CN107276541B - 可变矢量混合叠加式预失真线性化方法 - Google Patents

可变矢量混合叠加式预失真线性化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于改善微波毫米波固态功率放大器线性度的可变矢量混合叠加式预失真线性化方法。该可变矢量混合叠加式预失真线性化方法在传统二极管反射式预失真线性化工作机理基础上，利用可变矢量混合叠加原理，产生随输入功率增加增益扩张而相位压缩的效果，并具有良好的端口驻波，实现在微波毫米波宽频带内补偿固态功率放大器非线性失真的目的。本发明克服了传统反射式模拟预失真技术只能产生随输入功率增加而相位扩张并只适用于线性化行波管功率放大器的缺点，突破了反射式预失真电路带宽的限制；本发明具有结构新颖、简单紧凑、易于加工装配等优点，适合在微波毫米波预失真线性化技术领域推广应用。

Description

可变矢量混合叠加式预失真线性化方法
技术领域
本发明涉及微波毫米波线性化技术领域，具体涉及一种适用于微波毫米波固态功率放大器的可变矢量混合叠加式预失真线性化方法。
背景技术
现代无线通信系统的发展方向是多用户、大容量、更高的信号传输率的高质量通信，使得具有更宽工作频带和更高信息容量的微波通信系统受到日益关注。当前微波通信系统多采用宽带、多载波、复杂数字调制技术，这类调制方式对信道的线性提出了极高的要求，而发射机微波功率放大器是影响信道线性的主要因素。在微波通信系统中，为达到低系统成本和高效率目的，更大程度地发挥系统末级功率放大器性能，末级功率放大器往往要求工作于强非线性状态，因此为了使微波功率放大器在具有足够的输出功率和较高效率的前提下仍具有极高的线性度，则必须采用线性化补偿技术，使功率放大器的输出线性化。
在以前的知识的基础上，我们知道微波功率放大器一般要求最大输出功率，这就要求其工作在饱和状态，便会产生非线性失真，其中非线性失真包括非线性幅度失真和非线性相位失真。预失真线性化技术就是针对功率放大器非线性失真特点，产生与功率放大器增益幅度和相位失真相反的非线性信号，与功率放大器本身的非线性进行抵消，得到线性高功率的输出。常用的线性化技术有以下几种，功率回退法、负反馈法、前馈法、预失真法。功率回退法具有简单，方便等优点，但其代价高，成本大。负反馈法物理概念清楚和电路实现简单等优点，但三节交调改善量有限，稳定性差。前馈法具有宽频带，三阶交调改善大等优点，但其成本高，电路复杂。预失真技术方法与其他方法相比，能够完成功放的线性补偿，并且具有电路结构简单、易于采用常规微波毫米波集成电路工艺实现等优点，使其成为了微波毫米波系统线性化技术研究的热点之一，肖特基势垒二极管是构造预失真电路最常用的微波非线性器件。
在现有的微波非线性器件预失真研究技术中，较为传统的电路结构有传输式预失真器和反射式预失真器。传输式预失真电路主要由并联非线性二极管电路实现，具有对固态功率放大器线性化的效果，但该线性化器工作带宽窄、小信号增益平坦度差(见文献：K.Yamauchi and K.mori,“A MICROWAVE MINIATURIZED LINEARIZER USING A PARALLELDIODE”,IEEE Conference Publications,1997,3:1199-1202)。而传统反射式预失真线性化电路，只能实现对行波管式放大器非线性预失真线性化，并具有工作频带窄的缺点(见文献：Liu Jie,Zhang Hua-Dong and li zeng-liang,“A novel two-branch predistortionlinearizer of Ku band TWTA in communication applications”,IET ConferencePublications,2015,1-3)。因此，现有传统预失真线性化技术主要技术缺陷是：一、传统的反射式预失真线性化器只能对行波管功率放大器产生预失真效果，而不能对固态功率放大器产生预失真效果；二、当频率发生改变的时候，传统的预失真线性化器中的非线性器件的特性也会发生改变，因此传统的预失真线性化器的带宽一般都很窄；三、传统的预失真线性化器在输入信号为小信号时，其增益浮动较大，带内增益平坦度较差。
针对传统预失真线性化器的以上缺陷，本发明提出了可变矢量混合叠加式预失真线性化方法。该方法先是利用非线性信号发生电路产生随输入功率的增加，增益压缩，相位扩张的非线性信号，再与主通路信号进行矢量叠加，产生随输入功率增加，增益扩张，相位压缩的信号，能够适用于固态功率放大器。同时，本发明采取平衡电路结构来改善驻波与拓宽带宽；并利用反射和矢量叠加原理，减小非线性器件等效电阻随频率变化的影响，提高了工作带内增益平坦度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于固态功率放大器的可变矢量混合叠加式预失真线性化方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
可变矢量混合叠加式预失真线性化方法，包括如下步骤：
步骤一、设置四个90°3dB电桥用于非线性矢量分配合成，每个90°3dB电桥有四个端口；
输入信号通过第一90°3dB电桥401的1端口馈入，第一90°3dB电桥401的2端口加入第一匹配负载201，第一90°3dB电桥401的3端口与第三90°dB电桥403的1端口相连，第一90°3dB电桥401的4端口与第四90°3dB电桥404的1端口相连；
第三90°dB电桥403的3端口与第一非线性信号发生电路1相连，第四90°3dB电桥404的3端口与第二非线性信号发生电路2相连；
第三90°dB电桥403的4端口与第一可变矢量产生支路3相连，第三90°dB电桥403的2端口与第二90°3dB电桥402的3端口相连；
第四90°3dB电桥404的4端口与第二可变矢量产生支路4相连，第四90°3dB电桥404的2端口与第二90°3dB电桥402的4端口相连；
第二90°3dB电桥402的1端口加入第二匹配负载202，第二90°3dB电桥402的2端口输出信号；
其中第一非线性信号发生电路1和第二非线性信号发生电路2是两个相同的反射式非线性信号可变矢量发生支路，用于产生两路相同的非线性预失真信号；
第一可变矢量产生支路3和第二可变矢量产生支路4是两个相同的矢量产生支路，用于产生两路相同的矢量；
步骤二、输入信号经第一90°3dB电桥401的1端口馈入，产生两路相位差90°幅度相等的信号并由第一90°3dB电桥401的3端口输出到第三90°3dB电桥403的1端口和由第一90°3dB电桥401的4端口输出到第四90°3dB电桥404的1端口；
步骤三、第三90°3dB电桥4031端口输入的信号经过第三90°3dB电桥403的3端口输出到第一非线性信号发生电路1和经过第三90°3dB电桥403的4端口输出到第一可变矢量产生支路3，第一非线性信号发生电路1接收信号并反射回第三90°3dB电桥403的3端口，第一可变矢量产生支路3接收信号并反射回第三90°3dB电桥403的4端口，第三90°3dB电桥403的3端口和4端口反射回的信号进行合成后从2端口输出；
第四90°3dB电桥4041端口输入的信号经过第四90°3dB电桥404的3端口输出到第二非线性信号发生电路2和经过第四90°3dB电桥404的4端口输出到第二可变矢量产生支路4，第二非线性信号发生电路2接收信号并反射回第四90°3dB电桥404的3端口，第二可变矢量产生支路4接收信号并反射回第四90°3dB电桥404的4端口，第四90°3dB电桥404的3端口和4端口反射回的信号进行合成后从2端口输出；
输入信号为低功率信号时，通过调整第一非线性信号发生电路1、第二非线性信号发生电路2、第一可变矢量产生支路3和第二可变矢量产生支路4使得第三90°3dB电桥403的3端口和4端口反射回的信号相位相差180°、第四90°3dB电桥404的3端口和4端口反射回的信号相位相差180°；
输入信号功率增加时，第一非线性信号发生电路1和第二非线性信号发生电路2反射的信号随着输入信号功率的增加而压缩增益和扩张相位，使得第三90°3dB电桥403和第四90°3dB电桥4042端口合成的信号随着输入信号功率的增加而扩张增益和压缩相位；
步骤四、第三90°3dB电桥4032端口的输出信号和第四90°3dB电桥4042端口的输出信号经过第二90°3dB电桥402后获得输出信号。
具体的，所述第一非线性信号发生电路1包括第一非线性器件101、第一电容501、第一高频扼流圈601、第二高频扼流圈602、第一电阻701、第一电压源801、第一开路负载301、第一传输线901，第一高频扼流圈601一端接地，另一端连接第一开路负载301和第一非线性器件101一端；第二高频扼流圈602一端连接第一非线性器件101的另一端和第一传输线901的一端，其另一端通过第一电阻701连接第一电压源801；第一电容501一端连接第一传输线901的另一端，其另一端连接所述第一非线性信号发生电路1的输入信号并输出所述第一非线性信号发生电路1的输出信号；第一非线性器件101受控于由第一非线性器件101、第一高频扼流圈601、第二高频扼流圈602、第一电阻701、第一电压源801依次连接而成的直流偏置控制电路。
非线性信号可变矢量发生支路2与非线性信号可变矢量发生支路1的电路结构、工作原理、对应元件值相同，具有相同的作用和效果。
矢量产生支路3用来设置非线性信号与主通路信号的相位差；由第三开路负载303组成。矢量产生支路4与矢量产生支路3的电路结构、工作原理、对应元件值相同，具有相同的作用和效果。
该可变矢量混合叠加式预失真线性化方法在传统二极管反射式预失真线性化工作机理基础上，利用可变矢量混合叠加原理，产生随输入功率增加增益扩张而相位压缩的效果，并具有良好的端口驻波，实现在微波毫米波宽频带内补偿固态功率放大器非线性失真的目的。
进一步的是，增益扩张和相位压缩均是通过矢量叠加原理来实现的。非线性信号发生电路产生的是随输入功率的增加，增益压缩，相位扩张的信号。通过恰当的选择第一开路负载(301)、第二开路负载(302)、第三开路负载(303)、第四开路负载(304)的值和第一传输线(901)、第二传输线(902)的长度，使在低输入功率时，非线性支路信号与主通路信号相位相差180°，不过随着输入功率的增加，这个非线性信号随着输入功率的增加增益会下降，相位会扩张，其合成矢量会如图1所示的那样形成。从而形成随输入功率的增加，增益扩张，相位压缩的曲线。
进一步的是，由电路结构图2可知：输入信号通过第一90°3dB电桥(401)的1端口馈入，2端口加入第一匹配负载(201)，第一90°3dB电桥(401)的3端口和4端口分别与第三90°dB电桥(403)和第四90°3dB电桥(404)的1端口相连，第三90°dB电桥(403)和第四90°3dB电桥(404)的3端口分别与非线性信号发生电路(1)、(2)相连。第三90°dB电桥(403)和第四90°3dB电桥(404)的4端口分别与可变矢量产生支路(3)、(4)相连，2端口与第二90°3dB电桥(402)的3、4端口相连，第二90°3dB电桥(402)的1端口加入第二匹配负载(202)，2端口输出信号。
进一步的是，非线性信号可变矢量发生电路(1)产生一个随输入功率增加增益压缩，相位扩张的信号，用来与第三90°3dB电桥(403)的4端口反射回来的矢量信号在第二90°3dB电桥(402)的3端口进行合成。非线性信号发生电路(1)是由第一高频扼流圈(601)、非线性器件(101)、第二高频扼流圈(602)、第一电阻(701)、第一电压源(801)依次连接而成。非线性信号可变矢量发生支路(2)与非线性信号可变矢量发生支路(1)的电路结构、工作原理、对应元件值相同，具有相同的作用和效果。
进一步的是，矢量产生支路(3)通过改变第三开路负载(303)的值来调节非线性信号与主通路信号的相位差；由第三开路负载(303)组成。矢量产生支路(4)与矢量产生支路(3)的电路结构、工作原理、对应元件值相同，具有相同的作用和效果。
与现有的技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明所述的可变矢量混合叠加式预失真线性化器相比于并联二极管模拟预失真线性化器，AM-AM失真和AM-PM失真改善程度要更好一些，输入输出端口驻波要更好一些。
2、本发明述的可变矢量混合叠加式预失真线性化器相比于传统反射式预失真线性化器，能够对固态功率放大器产生预失真效果。
3、本发明所述的可变矢量混合叠加式预失真线性化器，采用平衡电路式的结构，成功地克服了单路电路输入/输出端口驻波差，带宽窄等缺点，实现了宽带预失真线性化功能，提高了电路端口驻波性能和带内平坦度性能。
4、同时，本发明所述的可变矢量混合叠加式预失真线性化器，具有结构新颖、简单紧凑、易于加工等优点，适合在微波线性化技术领域推广应用。
附图说明
图1是本发明可变矢量混合叠加式预失真线性化器的矢量合成原理图；
图2是本发明可变矢量混合叠加式预失真线性化器的结构示意图；
图3是由本发明实施例1得到的幅度预失真曲线图；
图4是由本发明实施例1得到的相位预失真曲线图；
图5是由本发明实施例2得到的幅度预失真曲线图；
图6是由本发明实施例2得到的相位预失真曲线图；
图7是由本发明实施例1得到的可变矢量混合叠加式预失真线性化器在不同偏置电压条件下的S(1,1)曲线图；
图8由本发明实施例2得到的可变矢量混合叠加式预失真线性化器在确定偏置电压与输入功率条件下的S(1,1)曲线图；
其中，图3至图6中的增益是指输出信号幅度对比输入信号幅度增加的程度，相位差是指输出信号相位对比输入信号相位的改变程度。图7至图8的S(1,1)是指输入端口的回波损耗。
图中标记说明：第一非线性器件(101)、第二非线性器件(102)、射频信号输入端口(in)、射频信号输出端口(out)、第一匹配负载(201)、第二匹配负载(202)、第一开路负载(301)、第二开路负载(302)、第三开路负载(303)、第四开路负载(304)、第一90°3dB电桥(401)、第二90°3dB电桥(402)、第三90°3dB电桥(403)、第四90°3dB电桥(404)、第一电容(501)、第二电容(502)、第一高频扼流圈(601)、第二高频扼流圈(602)、第三高频扼流圈(603)、第四高频扼流圈(604)、第一电阻(701)、第二电阻(702)、第一电压源(801)、第二电压源(802)、第一传输线(901)、第二传输线(902)。
具体实施方式
实施例
在该实施例中，可变矢量混合叠加式预失真线性化器的工作频率为13GHz～16GHz，处于Ku波段。实例中，非线性器件肖特基势垒二极管采用MACOM公司的MA4E2037，基片采用Rogers RT/duroid 5880，厚度为0.254毫米，传输线和开路负载均为50欧姆微带线，宽度0.76mm。Freq代表实施的工作频率，V1为第一电压源(801)、第二电压源(802)输出的电压值，R1为第一电阻(701)、第二电阻(702)的阻值。
实施例1
当Freq＝14GHz，R1＝1000Ω，V1＝1V～2.5V时，可以得到如图3所示的幅度预失真曲线和如图4所示的相位预失真曲线。如图7所示，在14GHz附近的时候，整个可变矢量混合叠加式预失真线性化器有着最好的驻波，S11在-30dB以下；输入功率在﹣30dBm～﹢20dBm变化范围内，预失真器的传输系数幅度呈非线性增加，增加范围为7dB～8.7dB；预失真器的传输系数相位呈非线性压缩，变化范围为-17°～-66°。该实例表明在一定的偏置条件下，该可变矢量混合叠加式预失真线性化器能够产生随输入功率增加增益扩张，相位压缩的预失真效果。能够满足固态功率放大器预失真需求，同时本实例表明该可变矢量混合叠加式预失真线性化器能够产生较好的预失真特性。
实施例2
当Freq＝13GHz～16GHz，V1＝1V，R1＝1000Ω，可以得到如图5所示的幅度预失真曲线和如图6所示的相位预失真曲线。由图可见，在13GHz-16GHz的频段范围内，输入功率在﹣30dBm～﹢20dBm变化范围内，可变矢量混合叠加式预失真线性化器的传输系数幅度呈非线性增加，增加范围为6.9dB～8.7dB；预失真器的传输系数相位呈非线性压缩，变化范围为-17°～-44°；如图8所示，在13GHz～16GHz的频段范围内，其S11小于-13dB。该实例表示在一定的偏置条件下，该可变矢量混合叠加式预失真线性化器能够在相对比较宽的频带下产生随输入功率增加增益扩张，相位压缩的特性，能够在相对比较宽的频带下满足固态功率放大器预失真需求。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.可变矢量混合叠加式预失真线性化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、设置四个90°3dB电桥用于非线性矢量分配合成，每个90°3dB电桥有四个端口；
输入信号通过第一90°3dB电桥(401)的1端口馈入，第一90°3dB电桥(401)的2端口加入第一匹配负载(201)，第一90°3dB电桥(401)的3端口与第三90°dB电桥(403)的1端口相连，第一90°3dB电桥(401)的4端口与第四90°3dB电桥(404)的1端口相连；
第三90°dB电桥(403)的3端口与第一非线性信号发生电路(1)相连，第四90°3dB电桥(404)的3端口与第二非线性信号发生电路(2)相连；
第三90°dB电桥(403)的4端口与第一可变矢量产生支路(3)相连，第三90°dB电桥(403)的2端口与第二90°3dB电桥(402)的3端口相连；
第四90°3dB电桥(404)的4端口与第二可变矢量产生支路(4)相连，第四90°3dB电桥(404)的2端口与第二90°3dB电桥(402)的4端口相连；
第二90°3dB电桥(402)的1端口加入第二匹配负载(202)，第二90°3dB电桥(402)的2端口输出信号；
其中第一非线性信号发生电路(1)和第二非线性信号发生电路(2)是两个相同的反射式非线性信号可变矢量发生支路，用于产生两路相同的非线性预失真信号；
第一可变矢量产生支路(3)和第二可变矢量产生支路(4)是两个相同的矢量产生支路，用于产生两路相同的矢量；
步骤二、输入信号经第一90°3dB电桥(401)的1端口馈入，产生两路相位差90°幅度相等的信号并由第一90°3dB电桥(401)的3端口输出到第三90°3dB电桥(403)的1端口和由第一90°3dB电桥(401)的4端口输出到第四90°3dB电桥(404)的1端口；
步骤三、第三90°3dB电桥(403)1端口输入的信号经过第三90°3dB电桥(403)的3端口输出到第一非线性信号发生电路(1)和经过第三90°3dB电桥(403)的4端口输出到第一可变矢量产生支路(3)，第一非线性信号发生电路(1)接收信号并反射回第三90°3dB电桥(403)的3端口，第一可变矢量产生支路(3)接收信号并反射回第三90°3dB电桥(403)的4端口，第三90°3dB电桥(403)的3端口和4端口反射回的信号进行合成后从2端口输出；
第四90°3dB电桥(404)1端口输入的信号经过第四90°3dB电桥(404)的3端口输出到第二非线性信号发生电路(2)和经过第四90°3dB电桥(404)的4端口输出到第二可变矢量产生支路(4)，第二非线性信号发生电路(2)接收信号并反射回第四90°3dB电桥(404)的3端口，第二可变矢量产生支路(4)接收信号并反射回第四90°3dB电桥(404)的4端口，第四90°3dB电桥(404)的3端口和4端口反射回的信号进行合成后从2端口输出；
输入信号为低功率信号时，通过调整第一非线性信号发生电路(1)、第二非线性信号发生电路(2)、第一可变矢量产生支路(3)和第二可变矢量产生支路(4)使得第三90°3dB电桥(403)的3端口和4端口反射回的信号相位相差180°、第四90°3dB电桥(404)的3端口和4端口反射回的信号相位相差180°；
输入信号功率增加时，第一非线性信号发生电路(1)和第二非线性信号发生电路(2)反射的信号随着输入信号功率的增加而压缩增益和扩张相位，使得第三90°3dB电桥(403)和第四90°3dB电桥(404)2端口合成的信号随着输入信号功率的增加而扩张增益和压缩相位；
步骤四、第三90°3dB电桥(403)2端口的输出信号和第四90°3dB电桥(404)2端口的输出信号经过第二90°3dB电桥(402)后获得输出信号。
2.根据权利要求1所述的可变矢量混合叠加式预失真线性化方法，其特征在于，所述第一非线性信号发生电路(1)包括第一非线性器件(101)、第一电容(501)、第一高频扼流圈(601)、第二高频扼流圈(602)、第一电阻(701)、第一电压源(801)、第一开路负载(301)、第一传输线(901)，第一高频扼流圈(601)一端接地，另一端连接第一开路负载(301)和第一非线性器件(101)一端；第二高频扼流圈(602)一端连接第一非线性器件(101)的另一端和第一传输线(901)的一端，其另一端通过第一电阻(701)连接第一电压源(801)；第一电容(501)一端连接第一传输线(901)的另一端，其另一端连接所述第一非线性信号发生电路(1)的输入信号并输出所述第一非线性信号发生电路(1)的输出信号；第一非线性器件(101)受控于由第一非线性器件(101)、第一高频扼流圈(601)、第二高频扼流圈(602)、第一电阻(701)、第一电压源(801)依次连接而成的直流偏置控制电路。
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