CN113162559B - 毫米波自适应预失真线性化固态功放 - Google Patents
毫米波自适应预失真线性化固态功放 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出的一种毫米波自适应预失真线性化固态功放,结构简单、成本低,频带宽、稳定性好。本发明通过下述技术方案予以实现:毫米波射频信号通过前级驱动放大器进行预放大后进入模拟预失真线性化器,对射频信号进行预失真,通过增益可调放大器进行放大和末级功率放大器输入输出进行耦合,耦合信号送入末级功放非线性参数提电路并输出检测分量送监控处理单元,监控处理单元对接收的信号进行矢量运算,输出模拟预失真线性化器幅度控制电压V1、V2,实时地调整预失真器的参数,对末级功放非线性进行补偿,同时输出增益可调放大控制电压V3去控制增益可调放大器的增益,整个系统实时检测末级功率放大器的幅度相位失真信息,使线性度始终处于最佳状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种主要应用于航天测控、卫星通信等领域,尤其是用于毫米波频段的自适应预失真线性化固态功放。
背景技术
随着无线用户和宽带通讯业务的飞速发展,通讯频段变得越来越拥挤,为在有限的频谱范围内容纳更多的通信信道,需要采用频谱利用率更高的调制方式,如QPSK、16QAM。但是由于放大器存在非线性,信号的包络波动会产生交调失真和频谱扩展。传统的解决方法是采用大功率放大器进行功率回退,使放大器工作在线性放大区,但这种方法降低了功率放大器的效率。因此,现在人们更侧重采用线性化技术,常用的线性化技术主要有3种:负反馈法、预失真、前馈法。负反馈法采用闭环反馈的结构,致使放大器的增益下降,而且一般只用于低频场合;前馈技术效果最好,但电路太复杂;预失真技术具有电路结构简单,工作相对稳定,可适用于宽带系统,因此是一种有应用前景的线性化技术。
功率放大器是通信无线发射机的重要组成部分。在发射机的前级电路中,调制振荡电路所产生的射频信号功率很小,需要经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大器,获得足够的射频功率以后,才能馈送到天线上辐射出去,以完成通信功能。所以,功率放大器的性能直接影响到通信质量。发射机的末级是电子设备功耗的主要部分,也是成本最高的部分,通常采用B类或C类放大使放大器有尽可能高的效率,但这类放大器有严重的非线性特性。OPSK或OAM等线性调制技术频谱利用率高,但其起伏的包络信号通过非线性功率放大器将产生交调失真,不能满足发射机频谱特性指标。在多载波传输系统(如MMDS)中,多路信号通过非线性放大器将产生交调,这是无法用滤波器滤出的。通常将多路载波分别线性放大后用频率复用器合成一路送到天线。高功率频率复用器不仅消耗功率,而且技术难度大,成本高。采用超线性功率放大器可同时放大多路信号而使交调限制在允许范围内。功率放大器的线性化技术是使放大器输出功率和效率最高的同时具有线性特性,常用的有前馈法(feedforward)、反馈法(feedback)、预失真法(predistortion)、用非线性部件实现线性化(LINC)等。数字信号处理技术(DSP)的飞速发展为线性化技术提供了有效手段,出现了自适应线性化技术。具有自适应补偿控制的前馈放大器能获得超线性特性,但是,由于这种方法需要辅助放大器而使设备复杂价格高、效率低。反馈法包括射频反馈法和包络反馈法,设备简单,但频带窄且难以获得高的线性特性。LINC法将输入信号变成2个恒包络信号,由2个C类放大器放大,然后合成。这种方法效率高,但实现信号分离复杂,要求2个放大器一致性好且合成效率高。
无线通信系统中,由于功放本身的非线性失真,导致信号带外频谱扩展和带内信号失真,造成邻道干扰,限制功放效率和频谱利用率。随着毫米波技术广泛应用于各种系统平台当中,毫米波系统对大功率固态发射机的需求日益迫切。卫星通信、地面测控站等应用均需要高可靠的大功率毫米波固态发射机,其发射功率需求为几瓦至几百瓦不等。因此,功率放大器作为毫米波发射系统的关键部件,其对工作效率和输出线性度的要求也就越来越高,尤其是在航天测控、卫星通信等领域,为达到较好的通信质量和测控精度,对具有高线性度的毫米波固态功放的需求越来越迫切。而目前毫米波固态功率功放自身的线性度不能满足系统要求,通常需要采用相应的线性化技术来达到指标要求。为了保证功率放大器的优良工作特性,具有自适应性能的预失真系统就显得非常重要。在毫米波频段,采用射频预失真线性化技术,在不降低使用并满足功率需求的前提下,不仅可以达到通信测控系统对该指标的要求,与之功率回退法相比,该技术在满足相同的指标前提下,可节约大量成本,并成倍降低功耗,在线性度指标方面,也有较大的提升。一个幅度变化的调制信号通过非线性功放时将引起幅度和相位失真"失真主要体现为频谱再生和功率效率下降$为避免失真"使功放保持较高线性度"通常情况下"功放从其饱和功率点做较大回退来满足其线性需要"但是这样会导致功率效率下降和热扩散等问题。为了同时兼顾频谱利用率和功放效率改善功放的线性度成为行之有效的方法功放线性化技术也得到了很大发展。目前最常用的线性化技术是功率回退法,该方法原理简单,但牺牲了功放输出功率,造成功耗增加,效率降低。前馈等功放线性化技术应用虽较为成熟,但大多集中在较低频段,系统复杂,带来了成本上升,效率降低、功耗增大等缺点。射频功率放大器的的非线性特性会随着工作频率、工作温度、环境温度、工作状态等多种因素发生变化,使得预失真线性化器的补偿效果降低。当前,国外在毫米波模拟预失真线性化技术方面的研究已经比较成熟,与单纯的线性化方案相比,自适应线性化方案在满足相同的技术指标的前提下,可节约调试成本,并更能够进一步增强系统的环境自适应性能,具有极其重要的工程应用价值,但对具有自适应性能的毫米波线性化技术研究基本集中在L、S等较低频段,主要是采用基于DSP技术的查表法、多项式法和神经网络法等数字预失真方法,以及具有自适应特性的非线性负反馈法和补偿性前馈法,这些方式结构复杂,成本高,难于应用到毫米波频段,能达到良好线性化效果的成果报道较少,且多为实验室研究成果,离工程应用还有较大差距,而具有自适应的毫米波频段的功放线性化技术还未见相关报道。
综上所述,在毫米波频段,功放线性化技术多采用模拟预失真技术,但是单纯的线性化化方案不能适应环境的变化,会导致性能下降,具有自适应的毫米波预失真技术显得尤为重要,目前的自适应线性化技术,大多集中在较低频段,多采用基于DSP技术的查表法、多项式法、神经网络法等数字预失真方法和自适应前馈线性化技术方法,而这两种方法很难应用到毫米波频段。
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,在预失真线性化的基础上,提供一种结构简单、成本低,频带宽和稳定性好,适用于毫米波频段的自适应预失真线性化功放,突破毫米波功放自适应预失真线性化技术的瓶颈。
本发明的上述目的可以通过以下措施来实现,一种毫米波自适应预失真线性化固态功放,包括,主放大支路顺次串联的前级驱动放大器2、模拟预失真线性化器3、增益可调放大器4和末级功率放大器5,与所述模拟预失真线性化器3、增益可调放大器4进行并联的监控处理单元9和非线性参数检测电路18,其特征在于,毫米波频段射频信号从输入口1 通过前级驱动放大器2进行预放大后进入模拟预失真线性化器3,对射频信号进行预失真,再进入增益可调放大器4对信号进行放大,输出放大的末级功放输入信号10的主信号进入末级功率放大器5,经过末级功率放大器5放大后输出末级功放输出信号11,末级功放输入信号10的一部分信号通过末级功率放大器5输入端耦合器进行耦合输出一部分信号进入末级功放非线性参数提取电路18的功分检波支路,输出末级功放输入信号10的检波信号17,末级功放输出信号11输送到末级功率放大器5的输出端耦合器进行耦合,将耦合出的一部分末级功放输出端耦合信号13送入末级功放非线性参数提取电路18的正交解调支路进行正交解调,得到包含功放非线性参数的正交解调I路信号15、正交解Q路信号16,I、Q路两路信号送到监控处理单元9,监控处理单元9通过单片微型计算机MCU内置自适应算法,对接收到的三路信号进行矢量运算,输出模拟预失真线性化器幅度控制电压V1、V2,去分别控制模拟预失真线性化器3的幅度和相位失真特性,实时地调整预失真器的参数,对末级功率放大器5进行补偿,同时,输出增益可调放大控制电压V3去控制增益可调放大器4的增益。整个系统实时地检测末级功率放大器5的幅度和相位失真信息,使功放的线性度始终处于最佳状态。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
本发明采用主放大支路顺次串联的前级驱动放大器2、模拟预失真线性化器3、增益可调放大器4和末级功率放大器5,与所述模拟预失真线性化器3、增益可调放大器4进行并联监控处理单元9组成的毫米波自适应预失真线性化固态功放,集成度高、结构简单、成本低、可以保证系统性能不受影响。除了能够同时提高放大器的线性度和效率外还适合于宽带系统并且只需要少量的器件来实现,所以应用简单成本较低。
本发明以射频预失真技术理论为基础,采用毫米波频段射频信号从输入口1通过前级驱动放大器2进行预放大后进入模拟预失真线性化器3,对射频信号进行预失真,再进入增益可调放大器4对信号进行适当地放大,输出放大的末级功放输入信号10的主信号进入末级功率放大器5,经过末级功率放大器5放大后输出末级功放输出信号11,末级功放输入信号10的一部分信号通过末级功率放大器5输入端耦合器进行耦合输出一部分信号进入末级功放非线性参数提取电路18的功分检波支路,输出末级功放输入信号10的检波信号17,并送到监控处理单元9。末级功放输出信号11输送到末级功率放大器5的输出端耦合器进行耦合,将耦合出的一部分末级功放输出端耦合信号13送入末级功放非线性参数提取电路 (18)的正交解调支路进行正交解调,得到包含功放非线性参数的正交解调I路信号15、正交解Q路信号16,I、Q路两路信号送到监控处理单元9,监控处理单元9通过单片微型计算机MCU内置自适应算法,对接收到的三路信号进行矢量运算,输出模拟预失真线性化器幅度控制电压V1、V2,去分别控制模拟预失真线性化器3的幅度和相位失真特性,实时地调整预失真器的参数,对模拟预失真线性化器3进行补偿,同时,输出增益可调放大控制电压V3去控制增益可调放大器4的增益。整个系统实时地检测末级功率放大器5的幅度和相位失真信息,使功放的线性度始终处于最佳状态。这种自适应预失真技术优于其他线性化技术,突破了毫米波功放自适应预失真线性化技术的瓶颈,仿真实验表明此自适应预失真方法,工作频带宽、自适应收敛时间短,可有效降低互调失真,提高功放效率,降低系统功耗,提高系统环境适应性能。
本发明采用在末级功率放大器前后加入检波和正交解调电路的形式提取出功放的幅度和相位失真信息,根据功放的失真信息去实时地调整模拟预失真线性化器的幅度和失真信息,使功放的线性度始终保持在最佳状态,达到自适应控制的目的,该电路形式,能够随温度、输入功率、频率等环境变化自动调整预失真线性化器参数来改善功放三阶互调的自适应预失真线性化固态功放。突破了功率放大器的非线性参数提取的关键技术,并创造性地实现了模拟预失真线性化器的自适应调整,保证了整个系统始终工作在最佳的线性化状态,极大地提高了毫米波线性化固态功放的环境适应性,扩展了其应用场景。
本发明适用于毫米波频段的自适应预失真线性化功放。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明毫米波自适应预失真线性化固态功放的电路原理框图;
图2是图1末级功放非线性参数提取电路18的实施流程图。
图中:1射频输入口,2前级驱动放大器,3模拟预失真线性化器,4增益可调放大器,5末级功率放大器,6功分器,7检波器,8正交解调器,9监控处理单元,10末级功放输入信号,11末级功放输出信号,12功分信号,13末级功放耦合信号,14功分信号,15 正交解调I路信号,16正交解调Q路信号,17检波信号,18末级功放非线性参数提取电路。
具体实施方式
在图1描述的优选实施例中,一种毫米波自适应预失真线性化固态功放,包括,主放大支路顺次串联的前级驱动放大器2、模拟预失真线性化器3、增益可调放大器4和末级功率放大器5,与所述模拟预失真线性化器3、增益可调放大器4进行并联的监控处理单元 9和非线性参数检测电路18。毫米波频段射频信号从输入口1通过前级驱动放大器2进行预放大后进入模拟预失真线性化器3,对射频信号进行预失真,再进入增益可调放大器4对信号进行适当地放大,输出放大的末级功放输入信号10的主信号进入末级功率放大器5,经过末级功率放大器5放大后输出末级功放输出信号11,末级功放输入信号10的一部分信号通过末级功率放大器5输入端耦合器进行耦合输出一部分信号进入末级功放非线性参数提取电路18的功分检波支路,输出末级功放输入信号10的检波信号17,并送到监控处理单元9。末级功放输出信号11输送到末级功率放大器5的输出端耦合器进行耦合,将耦合出的一部分末级功放输出端耦合信号13送入末级功放非线性参数提取电路18的正交解调支路进行正交解调,得到包含功放非线性参数的正交I路15、Q路16两路信号;I、Q路两路信号送到监控处理单元9,监控处理单元9通过单片微型计算机MCU内置自适应算法,对接收到的三路信号进行矢量运算,输出模拟预失真线性化器幅度和相位控制电压V1、V2,去分别控制模拟预失真线性化器3的幅度和相位失真特性,实时地调整预失真器的参数,对末级功率放大器5进行补偿,同时,输出增益可调放大控制电压V3去控制增益可调放大器4的增益。整个系统实时地检测末级功率放大器5的幅度和相位失真信息,使功放的线性度始终处于最佳状态。
参阅图2。末级功放非线性参数提取电路18包括:连接在增益可调放大器4与末级功率放大器5之间的功分器6和通过功分器6串联检波器7组成的功分检波支路,以及末级功率放大器5输出端连接耦合器串联的正交解调器8组成的正交解调支路。增益可调放大器输出放大的末级功放输入信号10一部分耦合出来后,送入功分检波支路,功分检波支路通过功分器6功分出两路信号,将一路功分信号12分入正交解调器8,将另一路功分信号14 分入检波器7输出检波信号17到监控处理单元9,同时,增益可调放大器4输出放大的末级功放输入信号10的主信号进入末级功率放大器5,末级功放输出信号11输送到末级功率放大器5的输出端耦合器进行耦合,将耦合出的一部分末级功放输出端耦合信号13送入正交解调支路,正交解调支路通过正交解调器8,将从功分器6接收到的功分信号12和末级功率放大器5的输出的末级功放耦合信号13进行正交解调后,输出两路正交的正交解调I 路信号15、正交解调Q路信号16,并送到监控处理单元9,功分器6通过检波器7连接单片微型计算机MCU,正交解调器(8)输出I、Q路两路正交信号到单片微型计算机MCU,对检测到的非线性参数进行运算处理再输出相应的控制信号。
末级功率放大器5输入信号X=αcos(ωt+φ1),经过末级功率放大器5后产生幅度和相位失真,输出端11输出信号Y=Acos(ωt+φ2),通过耦合器分别耦合出一部分信号送入末级功放非线性参数提取电路18提取非线性失真参数,正交解调器8对比末级功率放大器5的输入信号X=αcos(ωt+φ1)和输出信号Y=Acos(ωt+φ2)来提取非线性参数。经过末级功率放大器5的输入端耦合器耦合出来的信号,通过功分器6功分链路功分出两路信号,一路功分信号12通过正交解调器8两个乘法器,将末级功率放大器5的输入信号X=αcos(ωt+φ1)和输出信号Y=Acos(ωt+φ2)进行正交,得到送入监控处理单元9的正交解调I路信号15、正交解调Q路信号两路信号,其中:
其中,α表示末级功放输入信号的幅度、ω代表信号的频率、φ1表示末级功放输入信号的相位,A表示末级功放输出信号的幅度、φ2末级功放输出信号的相位。
功分器6将另一路输出功分信号14送入检波器7输入端进行检波,输出检波信号17,将检波得到的功放输入的幅度信号送入监控板,监控处理单元9对接收的数据进行运算和处理,根据运算得到的末级功率放大器5的幅度变化量ΔG和相位变化量
Δφ=arctan(Q/I)-φ0
其中,α为末级功放输入信号的幅度,G0是末级功率放大器的小信号增益,φ0是末级功率放大器的小信号相位。
监控板上的监控处理单元9根据得到的功放幅度和相位的改变量,对接收到的三路信号进行运算得到末级功率放大器5的幅度和相位失真信息,然后输出对应的幅度和相位控制信 V1、V2去分别控制预失真线性器3幅度和相位,输出可调放大控制电压V3去控制增益可调放大器4的增益,保持系统增益恒定。通过末级功放非线性参数提取电路18,实时地检测末级功放5的幅度和相位失真信息,然后反馈去控制前级的模拟预失真线性化器3来对末级功放器5的失真信息进行实时的补偿,使整个系统可以在环境变化时线性化的补偿效果最佳。
本发明不局限于上述实施方式,任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品,但不论在其形状或结构上作任何变化,在不脱离本发明上述技术思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段,做出各种替换和变更,均应包括在本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种毫米波自适应预失真线性化固态功放,包括,主放大支路顺次串联的前级驱动放大器(2)、模拟预失真线性化器(3)、增益可调放大器(4)和末级功率放大器(5),与所述模拟预失真线性化器(3)、增益可调放大器(4)进行并联的监控处理单元(9)和非线性参数检测电路(18),其特征在于,毫米波频段射频信号从输入口(1)通过前级驱动放大器(2)进行预放大后进入模拟预失真线性化器(3),对射频信号进行预失真,再进入增益可调放大器(4)对信号进行放大,输出放大的末级功放输入信号(10)的主信号进入末级功率放大器(5),经过末级功率放大器(5)放大后输出末级功放输出信号(11),末级功放输入信号(10)的一部分信号通过末级功率放大器(5)输入端耦合器进行耦合输出一部分信号进入末级功放非线性参数提取电路(18)的功分检波支路,输出末级功放输入信号(10)的检波信号(17),并送到监控处理单元(9);末级功放输出信号(11)输送到末级功率放大器(5)的输出端耦合器进行耦合,将耦合出的一部分末级功放输出端耦合信号(13)送入末级功放非线性参数提取电路(18)的正交解调支路进行正交解调,得到包含功放非线性参数的正交解调I路信号(15)、正交解Q路信号(16),I、Q路两路信号送到监控处理单元(9),监控处理单元(9)通过单片微型计算机MCU内置自适应算法,对接收到的三路信号进行矢量运算,输出模拟预失真线性化器幅度控制电压V1、V2,去分别控制模拟预失真线性化器(3)的幅度和相位失真特性,实时地调整预失真器的参数,对末级功率放大器(5)进行补偿,同时,输出增益可调放大控制电压V3去控制增益可调放大器(4)的增益,系统实时地检测末级功率放大器(5)的幅度和相位失真信息,使功放的线性度始终处于最佳状态。
2.如权利要求1所述的毫米波自适应预失真线性化固态功放,其特征在于,末级功放非线性参数提取电路(18)包括:连接在增益可调放大器(4)与末级功率放大器(5)之间的功分器(6)和通过功分器(6)串联检波器(7)组成的功分检波支路,以及末级功率放大器(5)输出端连接耦合器串联的正交解调器(8)组成的正交解调支路。
3.如权利要求1所述的毫米波自适应预失真线性化固态功放,其特征在于,增益可调放大器(4)将实现了增益控制后输出的末级功放输入信号(10)的一部分耦合出来后送入功分检波支路,功分检波支路通过功分器(6)功分出两路信号,将一路功分信号(12)分入正交解调器(8),将另一路功分信号(14)分入检波器(7)输出检波信号(17)到监控处理单元(9)。
4.如权利要求1所述的毫米波自适应预失真线性化固态功放,其特征在于,增益可调放大器(4)输出放大的末级功放输入信号(10)的主信号进入末级功率放大器(5),末级功放输出信号(11)输送到耦合器进行耦合,将耦合出的一部分末级功放输出端耦合信号(13)送入正交解调支路,功分器(6)输入端连接末级功放输入端耦合器,接收末级功放输入信号(10)的耦合信号,功分器(6)的两个输出端分别连接检波器(7)和正交解调器(8),功分器(6)输出的一路功分信号(12)和末级功放输出的耦合信号(13)一起送入正交解调器(8),正交解调器(8)对接收到的两路信号进行正交解调后,输出两路正交的正交解调I路信号(15)、正交解调Q路信号(16),并送到监控处理单元(9),功分器(6)通过检波器(7)连接单片微型计算机MCU,正交解调器(8)输出I、Q路两路正交信号到单片微型计算机MCU,对检测到的非线性参数进行运算处理再输出相应的控制信号。
5.如权利要求1所述的毫米波自适应预失真线性化固态功放,其特征在于,末级功放非线性参数提取电路(18)提取出信号经过末级功率放大器(5)产生的幅度和相位失真分量并送入监控处理单元(9)。
6.如权利要求1所述的毫米波自适应预失真线性化固态功放,其特征在于,末级功率放大器(5)根据输入信号X=αcos(ωt+φ1)发生幅度和相位变化,功放后输出信号Y=Acos(ωt+φ2),末级功率放大器(5)经过非线性功放后产生的幅度和相位失真,末级功率放大器(5)的输入端(10)和输出端(11)通过耦合器分别耦合出一部分信号送入正交解调器(8),正交解调器(8)提取非线性失真参数对比末级功率放大器(5)的输入信号X=αcos(ωt+φ1)和输出信号=Acos(ωt+φ2)得到信号提取非线性参数。
7.如权利要求6所述的毫米波自适应预失真线性化固态功放,其特征在于,末级功率放大器(5)输入信号X=αcos(ωt+φ1)经过耦合器耦合出器耦合信号,耦合出来后,通过分别分功分器(6)功分链路功分出两路信号,一路功分信号(12)通过正交解调器(8)两个乘法器,将末级功率放大器(5)的输入信号X=αcos(ωt+φ1)和输出信号=Acos(ωt+φ2)进行正交,输出正交的正交解调I路信号(15)、正交解调Q路信号两路信号。
8.如权利要求1所述的毫米波自适应预失真线性化固态功放,其特征在于,末级功率放大器(5)根据增益可调放大器(4)末级功放输入信号(10)改变放大器的增益输入信号X=αcos(ωt+φ1)发生幅度和相位变化,经过非线性功放后产生的幅度和相位失真,输出端(11)输出信号Y=Acos(ωt+φ2),通过耦合器分别耦合出一部分信号送入末级功放非线性参数提取电路(18)提取非线性失真参数,正交解调器(8)对比末级功率放大器(5)的增益输入信号X=αcos(ωt+φ1)和输出信号=Acos(ωt+φ2)得到信号提取非线性参数。
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