CN111293991A - 一种基于可变电容的片上集成宽带线性化器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于可变电容的片上集成宽带线性化器，属于微波毫米波单片电路技术领域。通过线性化电路控制模块分别控制向反射式预失真信号产生器和冷模pHEMT晶体管补偿校正电提供的直流电压驱动，调节线性化信号产生的大小。然后将反射式预失真信号产生器和冷模pHEMT晶体管补偿校正电路相结合，完成预失真信号的产生和补偿，最终生成预失真线性化信号以抵消功率放大器的非线性，反射式预失真信号产生器和冷模pHEMT晶体管补偿校正电路各匹配一个低损耗匹配模块进一步降低插损。本发明不仅改善了传统线性化器不能应用在宽频带的问题，还更好的拓宽了带宽。具有插入损耗低、应用带宽宽、结构紧凑、线性化改善显著的特点。

Description

一种基于可变电容的片上集成宽带线性化器

技术领域

本发明属于微波毫米波单片电路技术领域，应用于毫米波功率放大器单片电路线性化技术领域，具体涉及一种基于可变电容的片上集成宽带线性化器。

背景技术

射频模拟器件在无线通讯系统中有着重要地位，模拟信号功率放大器更是其中的核心。目前在工程上广泛应用的功率放大器在要求线性化输出时，常常采取功率回退的办法，即在低于饱和输出功率下工作，但此种方法会使放大器的功率附加效率大幅降低，造成很大的能量损失和浪费。为了提高功率放大器的功率效率，降低成本，通常的做法是使功率放大器工作于线性度较低而功率效率较高的状态，然后采取一定的措施从外部提高放大器的线性度，这些措施统称为线性化技术。

现今，各种线性化技术已经得到广泛应用，其中以前馈、负反馈和预失真技术为主。前两种技术在毫米波频段仍然存在局限性，常出现因寄生参数不一致，导致两路信号出现延时，使幅相不同难以保持一致，主辅路径之间非线性消除的精度很难控制，额外的模拟信号处理单元致使结构复杂、高功耗、线性化带宽受限等问题。预失真技术分为数字预失真和模拟预失真，最常见的是应用在sub-6频段的数字预失真，但数字预失真在高频段，尤其是K频段及以上难以实现，且应用带宽也较低。

模拟预失真技术是利用模拟器件来实现功放线性化的效果，采用模拟预失真技术的电路结构简单、集成度高、成本较低、具有较好的高频特性，且易于在非线性系统中实现，因此模拟预失真技术是当前研究的热点。公开号为CN107124142A的中国专利公开了一种基于非线性器件的可调预失真器，该可调预失真器先利用冷模pHEMT管的非线性，产生预失真信号；再通过预失真信号控制电路来调节信号失真程度；然后通过冷模pHEMT管和并联结构的开关以此来降低插入损耗。这种结构虽然可以改善放大器的线性性能，实现功能的可调性，但线性性能改善度不高，导致其集成芯片后出现频带过窄、插入损耗大、且不易调节的问题。

发明内容

针对上述存在的不足，为解决现有技术中模拟预失真器可调性差，应用带宽窄的问题，本发明提供一种基于可变电容的片上集成宽带线性化器，改善了现有片上集成宽带线性化器的线性化性能，提升了带宽，减少了插入损耗、且调节方便。

本发明采用的技术方案如下所述：

一种基于可变电容的片上集成宽带线性化器,包括:线性化电路控制模块、耦合器、低损耗匹配模块、反射式预失真信号产生器、冷模pHEMT晶体管补偿校正电路和功率放大器；

所述线性化电路控制模块输出端分别连接反射式预失真信号产生器和冷模pHEMT晶体管补偿校正电路，用于向反射式预失真信号产生器、冷模pHEMT晶体管补偿校正电路提供直流驱动电压，并通过驱动电压调节线性化信号产生的大小；

所述耦合器具有输入端、耦合端、直通端和隔离端，隔离端起隔离信号的作用，不做连接；包括耦合器一、耦合器二、耦合器三和耦合器四；耦合器一的输入端连接输入信号，耦合端连接低损耗匹配模块一的第一输入端，直通端连接耦合器二的输入端；耦合器二的耦合端连接低损耗匹配模块一的第二输出端，直通端连接耦合器三的输入端；耦合器三的耦合端连接低损耗匹配模块二的第一输入端，直通端连接耦合器四的输入端；耦合器四的耦合端连接低损耗匹配模块二的第二输出端，直通端连接功率放大器；其中耦合器一和耦合器三用于将接收到的信号分成两路，耦合器二和耦合器四用于将接收到的两路信号的合成并输出。

所述低损耗匹配模块包括低损耗匹配模块一和低损耗匹配模块二。低损耗匹配模块一的第一输出端连接反射式预失真信号产生器的第一输入端，为反射式预失真信号产生器提供输入信号；第二输入端连接反射式预失真信号产生器的第一输出端。低损耗匹配模块二的第一输出端连接冷模pHEMT晶体管补偿校正电路的第一输入端，第二输入端连接冷模pHEMT晶体管补偿校正电路的第一输出端；低损耗匹配模块用于减小端口驻波，减少信号输出的反射以降低插入损耗。

所述反射式预失真信号产生器接收低损耗匹配模块一提供的输入信号后生成预失真信号，预失真信号用于抵消功率放大器的非线性。

所述冷模pHEMT晶体管补偿校正电路接收低损耗匹配模块二提供的信号后生成补偿预失真信号，用于对预失真信号进行补偿，以改善预失真信号的线性化度。

输入到该线性化器的输入信号被耦合器一分为两路，其中一路输入信号经耦合器一直通端传输至耦合器二；另一路输入信号经低损耗匹配模块一传输至反射式预失真信号产生器，生成预失真信号后经低损耗匹配模块一传输至耦合器二；两路信号经耦合器二合成，生成第一次合成信号，传输至耦合器三。耦合器三将第一次合成信号分为两路，其中一路第一次合成信号经耦合器三直通端传输至耦合器四；另一路第一次合成信号经低损耗匹配模块二传输至冷模pHEMT晶体管补偿校正电路，生成补偿预失真信号后经低损耗匹配模块二传输至耦合器四；两路信号经耦合器四合成，得到预失真线性化信号传输至功率放大器。

进一步地，所述耦合器一和耦合器三按照1:1的比例将接收到的信号分成两路。

进一步地，所述反射式预失真信号产生器包括90°耦合电桥、终端电阻、第一电容、第二电容、第一变容二极管、第二变容二极管、第一射频扼流圈、第二射频扼流圈和第三射频扼流圈。

所述90°耦合电桥具有输入端、输出端、耦合端和直通端；90°耦合电桥的输入端作为反射式预失真信号产生器的第一输入端，通过第一电容接收输入信号；输出端作为反射式预失真信号产生器的输出端，通过第二电容连接低损耗匹配模块一第二输入端；耦合端连接第一变容二极管的正极，第一变容二极管的负极通过λ/4传输线接地；直通端连接第二变容二极管的正极，第二变容二极管的负极通过λ/4传输线接地；第一变容二极管和第二变容二极管的直流分别通过第二射频扼流圈、第三射频扼流圈接地；所述90°耦合电桥输入端经第一射频扼流圈、终端电阻连接线性化电路控制模块接收驱动电压。

进一步地，所述冷模pHEMT晶体管补偿校正电路包括二极管、电阻R1、电阻R2、电容、模拟失真器pHEMT2和放大器pHEMT1；

其中模拟失真器pHEMT2采用冷模，模拟失真器pHEMT2的栅极分别连接电阻R1的一端和电容的一端，电阻R1的另一端连接线性化电路控制模块输出端Vc1，电容的另一端接地；模拟失真器pHEMT2的漏极分别连接电阻R2的一端和二极管的正极，电阻R2的另一端连接电压Vg2；所述二极管的负极接地，所述放大器pHEMT1的漏极接地，模拟失真器pHEMT2的源级连接到放大器pHEMT1的栅极，作为信号输入端；pHEMT1漏极作为所述冷模pHEMT晶体管补偿校正电路的输出端。

本发明提供的一种基于可变电容的片上集成宽带线性化器，通过线性化电路控制模块分别控制向反射式预失真信号产生器和冷模pHEMT晶体管补偿校正电路提供的直流驱动电压，调节线性化信号产生的大小，调节方便。在反射式预失真信号产生器中，通过线性化电路控制模块控制输入的直流驱动电压大小，改变两枚变容二极管输入端的电容值，从而改变两枚变容二极管的工作状态，使输入信号产生与失真相反波形，生成预失真信号，用于抵消功率放大器的非线性失真；在冷模pHEMT晶体管补偿校正电路中，同样通过线性化电路控制模块控制输入的直流驱动电压大小，使工作在深三极管区域的冷模pHEMT晶体管进入饱和区间，生成补偿预失真信号，对预失真信号进行补偿；反射式预失真信号产生器与冷模pHEMT晶体管补偿校正电路一同作用，大幅提高功率放大器的线性化性能，拓宽频带带宽。利用低损耗匹配模块具有改善端口驻波的特点，改善线性化与功率放大器之间的失配，以此减小器件的插入损耗，进一步拓宽带宽，使整个模块的损耗控制在1dB左右。

与现有技术相比，本发明提供的一种基于可变电容的片上集成宽带线性化器不仅调节方便，还改善了传统线性化器不能应用在宽频带的问题，更好的拓宽了带宽，具有插入损耗低、应用带宽宽、结构紧凑、线性化改善显著的特点。随着5G时代的来临，片上集成宽带线性化器应用前景进一步拓宽。

附图说明

图1为本发明原理图；

图2是实施例预失真信号产生原理图；

图3是实施例补偿预失真信号产生原理图；

图4(a)是采用实施例线性化器与没有采用实施例线性化器工作在24GHz时三阶交调(IMD3)仿真结果对比图；

图4(b)是采用实施例线性化器与没有采用实施例线性化器工作在25GHz时三阶交调(IMD3)仿真结果对比图；

图4(c)是采用实施例线性化器与没有采用实施例线性化器工作在26GHz时三阶交调(IMD3)仿真结果对比图；

图4(d)是采用实施例线性化器与没有采用实施例线性化器工作在27GHz时三阶交调(IMD3)仿真结果对比图；

图4(e)是采用实施例线性化器与没有采用实施例线性化器工作在28GHz时三阶交调(IMD3)仿真结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

依据前述所述的一种基于可变电容的片上集成宽带线性化器，具体结构如图1所示：一种基于可变电容的片上集成宽带线性化器包括:线性化电路控制模块、耦合器、低损耗匹配模块、反射式预失真信号产生器、冷模pHEMT晶体管补偿校正电路和功率放大器。其中线性化电路控制模块、耦合器、低损耗匹配模块、反射式预失真信号产生器和冷模pHEMT晶体管补偿校正电路作为一个整体，采用片上集成的方法集成在功率放大器输入端。

图2为预失真信号产生原理图。反射式预失真信号产生器的核心是90°耦合电桥与两枚变容二极管。90°耦合电桥输入端接收低损耗匹配模块一提供的输入信号后，在线性化电路控制模块提供的驱动电压作用下生成预失真信号，用于抵消功率放大器产生的非线性。根据图2提供了一种反射式预失真信号产生器的具体实施方式，所述反射式预失真信号产生器包括90°耦合电桥、终端电阻、第二电容、第一变容二极管、第二变容二极管、第一射频扼流圈、第二射频扼流圈和第三射频扼流圈。所述90°耦合电桥具有输入端、输出端、耦合端和直通端，其输入端通过第一电容连接输入信号，输出端通过第二电容连接低损耗匹配模块一，耦合端和直通端分别连接第一变容二极管和第二变容二极管的正极，第一变容二极管和第二变容二极管的负极分别通过λ/4传输线接地，第一变容二极管和第二变容二极管的直流分别通过第二射频扼流圈、第三射频扼流圈接地；所述90°耦合电桥输入端经第一射频扼流圈、终端电阻连接线性化电路控制模块第一输出端。

二极管可等效为图2右侧电容C_j和电阻R_d并联的电路，根据微波网络的知识，建立二极管的ABCD矩阵与散射矩阵的散射系数S₂₁的关系,根据散射矩阵,其幅度和相位分别为公式(1)和(2)所示：

在上述公式中，Z₀为传输线特性阻抗，ω为频率，以上两个变量在频率一定时为定值，变容二极管可等效为可调电容C_j和可调电阻R_d。由公式(1)和(2)可知，变容二极管反偏电压增大时结电容减小、反之结电容增大，输入功率的增大使得二极管的端电压减小，同时意味着变容二极管的可变电容C_j变小，此时增大传输系数S₂₁的幅度会增大，同时相位会减小。

图3为补偿预失真信号产生原理图。冷模pHEMT晶体管补偿校正电路的核心是工作在深三极管区域的模拟失真器pHEMT2。模拟失真器pHEMT2接收低损耗匹配模块二第一输出端输出的第一次合成信号后，在线性化电路控制模块提供的驱动电压作用下生成补偿预失真信号，以补偿预失真信号的线性化度。根据图3提供了一种冷模pHEMT晶体管补偿校正电路的具体实施方式，冷模pHEMT晶体管补偿校正电路包括二极管、电阻R1、电阻R2、电容、模拟失真器pHEMT2和放大器pHEMT1。模拟失真器pHEMT2的栅极分别连接电阻R1的一端和电容的一端，电阻R1的另一端连接线性化电路控制模块第二输入端Vc1，电容的另一端接地；模拟失真器pHEMT2的漏极分别连接电阻R2的一端和二极管的正极，电阻R2的另一端连接电压Vg2。二极管的负极接地，放大器pHEMT1的漏极接地；模拟失真器pHEMT2的源级连接到放大器pHEMT1的栅极作为信号输入端；放大器pHEMT1漏极作为所述冷模pHEMT晶体管补偿校正电路的输出端。由于射频信号不通过模拟失真器pHEMT2，因此冷模pHEMT晶体管补偿校正电路损耗很低。模拟失真pHEMT2晶体管采用冷模，所述冷模是指pHEMT管的漏源电压为零，可以进一步降低插入损耗。

图3中可变电阻R_ds1与R_ds2是同增同减的，故可简化表示为R_ds。同样建立建立三极管的ABCD矩阵与散射矩阵的散射系数S₂₁的关系，则电路的二端口网络的传输系数S₂₁表示为：

由公式(3)可知，电阻R_off和电容C_off随输入功率增大而变化的程度小，因此把这两参数看作常数；R_ds1和R_ds2随输入功率增加而增大，可以使输入散射矩阵S₂₁中分母项变大，S₂₁总值呈现扩张特性，用来抵消掉前述传功率放大器的增益压缩现象。

本发明提供的一种基于可变电容的片上集成宽带线性化器的工作流程为：输入到该性化器的输入信号被耦合器一分为两路，其中一路输入信号通过耦合器一直通端传输至耦合器二。另一路输入信号通过低损耗匹配模块一传输至反射式预失真信号产生器，由90°耦合电桥输入端接收后到达变容二极管处；此时，线性化电路控制模块通过控制输入反射式预失真信号产生器的驱动电压，使变容二极管的直流偏置发生改变，并因此改变了两枚变容二极管的电容，促使变容二极管的反射系数发生改变，由此控制整个电路的增益，生成波形相反的预失真信号。随后预失真信号通过90°耦合电桥输出端输出，再经过低损耗匹配模块一传输至耦合器二，两路信号经耦合器二合成，得到第一次合成信号传输至耦合器三。耦合器三将第一次合成信号分为两路，其中一路通过耦合器三直通端传输至耦合器四，另一路第一次合成信号通过低损耗匹配模块二输入到冷模pHEMT晶体管补偿校正电路，被pHEMT1的栅极接收；此时，同样通过线性化电路控制模块的控制输入冷模pHEMT晶体管补偿校正电路的驱动电压，生成补偿预失真信号，补偿预失真信号从pHEMT1漏极输出后通过低损耗匹配模块二传输至耦合器四，两路信号经耦合器四合成，得到预失真线性化信号传输至功率放大器，以抵消功率功率放大器出现的非线性。工作流程中，线性化电路控制模块控制该基于可变电容的片上集成宽带线性化器的信号失真补偿程度与补偿性能，从而适配功率放大器线性化的需求。

实施例：

为了验证本发明的效果，基于稳懋PE15工艺，利用软件ADS仿真软件设计两个Ka频段(24GHz-28GHz)的功率放大器，其中一个为没有集成线性化器的AB类功放，另一个是在第一个功放的基础上加入本发明的AB类功放。对两个功放进行双音信号(间隔100MHz)仿真，工作频率24-28GHz，得出如图4(a)-图4(e)所示的结果图。从图中我们能够看出传统AB类功放的三阶交调(IMD3)和带有集成线性化器的AB类功放的三阶交调(IMD3)相比，采用本发明所提供的片上集成宽带线性化器三阶交调(IMD3)大幅改善，最大改善可达25dB。现有技术线性化器的工作带宽常小于10％，如图4所示本发明可以改善4GHz带宽，相对带宽可达15％以上；由此可见，本发明提供的基于可变电容片上集成宽带线性化器效果明显，且明显扩宽了应用带宽。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“一”、“二”、“三”、“四”、“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象的，而不是用于描述特定的顺序或先后次序的。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用以限制本发明。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保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于可变电容的片上集成宽带线性化器,包括:线性化电路控制模块、耦合器、低损耗匹配模块、反射式预失真信号产生器、冷模pHEMT晶体管补偿校正电路和功率放大器，其特征在于：

所述线性化电路控制模块输出端分别连接反射式预失真信号产生器和冷模pHEMT晶体管补偿校正电路，用于向反射式预失真信号产生器、冷模pHEMT晶体管补偿校正电路提供直流驱动电压，并通过驱动电压调节线性化信号产生的大小；

所述耦合器具有输入端、耦合端、直通端和隔离端，隔离端起隔离信号的作用，不做连接；包括耦合器一、耦合器二、耦合器三和耦合器四；耦合器一的输入端连接输入信号，耦合端连接低损耗匹配模块一的第一输入端，直通端连接耦合器二的输入端；耦合器二的耦合端连接低损耗匹配模块一的第二输出端，直通端连接耦合器三的输入端；耦合器三的耦合端连接低损耗匹配模块二的第一输入端，直通端连接耦合器四的输入端；耦合器四的耦合端连接低损耗匹配模块二的第二输出端，直通端连接功率放大器；其中耦合器一和耦合器三用于将接收到的信号分成两路，耦合器二和耦合器四用于将接收到的两路信号的合成并输出；

所述低损耗匹配模块包括低损耗匹配模块一和低损耗匹配模块二；低损耗匹配模块一的第一输出端连接反射式预失真信号产生器的第一输入端，为反射式预失真信号产生器提供输入信号，第二输入端连接反射式预失真信号产生器的第一输出端；低损耗匹配模块二的第一输出端连接冷模pHEMT晶体管补偿校正电路的第一输入端，第二输入端连接冷模pHEMT晶体管补偿校正电路的第一输出端；低损耗匹配模块用于减小端口驻波，减少信号输出的反射以降低插入损耗；

所述反射式预失真信号产生器接收低损耗匹配模块一提供的输入信号后生成预失真信号，预失真信号用于抵消功率放大器的非线性；

所述冷模pHEMT晶体管补偿校正电路接收低损耗匹配模块二提供的信号后生成补偿预失真信号，用于对预失真信号进行补偿，以改善预失真信号的线性化度；

输入到该线性化器的输入信号被耦合器一分为两路，其中一路输入信号经耦合器一直通端传输至耦合器二；另一路输入信号经低损耗匹配模块一传输至反射式预失真信号产生器，生成预失真信号后经低损耗匹配模块一传输至耦合器二；两路信号经耦合器二合成，生成第一次合成信号，传输至耦合器三；耦合器三将第一次合成信号分为两路，其中一路第一次合成信号经耦合器三直通端传输至耦合器四；另一路第一次合成信号经低损耗匹配模块二传输至冷模pHEMT晶体管补偿校正电路，生成补偿预失真信号后经低损耗匹配模块二传输至耦合器四；两路信号经耦合器四合成，得到预失真线性化信号传输至功率放大器。

2.根据权利要求1所述一种基于可变电容的片上集成宽带线性化器，其特征在于：所述耦合器一和耦合器三按照1:1的比例将接收到的信号分成两路。

3.根据权利要求2所述的一种基于可变电容的片上集成宽带线性化器，其特征在于：所述反射式预失真信号产生器包括90°耦合电桥、终端电阻、第一电容、第二电容、第一变容二极管、第二变容二极管、第一射频扼流圈、第二射频扼流圈和第三射频扼流圈；

所述90°耦合电桥具有输入端、输出端、耦合端和直通端；90°耦合电桥的输入端作为反射式预失真信号产生器的第一输入端，经第一电容接收输入信号；输出端作为反射式预失真信号产生器的输出端，通过第二电容连接低损耗匹配模块一第二输入端；耦合端连接第一变容二极管的正极，第一变容二极管的负极通过λ/4传输线接地；直通端连接第二变容二极管的正极，第二变容二极管的负极通过λ/4传输线接地；第一变容二极管和第二变容二极管的直流分别通过第二射频扼流圈、第三射频扼流圈接地；所述90°耦合电桥输入端经第一射频扼流圈、终端电阻连接线性化电路控制模块接收驱动电压。

4.根据权利要求3所述一种基于可变电容的片上集成宽带线性化器，其特征在于：所述冷模pHEMT晶体管补偿校正电路包括二极管、电阻R1、电阻R2、电容、模拟失真器pHEMT2和放大器pHEMT1；

其中模拟失真器pHEMT2采用冷模，模拟失真器pHEMT2的栅极分别连接电阻R1的一端和电容的一端，电阻R1的另一端连接线性化电路控制模块输出端Vc1，电容的另一端接地；模拟失真器pHEMT2的漏极分别连接电阻R2的一端和二极管的正极，电阻R2的另一端连接电压Vg2；所述二极管的负极接地，所述放大器pHEMT1的漏极接地，模拟失真器pHEMT2的源级连接到放大器pHEMT1的栅极，作为信号输入端；pHEMT1漏极作为所述冷模pHEMT晶体管补偿校正电路的输出端。

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