毫米波功率放大器线性化技术

牛海君

(中国电子科技集团公司第13研究所 第5专业部,河北 石家庄 050051)

毫米波功率放大器线性化技术

牛海君

(中国电子科技集团公司第13研究所 第5专业部,河北 石家庄 050051)

针对毫米波功放的线性化要求,采用反向并联肖特基二极管设计了一种毫米波线性化器,分析了其基本结构和工作原理。利用软件建立模型进行仿真优化,依据仿真数据制作实物并应用于某毫米波频段功放,使得三阶交调指标改善了8dB以上。结果表明,该线性化器结构简单、易于集成,具有较强的应用价值。

毫米波功率放大器;线性化器;三阶交调;肖特基二极管

随着移动通信技术的快速多元化发展,通信系统对通信质量和信息处理的要求越来越高,对系统的线性度要求也越来越严格[1]。功率放大器作为毫米波通信系统中的关键部件,也是系统中非线性失真最严重的耗能器件[2]。

1 线性化器原理与基本结构

常用的线性化技术是在放大器前端级联一个线性

化器。线性化器在特定的偏置条件下具有增益压缩和相位扩张的特性,从而产生失真信号,用来补偿放大器在应用中出现的非线性分量信号,最终使功放输出信号得到线性放大,从而改善功放整体的线性度[3]。补偿原理如图1所示,图1(a)表示当输出信号达到一定功率时,增益压缩,产生非线性失真;图1(b)表示加入的预失真器在信号达到一定输出时,呈现增益扩张特性;图1(c)表示经过线性化补偿后,信号实现了线性放大。

图1 线性化技术基本原理

文中设计的线性化器原理框图如图2所示。该线性化器主要由两个相同特性的反向并联肖特基二极管对、偏置高阻线和正交电桥组成[4]。

图2 线性化器的原理框图

2 线性化器的设计

2.1 肖特基二极管的特性

肖特基二极管具有开关速度快、噪声低、工作稳定和动态范围大等优点[5],在高频有着良好的频率响应,利用其设计的线性化器结构简单,易于调试,适合于工程应用。

肖特基二极管是一种有着非线性V-I特性曲线的双端子半导体器件,可模拟成非线性电阻,其小信号V-I变化关系可表示为

I(V)=Is(eαV-1)

(1)

其中,α=q/nkT,q是电子电荷;V为二极管两端所加的偏置电压;k是波尔兹曼常数;T是温度;n是理想化因子;Is是反向饱和电流。在实际应用中,其交流特性还包括二极管的结构与封装导致的电抗效应,典型等效电路如图3所示[6]。

图3 肖特基二极管交流特性的等效电路模型

二极管封装的引线与接触形成一个串联电感Lp和并联电容Cp。图3中的串联电阻Rs是考虑了接触电阻和电流泄露电阻。Cj和Rd分别是结电容和结电阻,它们与偏置电压有关。因此肖特基势垒二极管对的电流表达公式为[7]

i(t)=I0[exp(αdv(t))-exp(-αdv(t))]

(2)

式(2)中,I0为二极管的反向饱和电流;v(t)为二极管两端的电压值;αd为一恒定常数。将式(2)用泰勒级数展开得到

(3)

式(3)中,输出信号中只有奇次项。在功率放大器的非线性交调失真分量中,三阶交调失真分量最靠近基频信号,对系统性能影响最大,因此在这里仅考虑3次项[8]。通过适当调整二极管对的偏置电路,可以消除掉式(3)的其他线性项,仅保留3次项。从而整个系统输出端的电压就可以表示为

(4)

式(4)中,在输出信号中其它高次交调分量已被滤除,仅保留有三阶交调分量,验证了利用肖特基二极管对来制作线性化器的可行性。

2.2 线性化器的设计

为满足应用需求,本文设计的线性化器指标要求如下:A频率为29.4～30.2GHz;B幅度扩张范围为≥2dB;C相位扩张为≥20°。按照前文图2所示的线性化器原理框图在软件中建立仿真模型,如图4所示。

图4 线性化器仿真模型

图5 频率为增益和相位扩张仿真图

在29.4 GHz和30.2 GHz的增益和相位扩张仿真结果如图5所示,优化后的偏置状态下该线性化器在29.4～30.2 GHz范围内的幅度扩张范围约为3 dB,相位扩张>40°,满足设计要求。

3 测试结果

依据软件仿真优化结果,对该线性化器进行了实物制作与测试。为便于级联与测试,该线性化器的输入、输出端口均安装了2.92 mm的K型接头,其实物如图6所示。

图6 线性化器实物图

利用矢量网络分析仪对该线性化器在29.4～30.2 GHz增益和相位扩张特性进行了测试,结果如图7所示。

图7 增益、相位扩张测试图

测试结果表明,在29.4～30.2 GHz范围内,该线性化器增益扩张了约3 dB,相位补偿了30°以上,并且该线性化器的增益和相位扩张趋势与仿真结果相吻合,可以满足应用指标要求。将该线性化器应用于某毫米波20 W功放前端,在功放输出功率为40.7 dBm,双音激励信号频率间隔5 MHz的情况下,29.4 GHz和30.2 GHz的三阶交调测试结果如图8和图9所示。

图8 未加线性化器时的三阶交调测试频谱图

图9 加入线性化器时的三阶交调测试频谱图

测试结果表明,未加入线性化器时,该功放的三阶交调约为20 dB;加入线性化器后,三阶交调约为28 dB,改善了8 dB,使得功放的线性度大幅提高,满足了应用需要。

4 结束语

本文对线性化器的原理和结构进行了分析,并利用肖特基二极管的非线性失真特性,通过仿真和优化,制作了一种简单、可调、实用的线性化器。实验结果表明,该线性化器在毫米波段能够有效改善功放三阶交调,提高功放线性度。

[1] 廖承恩.微波技术基础[J].西安:西安电子科技大学出版社,1994.

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[6] 刘战胜,贾建华.一种新的用于射频功率放大器的预失真器[J].现代电子技术,2006,(4):19-20,25.

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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,硕士,工程师。研究方向:微波毫米波组件的研究与开发。E-mail:jure329@163.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.05.024

TN722.7+

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