一种基于二极管的ka波段预失真线性化器

杨卅男 王志刚 徐锐敏

(电子科技大学，成都611731)

接收发射技术

一种基于二极管的ka波段预失真线性化器

杨卅男 王志刚 徐锐敏

(电子科技大学，成都611731)

本文研制了一款用于毫米波频段，且频率响应十分优良的模拟预失真器，该预失真基于两路式结构，采用四个3dB电桥，两个肖特基二极管和两个变容管构成。通过调节肖特基二极管和变容管的偏置电压、微带线的电长度可以得到不同的增益扩张和相位扩张效应，并使其在不同频率下，增益和相位曲线相近。通过ADS软件对该预失真器进行仿真，仿真结果表明，在29GHz到31GHz的变化范围内，该预失真器可提供6dB的增益扩张和50°的相位扩张，且随频率变化增益与相位变化小于0.5dB和5°。

肖特基二极管;模拟预失真;温度补偿;增益扩张;相位扩张

0 引言

随着移动和卫星通信的迅猛发展，对行波管放大器(TWTA)的输出效率和线性度提出了更高的要求。但是在满足多载波操作和高数据传输速率的同时获取所需的线性度，就需要行波管放大器功率回退，以降低效率来实现［1］。线性化技术就是用来降低由于行波管工作于饱和区而引起的幅度失真和相位失真，从而避免以牺牲效率来换取线性度的行为。在众多的线性化技术中，预失真技术由于其结构简单、工作稳定性高、频带宽、效率高等特点，非常适用于卫星通信系统对体积、效率或成本有较高要求的场合［2－3］。

但是基于二极管的预失真器有一个缺点，输入输出端口不能实现良好的匹配，且对频率十分敏感。本文针对线性化器的幅度与相位特性，经过理论分析与软件仿真，首次提出了一种两路式结构，通过调节微带的电长度，使其幅度与相位不随频率变化。

1 预失真器原理

预失真器的基本原理就是让输入信号在进入功率放大器之前，先经过一个与功放的非线性特性相反的模块，以此来补偿功放所产生的非线性失真，从而使得信号的传输最终呈现为线性。这个反向的模块即被称为预失真器，它的特性与功放互逆，其原理如图1所示。极管的偏置电压可以实现线性相移，调节下支路中的肖特基二极管的偏置电路使其产生非线性信号。然后在通过 3dB电桥将两路信号合成后输出。

图2 预失真电路模型

图3 增益系数示意图

2 预失真电路的设计与仿真

2.1 预失真电路的设计

本文基于预失真技术的基本理论和肖特基二极管的非线性特性，设计了一款应用于ka波段的预失真电路。其电路模型如图2所示。

如图2所示，该预失真电路采用两路式结构，首先使用3dB电桥将输入信号(k0)等功率分离，等到两路幅度相同，相位相差90°的信号，分别进入上下两条支路，上支路为线性支路，下支路为非线性支路，上下支路均使用3dB正交分支线耦合器，利用其较好的端口驻波特性实现较好端口匹配，避免在输入和输出端口采用隔离器，一定程度上降低了系统的复杂性。调节上支路中的变容二

如图3所示，在小信号输入的情况下，增益系数(ko)由非线性支路的增益系数(k1)和线性支路的增益系数(k2)叠加而成，随着输入功率的增加，k2保持不变，但是k1却因为肖特基二极管的非线性而随着输入功率的增加而增加。所以随着输入功率的提高，输出增益系数由ko变到korf，相位由φo变到φorf。通过调节上下两条支路的偏置电路，可以使预失真线性化器获得不同的幅度扩张和相位扩张，从而满足补偿行波管非线性失真的要求。

令上支路中3dB电桥输入端口和输出端口的信号电压分别为Vu1和Vu2，上下支路中3dB电桥输入端口和输出端口的信号电压分别为Vl1和Vl2，整个预失真线性化器的输入端口和输出端口的电压分别为Vm和Vout［4］，则:

其中Γu和Γl分别为上下两支路中3dB电桥的反射系数。由肖特基二极管的等效电路可得

其中G0为电路的特性导纳，G和B分别为肖特基二极管的可变电导的电纳，B=w·Cj，w为工作频率，Cj为肖特基二极管等效电容。

图4 肖特基二极管的等效电路

由式(1)－(3)可以得到在上下两条支路3 dB电桥输出端口的电压:

最后经过3 dB电桥将两路信号合成，可以得到该预失真线性化器的增益幅度和增益相位的表达式如下:

由于式(6)和(7)中的Γu的特性与上支路中的变容管的偏置状态和微带线的电长度有关，Γl的特性与肖特基二极管的偏置状态和微带线的电长度有关，所以通过调节上、下支路的偏置电路和微带线的电长度可以得到所需的增益幅度补偿和相位补偿曲线。

2.2 预失真电路的仿真

利用ADS对如图2所示的电路进行仿真，并用谐波仿真对其频率进行扫描。如图5所示该电路所采用的材料是Rogers RT/duroid 5880，其介电常数为2.2，厚度H=0.254mm。其仿真结果如图6和图7所示。图3显示的是在五个频率下，幅度随输入功率的变化曲线图;图4显示的是在五个频率下，相位随输入功率的变化曲线图。

图5 两路式电路仿真图

图6 幅度随频率变化曲线图

图7 相位随频率变化曲线图

从仿真结果图可以看到，当输入功率从 －35dBm变化到20dBm，该预失真器可提供6dB的增益扩张和50°的相位扩张温度，且随着频率从29GHz变化到31GHz时，幅度变化小于0.5dB，相位变化小于5°(这里相位看的是相对相位)。

3 结 论

本文利用两路式结构和四个3dB电桥设计了一个ka波段的模拟预失真线性化器。并运用ADS软件对电路进行了仿真测试。其仿真结果表明，对于ka波段的预失真器，增益扩张达到6dB，相位扩张达到了50°，并且随着频率从29GHz变化到31GHz，增益变化小于0.5dB，相位变化小于5°。

［1］李培，黄建，罗勇.采用二极管的射频预失真毫米波功放线性化器［J］.微波学报，2010，26(4):70－73.

［2］李少岚，延波，李晨飞.采用二极管的模拟预失真毫米波功放线性化器［J］.微波学报，2012，28(1):70－72.

［3］Bera S C，Singh R V，Garg V K.Diode－based predistortion linearizer for power amplifiers［J］.Electronics Letters，2008，44(2).125－126.

［4］S.A.Maas.Nonlinear Microwave Circuit［J］.Artech House，1988.

［5］R.H.Caverly，G.Hiller.Temperature effects on PIN diode forward bias resistance［J］.Solid State Electron，1995，38(11).1879－1885.

［6］Bera S C，Singh R V，Garg V K.Optimum bias loadline compensates temperature variation of junction diode’s RF resistance［J］.IEEE trans.theory tech，2007，55(2).215－221.

［7］李秦龙，胡欣，李实等。一种端口匹配的行波管预失真线性化器［J］.真空科学与技术学报，2013，4:315－320.

A Diode－Based Ka－band Pre－distortion Linearizer

Yang Sanan，Wang Zhigang，Xu Ruimin
(University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731)

An analogue pre－distortion linearizer with perfect frequency response employed in mmw frequency band is researched and developed.The linearizer is based on two－channel structure，and composed of four 3dB bridges，two Schottky diodes and two variodes.Different gain expansion and phase expansion effect can be obtained by adjusting bias voltage of Schottky diode and variode and electrical length of microstrip to make gain and phase curve closing at different frequency.The pre－distortion linearizer is simulated with ADS software.The simulated result shows that the pre－distortion linearizer can provide gain expansion of 6dB and phase expansion of 50°within variable range of 29－31GHz，and change of gain and phase is less than 0.5dB and 5°as change of frequency.

Schottky diode;analog pre－distortion;temperature compensation;gain expansion;phase expansion

TN952

A

1008-8652(2016)04-061-03

2016-05-29

中央高校基本科研基金(A03011023801006002)

杨卅男(1991－)，男，硕士研究生。主要研究方向为微波毫米波集成电路与系统。