放大器，既要噪声系数小，获得高灵敏度，又要具有较大输出动态，能线性放大较大的信号，保证输出信号的质量。射频接收机位于无线通信系统的前端，其结构和性能直接影响整个通信系统，无论采用超外差式接收机结构还是采用零中频接收机结构，也无论采用直接序列(DS-CDMA)还是多带OFDM技术标准，低噪声放大器都是接收机前端的一个重要组成部分，直接影响整个接收机的性能。

目前，功率放大器的线性化技术主要有负反馈法、前馈法、预失真线性化等技术，他们各有优缺点，但是毫米波频段应用最多的是模拟预失真技术，其具有结构简单、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。但是低噪声放大器与普通的功率放大器不同，由于低噪声放大器位于接收机前端，必须同时满足多个性能要求，最主要的是要引入足够低的噪声，那么传统的预失真技术是在功放之前加入与功放的非线性特性相反的非线性电路，然而这会引入一定噪声，降低接收机的灵敏度。毫米波的典型特点是波长短、频带宽以及与大气物质的相互作用明显。它的优点、缺点及典型应用都与这三个特征有关。波长短有利于降低部件、系统的体积和重量；而在同样口径的天线下，波长短能实现窄波束，低仰角跟踪并能抑制杂波于扰；另一方面，波长短也使天线增益提高，可以有效的降低系统发射功率要求。但低噪声放大器的增益过高会影响整个接收机的动态范围。频带宽则能处理高信息率；并能提高距离分辨率从而利于跟踪和识别；还能够容许大量系统在此频带内工作而不会相互干扰。但是在宽频带情况下难于获得极低噪音。工作频带不仅是指功率增益满足平坦度要求的频带范围，而且还要求全频带内噪音要满足要求，并给出各频点的噪音系数。频带内功率增益随频率变化曲线是向右下倾斜，因而末级放大增益特性曲线必须向右上倾斜才能弥补整个放大器增益的不平度。如果增益不平度较大，而且末级还要照顾到驻波比指标，这就需要两级甚至三级才能校正前级增益的下跌倾斜。在毫米波频段，电磁能量在大气中传播时与大气中气体、悬浮微粒以及含水物质的相互作用要比它们与微波能量的相互作用强得多，因毫米波系统的噪声系数基本上取决于前级放大器的噪声系数，所以低噪声放大器是接收系统中相当重要的部件。低噪声放大器在任何微波接收系统中都处于前端位置，这是因为微波系统的噪声系数基本上取决于前端放大器的噪声系数，该有源电路的性能对整个接收系统至关重要。如果在接收系统的前端连接高性能的低噪声放大器，在低噪声放大器增益足够大的情况下，就能够抑制后级电路的噪声，则整个接收机系统的噪声将主要取决于放大器的噪声。如果低噪声放大器的噪声系数降低，接收机系统的噪声系数也会变小，信噪比得到改善，灵敏度大大提高。由此可见毫米波低噪声放大器的性能制约了整个接收系统的性能，对于整个接收系统技术水平的提高，也起了决定性的作用。低噪声放大器通常位于接收机的第1级,面临包含各种噪声的微弱信号,必须有足够低的噪声系数,同时提供适当的增益,才能保证信号的正确接收。毫米波低噪声放大器作为毫米波接收系统的重要部件是系统高灵敏度的保证，此外对于星载接收系统在保证低噪声系数的同时还要确保高可靠性因此对放大器的气密性方面也有很高的要求。通常毫米波低噪声放大器采用PHEMT低噪声放大器芯片来实现。低噪声放大器的设计涉及许多电路设计的线性理论(如噪声性能)和非线性理论。国内针对毫米波低噪声放大器的线性化技术还未见公开报道，提高低噪声放大器的线性度，可以使低噪声放大器具有较大的输入动态，同时能线性地放大信号，保证信号的输出质量由于低噪声放大器位于接收机的前端，要保证接收机的噪声系数，传统的功放线性化电路在调整时幅度和相位同时改变，线性化电路会在低噪声放大器前引入噪声，会影响系统的噪声系数。低噪声放大器(LNA)的动态范围定义有以下两个方面:</P><P>1、ATT动态范围,</P><P>具有ATT功能的LNA，动态范围是指ATT衰减最大和最小时LNA增益的差值，也就是ATT的最大</P><P>衰减量。例如LNA的最大增益为60dB，ATT衰减量最小时该LNA为满增益60dB，若当ATT衰减</P><P>量最大时该LNA增益为35dB，则该LNA的ATT动态范围是:60-35＝25dB；</P><P>2、AGC动态范围</P><P>具有AGC功能的LNA，动态范围是保证输出信号功率不变时所对应的输入信号的功率电平</P><P>范围。<P>动态范围是一个系统指标,要结合着低噪放后面的放大\下变频,以及中频的调制解调来确定，是接收机在满足一定误码率的前提下,输入射频信号最大值和最小值间的范围。从一般意义上理解动态范围，就是一个器件能够接收的最大输入信号，减去能够接收的最小输入信号。动态范围的下限取决于噪声性能。动态范围的上限受非线性指标限制，要在系统测.</P><P>单测低噪放只能测噪声系数\线形\平坦度等,这些指标都影响系统动态范围。为了获得工作频带内平坦增益特性，在输入匹配电路和输出匹配电路都是无耗电抗性电路情况下，只能采用低频段失配的方法来压低增益，以保持带内增益平坦，因此端口驻波比必然是随着频率降低而升。由于大量的民用短波广播共同形成了一个复杂的电磁环境,其首要一个特点就是信号密集,通信信号强度差别巨大。为了使通信系统中的天线共用器能适应的复杂电磁环境,现有技术利用大功率的MOSFET晶体管,采用平衡放大结构,并通过计算机仿真软件优化设计一个全频段的低噪声、大动态的短波放大器。此放大器的噪声系数虽然小于2.5(1030MHz),增益大于18dB。但输入二阶截点指标在1730MHz之间不够70dBm。,

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、可调性强，调整范围更广，能够显著提高线性化效果，适用于毫米波频段的大动态后失真低噪声放大器，以突破毫米波低噪声放大器的线性化技术的瓶颈。

本发明的上述目的可以通过以下措施来实现，一种大动态后失真低噪声放大器，包括，正交耦合器大动态后失真的正交耦合器5、Q路低噪声放大器6和I路低噪声放大器7，其特征在于，正交耦合器5通过射频输入口1与耦合端3端连接线交叉于隔离端4与直通端2的端连接线，并联于I、Q两路低噪声放大器LNA6、7输入端之间，Q路低噪声放大器7通过Q路10串联线性可调衰减器9，I路低噪声放大器(6)通过I路11，旁路并联二极管非线性电路8，并与上述线性可调衰减器(9)同向电连接功率合成器12，共端通过射频输出口13输出非线性得到改善的射频信号。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

结构简单、成本低。本发明采用正交耦合器大动态后失真正交耦合器5、Q路低噪声放大器6、I路低噪声放大器7、二极管非线性电路(8)、线性可调衰减器9和功率合成器12组成低噪声大动态放大器，元器件数量少，结构简单、成本低。

频带宽、动态大。本发明针对传统的线性化电路会在低噪声放大器前引入噪声，会影响系统的噪声系数的问题，将射频输入信号从正交耦合器的输入端进入，通过正交耦合器输出正交的两路信号，分别进入两个低噪声放大器，其中I路低噪放6后接二极管非线性电路，二极管非线性电路8中二极管后接一段高阻线可以抵消掉二极管的电抗分量，使得二极管只产生幅度的失真，相位不失真，通过控制二极管的电压可以得到不同的幅度失真量；Q路低噪声放大器(7)后接线性可调衰减器(9)，通过控制衰减器的衰减量，使其幅度远小于I路信号幅度，输出一个幅度可控的信号，其主要控制整个电路的相位特性。功率合成器(12)将上述两路正交信号合成后通过射频输出端(13)输出一个幅度相位分别可以控制的信号。采用正交电路的形式，低噪声放大器输出功率可以增大3dB，可以增加接收机输入动态范围。

可调性强。本发明采用I路低噪声放大器6后接二极管非线性电路8，构成低噪声放大器的后失真电路构成新型的后失真线性化电路，二极管加入直流电压，可以调整其非线性状态，同时在二极管后加入一段高阻线，抵消掉二极管的电抗分量，那么低噪声放大器6经过二极管线性化电路8后，幅度将得到补偿，相位特性不变，并且幅度补偿特性可通过直流电压调整；Q路低噪声放大器7后接一个线性可调衰减器9，衰减器控制Q路低噪声放大器7的幅度，由于衰减器为线性的，只产生幅度的变化，相位不发生变化；两路信号经过功率合成器12合成输出，两路信号相位相差90度，由矢量叠加原理可以得到合成输出的信号幅度和相位同时得到补偿，其中幅度主要有I路二极管的直流电压来调整，相位由Q路的衰减器来调整，这样可以使幅度和相位分别可调来达到低噪声放大器的线性化目的。

调整范围更广。本发明针对传统的功放线性化电路在调整时幅度和相位同时改变的问题，采用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11的低噪声放大器6，再通过二极管线性化电路(8)后得到非线性状态的相位不失真，幅度失真的分量来补偿低噪声放大器的幅度失真特性，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12的低噪声放大器7，再通过线性可调衰减器9的衰减值来改变信号的幅度，使Q路12幅度远小于I路11幅度，输出一个幅度可控的信号；功率合成器(12)将上述两路输入合成输出13，同时对幅度和相位失真信号进行补偿，并且增益和相位特性分别可调。I路的二极管非线性电路8补偿低噪声放大器6的幅度失真，相位特性不变，Q路线性衰减器9控制低噪声放大器9的信号幅度，通过调整衰减量，使Q路的信号幅度远小于I的信号幅度，那么经过功率合成器之后，Q路对I路的幅度影响可以忽略不计，即电路的增益特性主要由I路决定，而I路的增益特性主要由二极管非线性电路8决定，即系统的增益补偿特性主要由二极管非线性电路8的直流电压决定；由于I路引入二极管非线性电路8后低噪放的增益特性得到补偿，Q路低噪声放大器7的增益特性随着输入功率增加表现为压缩特性，那么经过功率合成器8之后，由矢量叠加原理可知相位就表现为压缩特性，可以补偿低噪声放大器的相位失真特性，并且Q路幅度的细小变化对电路的相位影响甚大，所以尽管Q路幅度相比I路幅度很小，但是Q路幅度的微小变化都能影响相位的变化，故通过调整线性可调衰减器9的衰减量就可以控制系统的相位补偿特性。Q路低噪声放大器6和I路低噪声放大器7采用平衡放大结构，输出功率增加3dB，使得接收的输入功率范围可以增大3dB，加大了接收机输入的动态范围,这样通过分别控制I、Q两路的变量就可以对低噪声放大器的增益和相位失真特性进行补偿，可调性更强，调整范围更广。

能够显著提高线性化效果。本发明将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进入其中一个低噪声放大器6，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进入另一个低噪声放大器7；低噪声放大器6后接二极管非线性电路，通过二极管后的高阻线可以产生一个相位不失真，增益扩张特性的信号；低噪声放大器7后接线性可调衰减器，输出相位不变，幅度可控的信号；上述两路信号通过功率合成器12输出，构成一个幅度和相位分别可调的大动态后失真的低噪声放大器。采用的正交电路形式增加低噪放的动态范围，可以使电路的幅度和相位特性分别可调，可以根据低噪放的非线性特性调整进行补偿，达到更好的线性化效果，既增加了低噪声放大器的接受动态范围，同时突破了低噪声放大器的线性化技术，并创造性地使得线性化器的增益和相位特性分别可调，分别对低噪声放大器的增益和相位失真进行补偿，可调范围更广，显著提高了线性化技术的效果，突破了毫米波低噪声放大器的线性化技术的瓶颈。

附图说明

图1是本发明大动态后失真低噪声放大器的电路原理框图。

图2是图1的I路后失真电路原理示意图。

图3是图1的Q路电路原理示意图。

图中：1射频输入口(正交耦合器输入端)，2直通端，3耦合端，4隔离端，5正交耦合器，6Q路低噪声放大器，7I路低噪声放大器，8二极管非线性电路，9线性可调衰减器，10Q路，11I路，12功率合成器，13射频输出口。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

在图1中，大动态后失真低噪声放大器，主要包括：正交耦合器5、低噪声放大器、二极管非线性电路8、线性可调衰减器9和功率合成器12，其中，正交耦合器5通过射频输入口1与耦合端3端连接线交叉于隔离端4与直通端2的端连接线，并联于I、Q两路低噪声放大器LNA6、7输入端之间，Q路低噪声放大器7通过Q路10串联线性可调衰减器9，I路低噪声放大器6通过I路11，旁路并联二极管非线性电路(8)，并与上述线性可调衰减器9同向电连接功率合成器12，共端通过射频输出口13输出非线性得到改善的射频信号；射频输入信号从正交耦合器5的输入端进入，通过正交耦合器5输出I、Q两路正交信号，I、Q两路正交信号分别进入两个低噪声放大器，其中I路低噪放6通过二极管非线性电路8中的二极管电连接一段抵消二极管的电抗分量的高阻线，控制二极管的直流电压补偿低噪声放大器6的幅度失真,获得不同的幅度失真量，调整其二极管非线性电路8非线性状态；Q路低噪声放大器(7)通过线性可调衰减器(9)控制Q路低噪声放大器7的信号幅度和衰减器的衰减量，输出一个远小于I路信号幅度的幅度可控信号，I、Q两路信号经功率合成器12矢量叠加对低噪声放大器的增益和相位失真特性进行补偿,经合成输出至射频输出端13，输出一个幅度相位可控制的信号。

为保证I、Q两路相位相同，I、Q上下两路经过二极管线性化电路和线性可调衰减器都不会产生相位失真，使其中一路传输线的长度可调，设输入正交耦合器(5)的射频信号为I路为Q路为那么，功率合成器12合成输出为合成输出的幅度为

合成输出的相位为：

式中：a为输入信号的幅度，A为I路输出信号的幅度，B为Q路输出信号的幅度，C为合成信号输出的幅度，Φ为I、Q两路信号的输出信号相位，θ为合成输出的信号相位。

由前面的分析可知，I路信号的幅度A的变化如图2所示的G，通过调整二极管线性化电路的二极管的直流电源可以补偿I路低噪声放大器6的幅度失真，而Q路的幅度B的变化如图3所示的G，Q路幅度失真由低噪声放大器7引入，通过调整衰减器9的衰减量，使B的幅度远小于A的幅度，那么合成输出信号的幅度C的变化与A的一致，即输出的增益变化与I路一致，补偿系统的幅度失真；而合成输出的相位(2)式，由于B随输入功率增加而减小，而A随输入功率增加不变，那么合成输出信号的相位则随输入功率而下降，具有增益压缩特性，刚好可以补偿系统的相位扩张特性。

当Q路的衰减值取很大时，B相比于A已经很小，那么合成输出的信号幅度主要取决于A的变化，通过调整I路11并联二极管的直流电压可以得到不同的增益变化特性；而合成输出的信号相位，因为B相比于A很小，那么合成输出的信号相位主要取决于B的变化，通过调整Q路衰减值可以改变输出端的相位压缩特性。这样分别调整I、Q上下两路可以实现增益和相位分别可调，有利于根据功放非线性特性进行恰当的补偿。

参阅图2。I路11后失真电路由串联在I路11的低噪声放大器6和并联在I路11与地之间的二极管线性化电路8组成，二极管线性化电路接一段可以抵消掉电抗分量，使信号经过二极管线性化电路只产生幅度失真，补偿掉低噪声放大器的幅度失真的高阻线，图2所示Φ为信号的相位变化、G为信号的增压变化。

参阅图3。Q路电路由串联在Q路10上的Q路低噪声放大器7和线性可调衰减器9组成，Q路信号经过线性可调衰减器9只有幅度的变化，相位不发生变化，图3所示Φ为信号的相位变化、G为信号的增压变化。

Claims (10)

1.一种大动态后失真低噪声放大器，包括，正交耦合器大动态后失真的正交耦合器(5)、Q路低噪声放大器(6)和I路低噪声放大器(7)，其特征在于，正交耦合器(5)通过射频输入口(1)与耦合端(3)端连接线交叉于隔离端(4)与直通端(2)的端连接线，并联于I、Q两路低噪声放大器LNA(6、7)输入端之间，Q路低噪声放大器通过Q路(10)串联线性可调衰减器(9)，I路低噪声放大器(6)通过I路(11)，旁路并联二极管非线性电路(8)，并与上述线性可调衰减器(9)同向电连接功率合成器(12)，共端通过射频输出口13输出非线性得到改善的射频信号。

2.如权利要求1所述的大动态后失真低噪声放大器，其特征在于：射频输入信号从正交耦合器(5)的输入端进入，通过正交耦合器(5)输出I、Q两路正交信号，I、Q两路正交信号分别进入两个低噪声放大器，其中I路低噪放(6)通过二极管非线性电路(8)中的二极管电连接一段抵消二极管的电抗分量的高阻线，控制二极管的直流电压补偿低噪声放大器6的幅度失真,获得不同的幅度失真量。

3.如权利要求1所述的大动态后失真低噪声放大器，其特征在于：调整其二极管非线性电路(8)非线性状态；Q路低噪声放大器(7)通过线性可调衰减器(9)控制Q路低噪声放大器(7)的信号幅度和衰减器的衰减量，输出一个远小于I路信号幅度的幅度可控信号，I、Q两路信号经功率合成器(12)矢量叠加对低噪声放大器的增益和相位失真特性进行补偿,经合成输出至射频输出端(13)，输出一个幅度相位可控制的信号。

4.如权利要求1所述的大动态后失真低噪声放大器，其特征在于：为保证I、Q两路相位相同，I、Q上下两路经过二极管线性化电路和线性可调衰减器都不会产生相位失真，使其中一路传输线的长度可调，设输入正交耦合器(5)的射频信号为I路为Q路为则功率合成器(12)合成输出为合成输出的幅度为

$\left|\stackrel{\&RightArrow;}{C}\right|=\sqrt{A^2+B^2}---\left(1\right)$

合成输出的相位为：

式中：a为输入信号的幅度，A为I路输出信号的幅度，B为Q路输出信号的幅度，C为合成信号输出的幅度，Φ为I、Q两路信号的输出信号相位，θ为合成输出的信号相位。

5.如权利要求1所述的大动态后失真低噪声放大器，其特征在于：当Q路的衰减值取很大时，B相比于A已很小，则合成输出的信号幅度主要取决于A的变化。

6.如权利要求1所述的大动态后失真低噪声放大器，其特征在于：调整I路(11)并联二极管的直流电压得到不同的增益变化特性。

7.如权利要求1所述的大动态后失真低噪声放大器，其特征在于：合成输出的信号相位，B相比于A很小，则合成输出的信号相位主要取决于B的变化。

8.如权利要求1所述的大动态后失真低噪声放大器，其特征在于：调整Q路衰减值改变输出端的相位压缩特性。

9.如权利要求1所述的大动态后失真低噪声放大器，其特征在于：分别调整I、Q上下两路实现增益和相位分别可调。

10.如权利要求1所述的大动态后失真低噪声放大器，其特征在于：I路(11)后失真电路由串联在I路(11)的低噪声放大器(6)和并联在I路(11)与地之间的二极管线性化电路(8)组成，二极管线性化电路接一段可以抵消掉电抗分量，使信号经过二极管线性化电路只产生幅度失真，补偿掉低噪声放大器的幅度失真的高阻线；Q路电路10由串联在Q路(10)上的Q路低噪声放大器(7)和线性可调衰减器(9)组成，Q路信号经过线性可调衰减器(9)只有幅度的变化，相位不发生变化。