牛海君

(中國電子科技集團公司第13研究所 第5專業(yè)部,河北 石家莊 050051)

毫米波功率放大器線性化技術

牛海君

(中國電子科技集團公司第13研究所 第5專業(yè)部,河北 石家莊 050051)

針對毫米波功放的線性化要求,采用反向并聯(lián)肖特基二極管設計了一種毫米波線性化器,分析了其基本結構和工作原理。利用軟件建立模型進行仿真優(yōu)化,依據(jù)仿真數(shù)據(jù)制作實物并應用于某毫米波頻段功放,使得三階交調(diào)指標改善了8dB以上。結果表明,該線性化器結構簡單、易于集成,具有較強的應用價值。

毫米波功率放大器;線性化器;三階交調(diào);肖特基二極管

隨著移動通信技術的快速多元化發(fā)展,通信系統(tǒng)對通信質量和信息處理的要求越來越高,對系統(tǒng)的線性度要求也越來越嚴格[1]。功率放大器作為毫米波通信系統(tǒng)中的關鍵部件,也是系統(tǒng)中非線性失真最嚴重的耗能器件[2]。

1 線性化器原理與基本結構

常用的線性化技術是在放大器前端級聯(lián)一個線性

化器。線性化器在特定的偏置條件下具有增益壓縮和相位擴張的特性,從而產(chǎn)生失真信號,用來補償放大器在應用中出現(xiàn)的非線性分量信號,最終使功放輸出信號得到線性放大,從而改善功放整體的線性度[3]。補償原理如圖1所示,圖1(a)表示當輸出信號達到一定功率時,增益壓縮,產(chǎn)生非線性失真;圖1(b)表示加入的預失真器在信號達到一定輸出時,呈現(xiàn)增益擴張?zhí)匦?圖1(c)表示經(jīng)過線性化補償后,信號實現(xiàn)了線性放大。

圖1 線性化技術基本原理

文中設計的線性化器原理框圖如圖2所示。該線性化器主要由兩個相同特性的反向并聯(lián)肖特基二極管對、偏置高阻線和正交電橋組成[4]。

圖2 線性化器的原理框圖

2 線性化器的設計

2.1 肖特基二極管的特性

肖特基二極管具有開關速度快、噪聲低、工作穩(wěn)定和動態(tài)范圍大等優(yōu)點[5],在高頻有著良好的頻率響應,利用其設計的線性化器結構簡單,易于調(diào)試,適合于工程應用。

肖特基二極管是一種有著非線性V-I特性曲線的雙端子半導體器件,可模擬成非線性電阻,其小信號V-I變化關系可表示為

I(V)=Is(eαV-1)

(1)

其中,α=q/nkT,q是電子電荷;V為二極管兩端所加的偏置電壓;k是波爾茲曼常數(shù);T是溫度;n是理想化因子;Is是反向飽和電流。在實際應用中,其交流特性還包括二極管的結構與封裝導致的電抗效應,典型等效電路如圖3所示[6]。

圖3 肖特基二極管交流特性的等效電路模型

二極管封裝的引線與接觸形成一個串聯(lián)電感Lp和并聯(lián)電容Cp。圖3中的串聯(lián)電阻Rs是考慮了接觸電阻和電流泄露電阻。Cj和Rd分別是結電容和結電阻,它們與偏置電壓有關。因此肖特基勢壘二極管對的電流表達公式為[7]

i(t)=I0[exp(αdv(t))-exp(-αdv(t))]

(2)

式(2)中,I0為二極管的反向飽和電流;v(t)為二極管兩端的電壓值;αd為一恒定常數(shù)。將式(2)用泰勒級數(shù)展開得到

(3)

式(3)中,輸出信號中只有奇次項。在功率放大器的非線性交調(diào)失真分量中,三階交調(diào)失真分量最靠近基頻信號,對系統(tǒng)性能影響最大,因此在這里僅考慮3次項[8]。通過適當調(diào)整二極管對的偏置電路,可以消除掉式(3)的其他線性項,僅保留3次項。從而整個系統(tǒng)輸出端的電壓就可以表示為

(4)

式(4)中,在輸出信號中其它高次交調(diào)分量已被濾除,僅保留有三階交調(diào)分量,驗證了利用肖特基二極管對來制作線性化器的可行性。

2.2 線性化器的設計

為滿足應用需求,本文設計的線性化器指標要求如下:A頻率為29.4～30.2GHz;B幅度擴張范圍為≥2dB;C相位擴張為≥20°。按照前文圖2所示的線性化器原理框圖在軟件中建立仿真模型,如圖4所示。

圖4 線性化器仿真模型

圖5 頻率為增益和相位擴張仿真圖

在29.4 GHz和30.2 GHz的增益和相位擴張仿真結果如圖5所示,優(yōu)化后的偏置狀態(tài)下該線性化器在29.4～30.2 GHz范圍內(nèi)的幅度擴張范圍約為3 dB,相位擴張>40°,滿足設計要求。

3 測試結果

依據(jù)軟件仿真優(yōu)化結果,對該線性化器進行了實物制作與測試。為便于級聯(lián)與測試,該線性化器的輸入、輸出端口均安裝了2.92 mm的K型接頭,其實物如圖6所示。

圖6 線性化器實物圖

利用矢量網(wǎng)絡分析儀對該線性化器在29.4～30.2 GHz增益和相位擴張?zhí)匦赃M行了測試,結果如圖7所示。

圖7 增益、相位擴張測試圖

測試結果表明,在29.4～30.2 GHz范圍內(nèi),該線性化器增益擴張了約3 dB,相位補償了30°以上,并且該線性化器的增益和相位擴張趨勢與仿真結果相吻合,可以滿足應用指標要求。將該線性化器應用于某毫米波20 W功放前端,在功放輸出功率為40.7 dBm,雙音激勵信號頻率間隔5 MHz的情況下,29.4 GHz和30.2 GHz的三階交調(diào)測試結果如圖8和圖9所示。

圖8 未加線性化器時的三階交調(diào)測試頻譜圖

圖9 加入線性化器時的三階交調(diào)測試頻譜圖

測試結果表明,未加入線性化器時,該功放的三階交調(diào)約為20 dB;加入線性化器后,三階交調(diào)約為28 dB,改善了8 dB,使得功放的線性度大幅提高,滿足了應用需要。

4 結束語

本文對線性化器的原理和結構進行了分析,并利用肖特基二極管的非線性失真特性,通過仿真和優(yōu)化,制作了一種簡單、可調(diào)、實用的線性化器。實驗結果表明,該線性化器在毫米波段能夠有效改善功放三階交調(diào),提高功放線性度。

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Research on Linearization Techniques for Millimeter-wave PA

NIU Haijun

(Fifth Department,13th Research Institute of CETC,Shijiazhuang 050051,China)

According to the linearization requirements of millimeter wave PA,anti-parallel Schottky diodes are used to design a millimeter wave linearizer.Its basic structure and working principle are introduced.The circuit is optimized and simulated by software.Based on the simulation,the linearizer is applied to a power amplifier.The test results show that the IM3 has been improved by more than 8 dB.The results show that this linearizer has simple structure,and can be easily adjusted.It is of practical valuable.

millimeter-wave power amplifier;linearizer;third-order intermodulation;Schottky diode

2014- 10- 22

牛海君(1984—),男,碩士,工程師。研究方向:微波毫米波組件的研究與開發(fā)。E-mail:jure329@163.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.05.024

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