小型化星载模拟预失真器的研制

2019-11-26

中国空间科学技术 2019年5期

上海航天电子有限公司，上海 201800

近年来，小卫星在航天领域发展迅速，各种成果令人瞩目。微小卫星体积小、质量小等特点对其测控链路提出低功耗、小型化和低成本等高要求。因此，卫星下行发射链路末端的功率放大器通常工作在接近饱和状态，以提高工作效率，降低整机系统功耗。同时卫星测控通信系统采用了二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)和正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying, QPSK)等数字调制方式，传输数据的速率越来越高。这些数字调制方式通常要求功率放大器具有较高的线性度，来降低数据传输的误码率，又不干扰其微小卫星相邻信道的通信工作。传统的功率回退的方法可以有效满足调制信号对功放线性度的要求，但其是以牺牲效率为代价来换取线性度的提高。另外一个可行的方法是采用线性化技术，通过添加外部电路或者器件来减少功放的失真，降低对功放功率回退的要求。主流的线性化技术有前馈法、负反馈、数字和模拟预失真等[1-3]。

模拟预失真方案通常是利用二极管或者三极管作为预失真器，构建适当的电路结构，在合适的偏压点附近，控制其插损和相位随输入功率的变化特性。其结构简单易实现，功耗低，系统效率和稳定性高，非常适合目前微小卫星通信系统对电路小型化和低功耗的发展要求。本文以肖特基二极管(Schottlky Barrier Diode, SBD)的非线性为基础提出一种新型的小型化、低成本的星载模拟线性化器，该预失真器和发射机末端的功放级联后，可以在不影响功放效率的情况下，有效降低功放的非线性失真。

1 模拟预失真器工作原理

功放的非线性分析如下。

线性状态下的功放，其输出和输入呈线性关系。当功放处于饱和功率时，其工作效率最高，但是线性度恶化明显，表现出极强的非线性特性：幅度失真(AM-AM)和相位失真(AM-PM)，即预失真器的功率增益会随输入功率的增大而压缩,而输出相位呈现出超前特性。一款功放实测的AM-AM和AM-PM曲线如图1所示。

本文拟设计一个模拟线性化器来改善功放在饱和功率处的非线性，其线性化机理可以用图2来表示。输入信号经过预失真器后，利用预失真器的非线性特性，信号的幅度和相位特性分别与功放自身产生的非线性特性相反，二者叠加后相互抵消，从而改善功放输出端口的AM-AM和AM-PM现象。理论上，如果预失真器和功放有着完全互补的非线性特性，功放会得到理想的线性输出。

图1 功放的幅度失真和相位失真特性Fig.1 The characteristics of AM-AM and AM-PM

图2 预失真电路工作原理Fig.2 The principle of predistortion circuit

2 传输型预失真器工作原理

2.1 预失真器原理

图3(a)给出了典型的传输型二极管预失真原理图，C0是隔直电容，R是偏置电阻，二极管通常采用低势垒的肖特基二极管。图3(b)给出了该预失真器在不同信号功率输入时其偏置点的变化[3-12]。

小信号下二极管静态工作点Vds为：

Vds=Vcc-Ids·R

(1)

肖特基二极管电流Ids：

(2)

二极管的等效电阻Rd:

(3)

图3 二极管预失真电路和偏压工作点Fig.3 The circuit of single diode prediction circuit and its biasing point

大信号输入功率时，二极管的电流会出现削峰，信号失真会产生直流工作电流, 改变二极管的静态工作点由小信号点S到大信号工作点L，如图3(b)所示。此时二极管工作点的电流IdL和VdL可以表示为：

IdL=Ir+f(VdL)

(4)

VdL=VCC-RIr-R·f(VdL)

(5)

则此时二极管的等效电阻Rd表示为

(6)

根据肖特基二极管的简易等效电路模型，该传输型预失真器的等效电路如图4所示，利用微波网络方法可以求出其两端口的散射参数S21[10-15]：

(7)

图4 二极管等效电路模型Fig.4 The equivalent circuit of diode

则其幅度|S21|为：

(8)

相位Phase(S21)为:

(9)

由式(8)(9)分析可知, 传输型二极管预失真器的传播特性随着输入功率的变化可以表述为:

Pin(Vin)↑⟹Vd(静态工作点)↓⟹Rtotal↑⟹

|S21|↑,Phase(S21)↓

Pin(Vin)↓⟹Vd(静态工作点)↑⟹Rtotal↓⟹

|S21|↓，Phase(S21)↑

理论分析表明，该模拟线性化器会呈现出幅度扩张(插损变小)和相位滞后特性，与功放在饱和功率时的增益压缩和相位超前特性正好形成互补，二者级联后，通过适当调节电路参数，将会改善功放在饱和功率状态下的线性特性。

2.2 预失真器仿真验证

为验证上述理论分析结果，采用单个二极管设计模拟预失真器，仿真如图5所示。前后各加3 dB衰减改善输入输出端口的驻波特性。二极管旁边并联一个小电容是为了进一步增大预失真器的AM-PM特性，从而更好地补偿功放在饱和功率状态下的AM-PM特性。仿真结果如图6所示, 可见建立的预失真器电路模型，其两端口插损|S21|随着输入功率的增大，呈现出扩张增大线性，而相位Phase(S21)则表现出滞后现象。该预失真器的仿真结果与前述的理论分析结果一致。

图5 单二极管预失真器仿真电路Fig.5 The simulated predistortion circuit of single diode

图6 非线性仿真结果Fig.6 Simulated results of nonlinearity

3 模拟预失真器加工测试

根据前文分析，由并联二极管构成的传输型预失真器能够实现预想的非线性特性，但是单二极管的非线性特性较弱，增益扩张幅度和相位改变程度有限，因此本课题设计了由两个肖特基二极管构成的传输型预失真器，中间由电长度为半波长的微带枝节线连接，实现场强幅度的叠加，增大增益扩张的幅度。同时在二极管处并联一个小电容来进一步改善预失真的AM-PM特性，从而更好地与功放的AM-PM互补。原理及其等效电路如图7所示。

图7 提出的预失真电路和等效电路模型Fig.7 The proposed model and its corresponding equivalent circuit

由式(4)～(7)推导出该双二极管构成的预失真器的S21为:

(10)

则其幅度|S21|和相位Phase(S21)表示为:

(11)

(12)

将该方案设计的预失真器进行加工，基片材料采用普通的FR4板材, 其参数为：厚度1.0 mm, 相对介电常数为4.4，损耗正切为0.02。二极管采用亚光电子的低势垒2H10273B肖特基二极管。实际加工制作的预失真器照片如图8所示。

图8 二极管预失真器实物照片Fig.8 The photo of fabricated predistortion circuit

该模拟预失真器的AM-AM和AM-PM实测结果如图9(a)所示，正如前文分析，随着输入功率的增大，预失真器呈现出幅度扩张、插损减少和相位滞后的特性。二极管有无小电容对预失真器传播特性的影响如图9(b)所示，可见在相同的偏压条件下，加入调节电容的预失真器的幅度变化量和相位有明显变化，通过调节匹配电容从而与功放的相位超前形成更好的互补特性。

图9 预失真电路测量结果Fig.9 Measurement result of the designed predistortion circuit

4 预失真级联功放

通过功放输出端口的AM-AM和AM-PM特性能够定性直观的观察功放的失真现象，但是无法定量的描述功放失真的程度。功放的非线性失真另一个特征现象是：当工作频率不同的两个信号进入功放时，随着输入功率的增大，功放的输出端口会出现新的频率分量，即各种交调分量和谐波分量。在各种寄生的频谱分量中，远离通带外的谐波和交调分量能够被滤波器有效去除，但是3阶交调分量(IM3)通常处于功放的有效工作带宽内且电平值较高，对发射机通道有很重要的影响。处于饱和状态的功放，其3阶交调分量非常高。因此，通常采用3阶交调失真(IMD3)来衡量功放的非线性失真程度。为验证所设计的预失真电路的实际改善效果，将其和常用的某功放级联测试。所用S波段的功放指标为：饱和功率约为32.5 dBm, (1dB压缩点功率31.7 dBm)，线性增益40 dB, 回波损耗优于12 dB。在不同频点饱和功放有无预失真器的3阶交调对比结果在表1中列出。