CN107124142A - 基于非线性器件的可调预失真器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于毫米波/亚毫米波功率放大器线性化的可调预失真器。该可调预失真器，利用冷模pHEMT管的非线性，产生失真信号；再通过预失真信号控制电路来调节信号失真程度；而且用并联结构的开关电路来实现预失真器的中心频率可调性，以此拓宽预失真器的带宽；并且冷模pHEMT管和并联结构的开关具有低插入损耗的特点。所以利用预失真信号产生电路和预失真信号控制电路组成的可调预失真器具有插入损耗低，结构简单，集成度高，频带宽的优点；通过仿真可以得出本发明能明显改善功率放大器的三阶交调分量(IMD3)。因此，本发明能集成在毫米波/亚毫米波功率放大器中，并具有极大的应用价值。

Description

基于非线性器件的可调预失真器
技术领域
本发明涉及微波功率放大器线性化技术领域，特别涉及一种基于非线性器件的可调预失真器，适用于毫米波功率放大器线性化技术领域。
背景技术
为了满足现代通信日益增长的业务需求，当前现代无线通信技术研究呈两大发展趋势。一方面，开展更高频率的无线通信研究，实现宽带大容量信息传输。另一方面，研究高效率多载波复杂数字调制技术，提高频谱利用率。为在有限的频谱范围内实现大容量高速数据传输，现代通信系统采用了复杂而高效的调制技术和多载波传输技术，这要求系统末级高功率放大器(HPA)具有高线性性能，以减少误码率和寄生干扰，特别是消除多载波系统中交调失真的影响。而在基于多载波复杂数字调制技术的通信系统中，末级功率放大器是系统中非线性最强的器件，其非线性失真对无线通信系统将产生诸多不良影响：失真使频谱扩展而干扰邻道信号并恶化误码率。
常用的功率放大器线性化技术主要有负反馈法，前馈技术及预失真技术。负反馈技术大多用在低频器件中，它容易影响放大器的稳定性，且有效带宽窄，在高频和微波频段，反馈环路的相移很难控制。前馈线性化技术理论上是一种较为理想的线性化技术，但系统中需要两个环路，辅助放大器、移相器、合成电桥以及相应的幅度衰减电路在毫米波频段难以得到精准控制，且造价昂贵；末级功率放大器后续电路(采样、移相、求和)额外损耗直接降低了系统最终输出功率。近年来，由于电路结构紧凑、工作频段高、工作频带宽、尺寸小、重量轻、集成性好、稳定度高等特点，预失真技术几乎已是微波高端、毫米波频段所采用的唯一线性化技术手段。
分析现有的预失真技术，插入损耗和带宽是主要的难点。中国台湾学者设计了一个工作在44GHz的内置预失真电路的功率放大器【Tsai J H,Chang H Y,Wu P S,et al.A44-GHz high-linearity MMIC medium power amplifier with a low-loss built-inlinearizer[C]//Microwave Symposium Digest,2005IEEE MTT-S International.IEEEXplore,2005:4pp.】。该结构如图1所示，利用HEMT管的非线性特性，在功放的栅极并联HEMT管作为预失真器件；具有结构简单，集成度高，插入损耗低的优点；但带宽窄，不具有可调性的不足之处。
针对上述内置预失真电路的功率放大器带宽窄的问题，在如图1的结构基础上加入并联结构的单刀单掷开关，实现预失真电路的可调性，从而解决了预失真电路的带宽问题；而且因为并联结构的开关电路的低插入损耗特性，所以不会引入大的插入损耗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是预失真电路工作在高频段时，频带过窄和插入损耗过大。除此之外，所发明的预失真结构简单，可以集成在毫米波功率放大器中。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该基于非线性器件的可调预失真器，包括预失真信号产生电路和预失真信号控制电路。所述的预失真信号产生电路主要由并联在功率放大器晶体管栅极的冷模(cold-mode)赝同晶高电子迁移率晶体管(pHEMT)构成，射频信号通过pHEMT管会产生与功率放大器非线性特性相反的失真信号，即随着输入功率的增加，出现增益扩张和相位压缩现象；所述预失真信号控制电路包括控制pHEMT管栅极和漏极电压和开关状态的电路组成，根据具体功率放大器非线性程度，调节控制电路的电压来可以调节预失真信号的特性，从而实现功率放大器的线性化。
进一步的是，所述的冷模(cold-mode)赝同晶高电子迁移率晶体管(pHEMT)，冷模(cold-mode)是指pHEMT管的漏源电压为零，此模式可以减少预失真电路带来的插入损耗；插入损耗小于2dB。
进一步的是，所述的pHEMT管的可以等效为电容Coff和电阻Roff串联后与可变电流源Ids并联的结构，其中可变电流源Ids可以等效为可变电阻Rds，而电容Coff和电阻Roff随输入功率的变化而变化量相对于漏源电阻Rds来说不大，所以假设电容Coff和电阻Roff为常数，而漏源电阻Rds随输入功率的增加而变大，继而得出射频信号通过pHEMT管会出现增益扩张和相位压缩现象。
进一步的是，所述开关电路是并联结构的单刀单掷开关(SPDT)，并联结构的开关具有低损耗的优点，因此不会引入大的插入损耗。
本发明的有益效果：本发明利用简单的单刀单掷开关(SPDT)，通过电压控制开关的开关两个状态来实现了预失真电路的可调性，结合实际系统需要来调节预失真器的中心频率，从而拓展了预失真器的带宽。由于采用并联结构的单刀单掷开关(SPDT)，所以在原结构的基础上，不会引入大的插入损耗。而且，本发明的预失真结构简单，可以集成在毫米波功率放大器中。
附图说明
图1是传统的模拟预失真电路原理图
图2是本发明的可调预失真电路原理图
图3是本发明的典型应用框图
图4是本发明工作在25-27GHz时，开关在“开”和“关”两种状态时，三阶交调(IMD3)仿真结果图。
图5是本发明工作在29-30GHz时，开关在“开”和“关”两种状态时，三阶交调(IMD3)仿真结果图。
图2中的标记说明：预失真信号产生电路(501)；预失真信号控制电路(502)；电阻(101)，(102)，(103)；电容(201)，(202)，(203)；赝同晶高电子迁移率晶体管(pHEMT)(301)，(302)；并联结构的单刀单掷开关(SPDT)(401)。
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2所示，本发明包括了预失真信号产生电路(501)和预失真信号控制电路(502)。其中所述预失真信号产生电路(501)由赝同晶高电子迁移率晶体管(pHEMT)(301)组成，射频信号经过pHEMT管(301)后，发生增益压缩，相位扩张的现象；该特性与固态功放的失真特性相反，所以达到线性化效果。预失真信号控制电路(502)由电阻(101)，(102)，(103)、电容(201)，(202)，(203)和pHEMT管(302)组成；电压Vc1可调节功放IMD3最小时对应的输出功率大小；电压Vg2保持与点Vg1电压一致，以实现pHEMT管(301)的漏源电压为零；电压Vc2控制单刀单掷开关的“开”与“关”两种状态，其中Vc2＝0V，单刀单掷开关处于“关”的状态，Vc2＝-5V，单刀单掷开关处于“开”的状态，控制两种状态，即可改变并入pHEMT管(301)源级的电容值大小，即可改变预失真器的频率，实现带宽的拓展。
在运用中，如图3所示，为了反映预失真器的效果，把本发明的结构集成在单级的功率放大器栅极处，综合考虑功率放大器的输入阻抗和预失真器的插入损耗，选择预失真信号产生电路中pHEMT管(301)的大小；主要考虑功率放大器的三阶交调(IMD3)分量作为线性化指标，调节电压Vc1的大小可以改变功放三阶交调(IMD3)最小时对应的输出功率的大小；并联在pHEMT管(301)漏极的电容容值决定预失真器的频率，通过调节电压Vc2的大小，切换开关的状态，就可以改变电容容值，所以拓展了预失真器的带宽。本发明可调预失真器的引入，会改变原功放的阻抗，所以需要重新匹配，具体说明如图3所示的结构图，可调预失真器会影响输入匹配，但不会影响输出匹配网络。本发明可调预失真器也可以应用于多级或功率合成功放中，作为匹配网络的一部分。
实施例
为了验证本发明的效果，基于WIN公司的PP15工艺，利用软件ADS仿真两个单级的功率放大器，其中一个是AB类的功放，另一个是在第一个功放的基础上加如本发明可调预失真电路；对两个功放进行双音信号(间隔100MHz)仿真，工作频率25-27GHz，得出如图4所示的结果图，观察图4可以得出，AB类功放的三阶交调(IMD3)和内置可调预失真的功放，在开关状态为“开”时一致；但当开关状态为“关”时，可以明显观察出三阶交调(IMD3)大幅改善，最大改善可达20dB。
工作频率29-30GHz，仿真结果图如图5所示，AB类功放的三阶交调(IMD3)和内置可调预失真的功放，在开关状态为“关”时一致；但当开关状态为“开”时，可以观察出三阶交调(IMD3)得到改善。
若单独观察内置可调预失真器的功放在“开”、“关”两种状态下的三阶交调(IMD3)；可以得出开关状态的切换，可以使可调预失真器的中心频率发生变化，有“开”状态下的29.5GHz到“关”状态下的26GHz。实证本发明的可调预失真器可以改变预失真器的中心频率，从而拓展预失真器的带宽。

Claims (2)

1.基于非线性器件的可调预失真器，所述可调预失真器包括预失真信号产生电路(401)和预失真控制电路(402)；在预失真工作时，射频信号通过pHEMT管(301)后，发生增益压缩，相位扩张的现象；通调节预失真控制电路(402)中的电压Vc1，Vc2的大小，则可以控制信号失真的程度及可调预失真器的中心频率。从而完成对功率放大器线性化的需求。
2.如权利要求1所述的基于非线性器件的可调预失真器，其特征在于：所述预失真控制电路(402)中包含一个并联结构的单刀单掷开关；通过电压Vc2就可以控制开关的状态，从而改变并联在pHEMT管(301)漏极的电容值大小；因此可以调节可调预失真器的中心频率，到达拓宽频带的效果。
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