CN113630092B - 一种反射式可调预失真器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反射式可调预失真器，具体采用电桥反射式结构，由3dB 90度电桥连接场效应管，将场效应管源极连接肖特基二极管作为非线性产生器。肖特基二极管的引入使得场效应管在可变电阻区栅级电压的调节范围变大，非线性特性加强，可调性增强；通过控制加载于场效应管栅级电压和肖特基二极管正向偏压，来调节场效应管的漏‑源电阻与肖特基二极管的结电阻，从而形成能分别适用于固态功放和行波管功放的两种预失真特性，使预失真器为SSPA和TWTA两种功率放大器提供预失真特性，在特定预失真特性下，只改变场效应管栅级电压来控制扩张量的大小，能提高预失真器的可调性以及改善量。

Description

一种反射式可调预失真器
技术领域
本发明属于微波功率放大器技术领域，具体涉及一种反射式可调预失真器。
背景技术
近年来，随着无线卫星通信技术的快速发展，频谱资源日益紧张。结合现代不断迭代更新的模拟与数字通信技术，为了有效地提高频谱利用率，采用了一些频谱利用率较高的非恒包络调制技术，如OFDM，QPSK，64QAM等，由此带来被调制信号具有很高的均峰比(PAPR)。然而这些具有非恒定包络、宽带、高均峰比的已调信号通过微波功率放大器后将产生互调失真，对临近信道产生干扰，且无法滤除，严重制约着无线通信系统的性能。因此，现代无线通信对系统中微波功率放大器的线性度提出了更高的要求。
微波功率放大器作为卫星无线通信系统中重要的非线性器件，线性度是衡量其性能的重要指标之一。为了给通信系统提供更高的输出功率，功率放大器常工作在饱和状态，随着功率放大器输入功率的增大，功率放大器增益的幅相特性会产生非线性变化，导致通信系统性能恶化。作为射频通信中常用的两种功率放大器，固态功率放大器(SSPA)主要适用于较低功率需求场景，而行波管放大器(TWTA)相较于前者输出功率更高。对于固态功率放大器(SSPA)，其增益的非线性幅相特性呈现出幅度压缩(AM-AM)，相位扩张(AM-PM)的趋势；而对于行波管功率放大器(TWTA)，其增益的非线性幅相特性均呈现出逐渐压缩的趋势。为了满足微波功率放大器的线性化需求，对功率放大器线性化的相关研究在通信领域显得尤为重要。其中，预失真技术凭借其结构简单，稳定性高，带宽较宽等特点得到了广泛应用。
传统模拟预失真线性化技术采用在功放前加入和功放非线性特性相反的器件，来补偿功放的非线性，从而达到提高系统线性度的目的。对于反射式预失真器，通常结合电桥，在电桥的直通和耦合端口加载非线性器件，利用两路反射信号的合成产生所需要的传输特性。作为预失真器的非线性器件，可用二极管或场效应管实现，二极管预失真器大多选用肖特基势垒二极管，其结电阻会随着加载在二极管上的偏压改变而改变来产生非线性特性，在电路中可分为串联型与并联型结构，具有结构简单、易实现、易生产的特点；场效应管预失真器以场效应管的连接方式分为共栅型和共源型，通过调节栅极电压来控制场效应管源-漏电阻来产生非线性，但会带来比较大的插损。由于固态功放和行波管功放的非线性特性不同，现有的模拟预失真器必须针对特定功放的非线性特性进行设计。
现有预失真技术的主要问题和缺陷为：无法同时适用于固态功放和行波管功放，导致应用领域受限；预失真器线性化效果受电路结构以及非线性器件影响，补偿量不大。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提出了一种反射式可调预失真器。
本发明的具体技术方案为：一种反射式可调预失真器，具体包括：3dB正交电桥、输入端隔直电路、输出端隔直电路、第一场效应管、第二场效应管、第一肖特基管、第二肖特基管、第一可调谐微带线、第二可调谐微带线、第一射频接地结构、第二射频接地结构，其中，输入端隔直电路的一段作为所述预失真器的射频输入端口，另一端与3dB正交电桥输入端相连接；3dB正交电桥隔离端与输出端隔直电路的一段相连接，输出端隔直电路的另一端作为所述预失真器的射频输出端口；第一场效应管漏极连接于3dB正交电桥直通端微带线，第一场效应管源极连接于第一可调谐微带线，第一场效应管栅极连接于第一场效应管栅极偏置结构微带线；第一肖特基二极管阳极连接于第一可调谐微带线，第一肖特基二极管阴极连接于第一射频接地结构微带线，第一肖特基管偏置结构与第一可调谐微带线相连接；第二场效应管漏极连接于3dB正交电桥耦合端微带线，第二场效应管源极连接于第二可调谐微带线，第二场效应管栅极连接于第二场效应管栅极偏置结构微带线；第二肖特基二极管阳极连接于第二可调谐微带线，第二肖特基二极管阴极连接于第二射频接地结构微带线，第二肖特基管偏置结构与第二可调谐微带线相连接。
本发明的效果：本发明使用混合集成电路的形式设计了一款适用于SSPA和TWTA的反射式可调预失真器，具体采用电桥反射式结构，由3dB 90度电桥连接场效应管，将场效应管源极连接肖特基二极管作为非线性产生器。肖特基二极管的引入使得场效应管在可变电阻区栅级电压的调节范围变大，非线性特性加强，可调性增强；通过控制加载于场效应管栅级电压和肖特基二极管正向偏压，来调节场效应管的漏-源电阻与肖特基二极管的结电阻，从而形成能分别适用于固态功放和行波管功放的两种预失真特性，使预失真器为SSPA和TWTA两种功率放大器提供预失真特性，在特定预失真特性下，只改变场效应管栅级电压来控制扩张量的大小；在3dB正交电桥的两条支路都采用场效应管源极连接肖特基二极管的形式，共4个电压控制端，能提高预失真器的可调性以及改善量。该结构不仅适用于不同类型功率放大器(SSPA/TWTA)的线性化，具备可调谐特性，并且电路最大可调的AM-AM扩张量及AM-PM扩张量/压缩量范围较大，能适用于非线性较强的功放的线性化。
附图说明
图1本发明实施例中适用于SSPA和TWTA的反射式可调预失真器的设计结构图。
图2本发明实施例中针对SSPA的在3.5GHz对应的增益扩张及相位压缩实测曲线。
图3本发明实施例中针对TWTA的在3.5GHz对应的增益扩张及相位扩张实测曲线。
附图标记说明：1、射频输入端口；2、射频输出端口；3、输入端隔直电路；4、输出端隔直电路；5、3dB正交电桥输入端；6、3dB正交电桥隔离端；7、3dB正交电桥结构；8、3dB正交电桥直通端；9、3dB正交电桥耦合端；10、第一场效应管漏极；11、第二场效应管漏极；12、第一场效应管源极；13、第二场效应管源极；14、第一场效应管；15、第二场效应管；16、第一场效应管栅极；17、第二场效应管栅极；18、第一肖特基管馈电焊盘；19、第二肖特基管馈电焊盘；20、第一肖特基管偏置结构；21、第二肖特基管偏置结构；22、第一可调谐微带线；23、第二可调谐微带线；24、第一肖特基二极管阳极；25、第二肖特基二极管阳极；26、第一肖特基二极管；27、第二肖特基二极管；28、第一肖特基二极管阴极；29、第二肖特基二极管阴极；30、第一射频接地结构；31、第二射频接地结构；32、第一接地金属化通孔；33、第二接地金属化通孔；34、第一场效应管栅极偏置结构；35、第二场效应管栅极偏置结构；36、第一场效应管栅极馈电焊盘；37、第二场效应管栅极馈电焊盘。
具体实施方式
以下结合附图设计实例在3.5GHz频点对本发明的原理及特性进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的适用范围。
本发明实施例提供的适用于SSPA和TWTA的反射式可调预失真器的结构如图1所示，其特征在于：电路结构分为两部分，第一部分电路用于射频信号分配与合成，第二部分电路产生非线性特性。
第一部分包括3dB正交电桥7，采用两分支结构，整体电桥含有4个端口，分别为3dB正交电桥输入端5、3dB正交电桥隔离端6、3dB正交电桥直通端7、3dB正交电桥耦合端8；所述3dB正交电桥输入端5和输入端隔直电路3相连接，3dB正交电桥隔离端6和输出端隔直电路4相连接。
第二部分为非线性产生器件及其偏置和接地结构，其中，非线性产生器件包括第一场效应管14、第二场效应管15、第一肖特基二极管26、第二肖特基二极管27；偏置和接地结构包括第一肖特基管馈电焊盘18、第二肖特基管馈电焊盘19、第一肖特基管偏置结构20、第二肖特基管偏置结构21、第一射频接地结构30、第二射频接地结构31、第一接地金属化通孔32、第二接地金属化通孔33、第一场效应管栅极偏置结构34、第二场效应管栅极偏置结构35、第一场效应管栅极馈电焊盘36、第二场效应管栅极馈电焊盘37；连接方式为第一场效应管漏极10连接于3dB正交电桥直通端8微带线，第一场效应管源极12连接于第一可调谐微带线22，第一场效应管栅极16连接于第一场效应管栅极偏置结构34微带线；第一肖特基二极管阳极24连接于第一可调谐微带线22，第一肖特基二极管阴极28连接于第一射频接地结构30微带线，第一肖特基管偏置结构20与第一可调谐微带线22相连接；第二场效应管漏极11连接于3dB正交电桥耦合端9微带线，第二场效应管源极13连接于第二可调谐微带线23，第二场效应管栅极17连接于第二场效应管栅极偏置结构35微带线；第二肖特基二极管阳极25连接于第二可调谐微带线23，第二肖特基二极管阴极29连接于第二射频接地结构31微带线，第二肖特基管偏置结构21与第二可调谐微带线23相连接。
需要说明的是：本实施例中使用的第一场效应管及第二场效应管的封装有两个源极(相同)的脚，而在具体实现中，只用了其中一个，另外一个可以直接连接于空焊盘上，如图1所示。
本发明的预失真器采用反射式结构，场效应管工作于冷模模式，并在源极连接肖特基二极管。输入信号从射频输入端口1输入，经过输入端隔直电路3，从3dB正交电桥输入端5进入3dB正交电桥7，在正交电桥中分为两路正交信号，分别从3dB正交电桥直通端8和3dB正交电桥耦合端9输出。从3dB正交电桥直通端8输出的一路射频信号由第一场效应管漏极10进入第一场效应管14，再从第一场效应管源极12输出经过第一可调谐微带线22。信号从第一肖特基二极管阳极24进入第一肖特基二极管26，在第一肖特基二极管阴极28输出并原路反射回去。从3dB正交电桥耦合端9输出的另一路射频信号由第二场效应管漏极11进入第二场效应管15，再从第二场效应管源极13输出经过第二可调谐微带线23。信号从第二肖特基二极管阳极25进入，在第二肖特基二极管阴极29输出并原路反射回去。反射的两路信号在3dB正交电桥7中合成，从3dB正交电桥隔离端6输出，经过输出端隔直电路4，最终在射频输出端口2输出。
可以看出，本实施例的预失真器采用反射式结构，场效应管工作于冷模模式，3dB正交电桥连接场效应管，并在场效应管源极并联肖特基二极管来提供一定的非线性特性。通过改变加载于肖特基二极管和场效应管栅级电压上的电压组合，控制场效应管的漏源电阻与肖特基二极管的结电阻，形成能适用于固态功放和行波管功放的两种组合形式。3dB正交电桥的两条支路都采用场效应管源极并联肖特基二极管的形式，共4个电压控制端，能提高预失真器的可调性以及改善量。
其中，加载于场效应管栅极的电压Vc1、Vc2分别从第一场效应管栅极馈电焊盘36和第二场效应管栅极馈电焊盘37馈入；肖特基二极管控制电压Vc3、Vc4分别从第一肖特基管馈电焊盘18和第二肖特基管馈电焊盘19加载。这里射频基板采用Taconic RF-60材质，介电常数6.15，厚度0.635mm。通过改变Vc1、Vc2来控制漏极-源极电阻，此时场效应管工作于可变电阻区，而在场效应管源极连接肖特基二极管，控制肖特基二极管阳极电压Vc3、Vc4，一方面改变了肖特基二极管的偏置电压，使得肖特基二极管的结电阻改变；另一方面改变了场效应管源极16、17的电压，使得在场效应管可变电阻区栅级电压的调节范围变大，非线性特性加强。
图2给出了3.5GHz时，针对SSPA的增益扩张(图2a)及相位压缩(图2b)实测曲线；
图3给出了3.5GHz时，实施例针对TWTA的增益扩张(图3a)及相位扩张(图3b)实测曲线。由实施例测试结果可知，通过改变场效应管栅极电压Vc1、Vc2和肖特基二极管电压Vc3、Vc4，在不同的电压组合下，增益幅度都呈现扩张趋势，但相位在控制电压Vc3＝Vc4＝0.7V，Vc1＝Vc2在0.23V～0.30V区间变化时呈现扩张趋势，可以为行波管功放提供预失真特性，在控制电压Vc3＝Vc4＝0.2V，Vc1＝Vc2在-0.22V～-0.29V区间变化时呈现压缩趋势，可以为固态功放提供预失真特性。
在特定的预失真特性下(SSPA或TWTA)，本实施例的方案可以通过只改变场效应管的栅极电压Vc1、Vc2来调节预失真器的增益幅度扩张量以及相位扩张量(压缩量)的大小，因此该结构不仅能为SSPA及TWTA两种功率放大器提供预失真特性，而且可调性较强，增加了通用性，显著降低使用成本。
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。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种反射式可调预失真器，具体包括：3dB正交电桥、输入端隔直电路、输出端隔直电路、第一场效应管、第二场效应管、第一肖特基管、第二肖特基管、第一可调谐微带线、第二可调谐微带线、第一射频接地结构、第二射频接地结构，其中，输入端隔直电路的一段作为所述预失真器的射频输入端口，另一端与3dB正交电桥输入端相连接；3dB正交电桥隔离端与输出端隔直电路的一段相连接，输出端隔直电路的另一端作为所述预失真器的射频输出端口；第一场效应管漏极连接于3dB正交电桥直通端微带线，第一场效应管源极连接于第一可调谐微带线，第一场效应管栅极连接于第一场效应管栅极偏置结构微带线；第一肖特基二极管阳极连接于第一可调谐微带线，第一肖特基二极管阴极连接于第一射频接地结构微带线，第一肖特基管偏置结构与第一可调谐微带线相连接；第二场效应管漏极连接于3dB正交电桥耦合端微带线，第二场效应管源极连接于第二可调谐微带线，第二场效应管栅极连接于第二场效应管栅极偏置结构微带线；第二肖特基二极管阳极连接于第二可调谐微带线，第二肖特基二极管阴极连接于第二射频接地结构微带线，第二肖特基管偏置结构与第二可调谐微带线相连接；
所述场效应管工作于冷模模式，并在源极连接肖特基二极管；输入信号从射频输入端口输入，经过输入端隔直电路，从3dB正交电桥输入端进入3dB正交电桥，在正交电桥中分为两路正交信号，分别从3dB正交电桥直通端和3dB正交电桥耦合端输出；从3dB正交电桥直通端输出的一路射频信号由第一场效应管漏极进入第一场效应管，再从第一场效应管源极输出经过第一可调谐微带线；信号从第一肖特基二极管阳极进入第一肖特基二极管，在第一肖特基二极管阴极输出并原路反射回去；从3dB正交电桥耦合端输出的另一路射频信号由第二场效应管漏极进入第二场效应管，再从第二场效应管源极输出经过第二可调谐微带线；信号从第二肖特基二极管阳极进入，在第二肖特基二极管阴极输出并原路反射回去；反射的两路信号在3dB正交电桥中合成，从3dB正交电桥隔离端输出，经过输出端隔直电路，最终在射频输出端口输出；
所述3dB正交电桥连接场效应管，并在场效应管源极并联肖特基二极管来提供一定的非线性特性；通过改变加载于肖特基二极管和场效应管栅极电压上的电压组合，控制场效应管的漏源电阻与肖特基二极管的结电阻，形成能适用于固态功放和行波管功放的两种组合形式；3dB正交电桥的两条支路都采用场效应管源极并联肖特基二极管的形式，共4个电压控制端，用于提高预失真器的可调性以及改善量。
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