CN109391237A - 用于行波管功率放大器预失真的线性化器及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于行波管功率放大器预失真的线性化器，为解决宽带行波管的各指标包括频带内非线性不一致的在线调试问题，本发明通过在传统的两路式线性化器上下支路增加幅度压控均衡器，调整支路的幅度和相位差符合一定的要求使两路矢量合成克服寄生效应后与行波管非线性曲线宽带匹配，达到宽带匹配行波管非线性的最优化；本发明的线性化器非线性的频率特性可调可使线性化器具有更广的适应性，产生更灵活在线可调的非线性曲线，同时可匹配更宽带宽的行波管。

Description

用于行波管功率放大器预失真的线性化器及其调节方法

技术领域

本发明属于行波管功率放大器领域，特别涉及一种行波管功率放大器的线性化技术。

背景技术

随着卫星通信的发展其卫星业务通信量急剧增加，需要带宽更宽、频谱效率更高的通信体制，当前一些宽带数字传输技术和高频谱利用率的调制方式(M-QAM等)用于卫星通信系统。但是采用这些技术所传输的信号具有非恒定包络、宽频带和高峰平比等特点，当调制信号通过非线性的功率放大器后将产生带内和带外失真，输出信号频谱扩展，干扰邻近信道，增大通信系统误码率。因此，现代卫星通信系统对射频功率放大器的线性度提出了很高的要求；同时由于带宽的增加带来频率的升高，需要更高的加工精度，带来行波管带内特性包括增益、相位、群时延尤其是非线性扩张曲线不一致，提高了线性化技术的要求。

模拟预失真技术以结构简单、体积小、可靠性高、功率效率高、绝对带宽高，适用于空间环境，在空间行波管线性化技术中，成为绝对主导技术。

CN201210033598.5公开了一种行波管功率放大器的线性化器，其不能用于宽带线性化器中；CN101807886A公开了一种射频功率放大装置及其预失真叫做方法，其中用到了复杂的模拟预失真校正系统。

传统的线性化器在匹配不同行波管的特性时，为改善功率放大器的线性度生成了一定的增益扩张和相位扩张，来补偿行波管的增益压缩和相位压缩。使信号能够以线性的增益和相位放大。而行波管功率放大器由于工艺的原因，同一行波管非线性特性频带内也不一致，一般情况高频段的非线性压缩曲线更多，即非线性更强。线性化器的各个指标包括非线性扩张曲线需要和行波管相应匹配的变化。同时，同一批次行波管指标均不同，那么匹配不同性能的行波管放大器，尤其是非线性频率特性不同的行波管，需要对线性化器进行不同的设计。

另外，这些线性化器结构里用到的二极管、3dB电桥、功分器等存在的寄生效应不同，二极管的指标的不一致，所设计出来的线性化器指标也各有差异，也给其频率特性带来一定的恶化，进一步影响了线性化的效果。需要在线调试各指标参数包括幅度和相位扩张的非线性频率特性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种用于行波管功率放大器预失真的线性化器，加入可调器件实现方便调整线性支路和非线性支路的频率特性。

本发明采用的技术方案为：一种用于行波管功率放大器预失真的线性化器，包括：输入可调放大器、输出可调放大器、输入3dB混合接头、输出3dB混合接头、线性支路以及非线性支路；输入胡可调放大器第一端接输入信号，输入可调放大器第二端与输入3dB混合接头第一端相连，输入3dB混合接头第二端与线性支路第一端相连，输入3dB混合接头第二端与非线性支路第一端相连；线性支路第二端与输出3dB混合接头第一端相连，非线性支路第二端与输出3dB混合接头第一端相连，输出3dB混合接头第二端与输出可调放大器第一端相连，输出可调放大器第二端作为线性化器的输出端；

所述线性支路包括第一均衡器，所述非线性支路包括第二均衡器。

线性支路还包括：衰减器、第一群时延器、第一移相器；所述衰减器第一端作为线性支路的第一端，衰减器第二端与第一群时延器第一端相连，第一群时延器第二端与第一移相器第一端相连，第一移相器第二端与第一均衡器第一端相连，第一均衡器第二端作为线性支路的第二端。

非线性支路还包括：非线性发生器、第二群时延器、第二移相器；所述非线性发生器第一端作为非线性支路的第一端，非线性发生器的第二端与第二群时延器第一端相连，第二群时延器第二端与第二移相器第一端相连，第二移相器第二端与第二均衡器相连，第二均衡器第二端作为非线性支路第二端。

所述第一均衡器与第二均衡器均为压控均衡器。

压控均衡器具体包括：第一匹配电阻、第二匹配电阻、调节电阻、第一谐振微带、第二谐振微带、变容二极管；所述变容二极管、第二谐振微带以及第一谐振微带串联后通过调节并联至主通路；所述主通路至少包括：第一匹配电阻、第二匹配电阻；

主通路还包括：馈线，外部控制电压通过馈线输入。

所述馈线包括：四分之一波长的高阻微带线与电容，电容负极接地，电容正极与四分之一波长的高阻微带线相连。

本发明的有益效果：本发明的行波管线性化器装置中加入了可调均衡器。当所需要线性化的行波管性能指标不一致包括非线性带内不一致，需要线性化器能具备一定的灵活度经调试匹配到不同行波管的性能。本发明的新型线性化器设备和结构方法提供了多种参数包括非线性频率特性的在线调节能力。适用于大量宽带行波管的线性化。

附图说明

图1是本发明所采用的预失真线性化器原理框图；

图2是本发明线性支路和非线性支路矢量合成的幅度关系图；

图3是本发明线性支路和非线性支路矢量合成的相位关系图；

图4是本发明所采用的压控均衡器原理框图；

图5是本发明实施例中均衡器的频率特性图；

图6是本发明实施例中非线性发生器的结构示意图；

其中，1为输入可调放大器；2为衰减器；3为群时延；4为移相器；5为均衡器；6为非线性发生器；7为群时延器；8为移相器；9为均衡器；10为3dB混合接头；11为3dB混合接头；12为可调放大器；13为线性支路；14为非线性支路；21为匹配电阻；22为匹配电阻；23为调节电阻；31为第一谐振微带线；32为第二谐振微带线；33为变容二极管；34为馈线；35为调节电压。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

针对宽带行波管特性尤其是非线性压缩曲线同一批次的性能不一致和带内不一致，线性化效果不一致，同时由于移相器、衰减器和非线性发生器的寄生效应产生幅度在频带内不一致更是恶化了这种情况，需要进行在线调整线性化器参数以匹配同一批次行波管不同的参数指标的问题，本发明提出一种新的行波管线性化器结构的装置，以在线可调的行波管线性化器对不同的宽带行波管放大器进行线性化，从而改善行波管线性化器的在线匹配度。

如图1所示，本发明的一种用于行波管功率放大器预失真的线性化器，包括：输入可调放大器1、输出可调放大器12、输入3dB混合接头10、输出3dB混合接头11、线性支路13以及非线性支路14；输入可调放大器1第一端接输入信号，输入可调放大器1第二端与输入3dB混合接头10第一端相连，输入3dB混合接头10第二端与线性支路13第一端相连，输入3dB混合接头10第二端与非线性支路14第一端相连；线性支路13第二端与输出3dB混合接头11第一端相连，非线性支路14第二端与输出3dB混合接头11第一端相连，输出3dB混合接头11第二端与输出可调放大器12第一端相连，输出可调放大器12第二端作为线性化器的输出端；

输入可调放大器1将输入信号(RF in)调整至合适的电平在非线性发生器6中产生丰富的三阶交调预失真，输入3dB混合接头10将信号分为两路，记为第一支路信号和第二支路信号，第一支路信号和第二支路信号分别输入到所述的线性支路13和非线性支路14，线性支路11由移相器4、群时延3、衰减器2和均衡器5组成。非线性支路12由非线性发生器6、群时延7、移相器8和均衡器9组成。线性支路和非线性支路的输出信号最终经输出3dB混合接头11功率合成输出射频信号(RF out)。最后合成的信号经过输出可调放大器12输出。经矢量合成，线性化器插损较大，输出可调放大器12将线性化器生成的信号进行放大，并调整至行波管所需要的电平输出至行波管放大器。

输入信号到达非线性支路14，通过非线性发生器6产生预失真的非线性信号，通过线性支路13的可调衰减器2调节线性支路和非线性支路的幅度差，可以调整线性化器的带内整体幅度扩张和相位扩张。通过线性支路13和非线性支路14的群时延调节线性支路和非线性支路的时延，调节线性支路和非线性支路的时延匹配程度。通过线性支路13和非线性支路14的移相器4和8，调整线性支路和非线性支路的相移，通过调整线性支路13的均衡器5和非线性支路14的均衡器9的幅度频率特性，均衡器的幅度频率特性在设计中主要是其第一谐振微带线31和调节电阻23来调整均衡器的频率特性，将谐振频率调节至线性化器的频率中值，在线调试时，可以通过调节电压调整变容二极管的容值对均衡器的谐振频率进行优化。

信号经过线性支路13和非线性支路14在第二3dB混合电桥11的矢量合成如图2和图3所示。图2是本发明线性支路和非线性支路矢量合成的幅度关系图，水平坐标表示线性支路13和非线性支路14的幅度差和相位差，纵轴表示合成后信号的电平值，图3是本发明线性支路和非线性支路矢量合成的相位关系图，水平坐标表示线性支路13和非线性支路14的幅度差和相位差，纵轴表示合成后信号的相位值。

非线性频率特性可调具体为：通过在传统的两路式线性化器上下支路增加幅度压控均衡器，调整支路的幅度和相位差符合一定的要求使两路矢量合成克服寄生效应后与行波管非线性曲线宽带匹配，达到宽带匹配行波管非线性的最优化。线性化器非线性的频率特性可调可使线性化器具有更广的适应性，产生更灵活在线可调的非线性曲线，同时可匹配更宽带宽的行波管。

本发明的实施方式之一：构成线性化器的输入输出可调增益放大器，采用低噪放和衰减器串联级成。构成线性化器的输入输出3dB混合接头，采用分支线电桥，也可以用兰格电桥、wilkson功分器代替。兰格电桥、分支线电桥和wilkson功分器的选择可以根据移相器移相范围来选择，电桥和wilkson功分器的选择可以另外提供90度的移相范围。

在非线性支路中信号首先通过非线性发生器6，随着信号功率的增加，信号经过非线性发生器6，由于肖特基二极管的特性，其增益和相移变小，即增益压缩和相位压缩，产生非线性。

非线性发生器6由肖特基二极管和微带匹配构成，如图6所示，其中肖特基二极管并联通过匹配微带线接在非线性支路处，所述的肖特基二极管可以为单管，也可以为双管，双管的连接方式可以为同向，也可以为反相。

非线性发生器6的增益/相位压缩的非线性可以通过对非线性发生器的肖特基二极管偏压进行调整，可以改变非线性发生器非线性的起始点和增益/相位压缩值。

压控均衡器5，9由第一匹配电阻21、第二匹配电阻22、调节电阻23、第一谐振微带31和第二谐振微带32和变容二极管33组成。

第一匹配电阻21、第二匹配电阻22位于主通路上，用于压控均衡器匹配，改善压控均衡器驻波，防止由于压控均衡器驻波性能恶化线性化器性能。

第一谐振微带31用于产生谐振电路，使均衡器的波形成“倒钟形”，用于调整线性支路13和非线性支路14的平坦度，使线性支路13和非线性支路14的幅度差在频带内按要求变化。

调节电阻23调整微带谐振电路Q值，调整幅度随频率变化的陡峭度。

变容二极管33提供电容加载以调整谐振电路频率；为调节均衡器谐振频率，控制电源35通过馈线34输入控制电压，馈线34由四分之一波长的高阻微带线和电容构成。如图4所示，其中谐振微带线31通过电阻23并联到主通路上，形成如图5所示的倒钟形频率特性，图5的横坐标为均衡器频率，纵坐标为均衡器插损。

传统的线性化器不能控制非线性曲线的形状，本发明通过波形调节作为调节控制非线性发生器的非线性曲线的一部分。

线性化器的移相器可由变容二极管构建，变容二极管也是关联在电路上的，移相器也可利用商业芯片组成。衰减器由PIN二极管构建，PIN二极管并联在电路上，移相器4或8、非线性发生器6和衰减器2均用类似的结构，线性支路和非线性支路形成对称结构，通过所述对称结构，信号经历类似的时间延迟。同时利用二极管并联结构，其时延对电路影响不大。

通过移相器4和8构成线性支路和非线性支路的差分移相器，扩大相位调节的范围。同时输入输出的3dB混合接头利用电桥或功分器也可以提供90度移相范围。

本发明的线性化器可以通过调整群时延器和移相器的相位频率特性曲线，改变线性支路11和非线性支路12时延和相位差的频率特性；通过调整均衡器的幅度频率特性曲线，改变线性支路11和非线性支路12幅度差的频率特性。

本发明的线性化器可以用于固态功率放大器线性化；可以在线调整增益、非线性扩张，以及非线性扩张的频率特性等多个参数以调节线性化器的曲线最优匹配行波管非线性。本发明线性化器具有非线性扩张曲线频率特性在线可调的特点，可以适用于同频段不同类型不同厂家的宽带行波管线性化。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种用于行波管功率放大器预失真的线性化器，其特征在于，线性支路与非线性支路中的均衡器为幅度压控均衡器；所述幅度压控均衡器至少包括：调节电阻、第一谐振微带以及馈线，所述第一谐振微带通过调节电阻并联至主通路，所述馈线用于外部控制电压输入主通路。

2.根据权利要求1所述的一种用于行波管功率放大器预失真的线性化器，其特征在于，所述幅度压控均衡器还包括：第二谐振微带与变容二极管，所述变容二极管、第二谐振微带以及第一谐振微带串联。

3.根据权利要求2所述的一种用于行波管功率放大器预失真的线性化器，其特征在于，所述馈线包括：高阻微带线与电容，电容负极接地，电容正极与高阻微带线相连。

4.根据权利要求3所述的一种用于行波管功率放大器预失真的线性化器，其特征在于，高阻微带线为四分之一波长的阻微带线。

5.根据权利要求4所述的一种用于行波管功率放大器预失真的线性化器，其特征在于，所述主通路上还设置：用于幅度压控均衡器匹配的第一匹配电阻与第二匹配电阻。

6.根据权利要求5所述的一种用于行波管功率放大器预失真的线性化器，其特征在于，还包括：输入可调放大器、输出可调放大器、输入3dB混合接头、输出3dB混合接头、线性支路以及非线性支路；输入胡可调放大器第一端接输入信号，输入可调放大器第二端与输入3dB混合接头第一端相连，输入3dB混合接头第二端与线性支路第一端相连，输入3dB混合接头第二端与非线性支路第一端相连；线性支路第二端与输出3dB混合接头第一端相连，非线性支路第二端与输出3dB混合接头第一端相连，输出3dB混合接头第二端与输出可调放大器第一端相连，输出可调放大器第二端作为线性化器的输出端。

7.根据权利要求6所述的一种用于行波管功率放大器预失真的线性化器，其特征在于，线性支路还包括：衰减器、第一群时延器、第一移相器；所述衰减器第一端作为线性支路的第一端，衰减器第二端与第一群时延器第一端相连，第一群时延器第二端与第一移相器第一端相连，第一移相器第二端与第一均衡器第一端相连，第一均衡器第二端作为线性支路的第二端。

8.根据权利要求7所述的一种用于行波管功率放大器预失真的线性化器，其特征在于，非线性支路还包括：非线性发生器、第二群时延器、第二移相器；所述非线性发生器第一端作为非线性支路的第一端，非线性发生器的第二端与第二群时延器第一端相连，第二群时延器第二端与第二移相器第一端相连，第二移相器第二端与第二均衡器相连，第二均衡器第二端作为非线性支路第二端。

9.一种在线调节权利要求8所述线性化器非线性曲线的频率特性的方法，其特征在于，包括：通过外部控制电压调整变容二极管的容值。

10.根据权利要求9所述的线性化器非线性曲线的频率特性的方法，其特征在于，还包括：调整群时延器和移相器的相位频率特性曲线。