Ka频段模拟预失真线性化器设计

徐 扬，吕立明

（中国工程物理研究院 电子工程研究所，四川 绵阳 621900）

0 引 言

近年来，无线通信技术迅速发展，通信频率逐渐升高至毫米波频段，加上信号调制方式的进步，对功率放大器的线性度提出了更高的要求。为了满足要求，功放线性化技术应运而生，常见的线性化技术包括功率回退、前馈、负反馈以及预失真技术等[1-7]。

前馈技术的电路结构复杂，系统效率低下，适用频段低，负反馈除了与前馈技术有相同的缺点外，还具有带宽窄的局限。相比之下，预失真技术的电路结构简单，稳定性高，近年来在行业中得到了很好的发展与应用，按照处理射频输入信号的方式，预失真技术可分为数字和模拟两种，其中模拟预失真技术直接处理已调制射频信号，核心器件为产生非线性补偿量的肖特基二极管，该技术在不但结构简单、性能稳定，而且具有工作频带宽、易于集成与工程实现等优点，适用于毫米波频段下的射频电路设计[8]。本文使用ADS 2020软件针对经典反射式模拟预失真电路进行优化改进，并用ANSYS对其无源结构进行建模仿真，验证新型模拟预失真电路的幅度扩张与相位压缩效果。

1 模拟预失真器技术原理

预失真技术的原理是在功率放大器的前端设置预失真单元，该单元在射频信号输入时产生一个非线性的预失真信号，由于预失真单元与功率放大器的非线性特性相反，该信号能够与功率放大器自身产生的非线性信号互补，减小功率放大器射频输出信号中的非线性分量[9]。图1所示为预失真系统及原理。

图1 预失真系统及原理

模拟预失真电路的核心器件是肖特基二极管。肖特基二极管是利用特定工艺使得半导体表面蒸发出金属膜，在金属和半导体的接触面结构上形成金属-半导体结，以多数载流子的物理运动过程为原理来实现性能的非线性半导体器件。由于肖特基二极管不会发生电荷短缺现象，故也称其为多子器件[10]。对于肖特基二极管的伏安特性，可列出方程：

式中，∂=q/nkT，∂近似等于1/25 mV；q是电子电荷；k是玻尔兹曼常数；T为温度；n为理想因子。图2所示为肖特基二极管的小信号等效电路和伏安特性曲线，可以看出肖特基二极管电阻特性呈现出的非线性，即只需提供微小的偏置电压，就可以产生很大的非线性，并且伴随产生大量的高次谐波分量，可用来平衡功率放大器的非线性失真，这种性能表现决定了其可以用作模拟预失真电路中产生非线性信号的部分。另外，肖特基二极管在毫米波频段的频率响应特性良好，工作动态范围大，开关转换速度快，适用于毫米波频段下的射频电路设计。

图2 肖特基二极管小信号等效电路及伏安特性曲线

2 模拟预失真器电路结构

图3所示为经典反射式模拟预失真器的电路结构，整体电路由肖特基二极管搭配90°电桥构成，射频信号经过隔直电容由耦合器输入端输入，由电桥分为两路分别输出至肖特基二极管产生非线性预失真信号，经由无源传输线-末端电阻结构反射，预失真信号最终到达电桥的隔离端口完成输出。反射式模拟预失真器的缺点是难以保证传输线-电阻结构间合适的阻抗匹配，并且在毫米波频段下，实物装配时任意的微小偏差都会对模拟预失真器的性能产生影响。此外，毫米波频段下的电路对射频通路中的电阻也有更高的要求，需要使用质量更高的薄膜电阻才能满足。最后，产品设计与实物装配时也需要准确调节肖特基二极管与金属接地孔之间的距离，以保证线性化器的工作带宽不会受到影响[11]。

图3 经典反射式模拟预失真电路

为了解决上述问题，在经典反射式模拟预失真器的电路结构基础上进行改进，得到新型模拟预失真线性化器，电路结构如图4所示。无源结构均使用微带线进行设计，包括隔直电容、90°电桥、偏置高阻线、射频接地线以及λ/4开路线。模拟预失真线性化器的输入输出端口上设置有隔直电容，其作用是保证直流电源不会对线性化器前后的射频器件产生影响。在毫米波频段下，射频电路中使用贴片电容会带来不可忽视的误差，故本文使用微带线耦合形成的交指电容来实现隔直作用。新结构取消了传输线-电阻结构的接地方式，避免了该结构在阻抗不匹配或装配不当时带来的性能影响，接地转采用射频与直流隔离的方式，既改善了接地效果，也避免了二极管经由金属化过孔进行接地时伴随的寄生效应。新结构对肖特基二极管分别供电，可独立调节肖特基二极管的偏置状态。

图4 新型反射式模拟预失真电路

以往的设计中，肖特基二极管可等效为电纳与电导的并联[12]，如图5所示。

图5 肖特基二极管等效电路

由于90°电桥的存在，线性化器电路整体结构具有对称性，可将其看作为具有单输入输出端口的二端口网络，其正向传输系数可表示为：

由上述表达式可知，线性化器的正向传输系数S21可由D点反射系数ΓD决定。由于结构对称，选取任意一条肖特基二极管支路分析其原理，支路可等效为如图6所示结构。

图6 非线性支路等效电路

由等效电路可以得知，D点的反射系数表达式为：

其相位与幅度表达式分别为：

3 软件仿真及结果

使用ADS 2020电路仿真软件进行设计，设计目标为中心频率30 GHz处增益扩张量≥10 dB，相位压缩量≥30°。在肖特基二极管的选材上，考虑到肖特基二极管的非线性主要受可变电导和结电容的影响，以及封装带来的寄生效应影响，电路选用MA-COM公司生产的MA4E-2037型号无封装肖特基二极管作为非线性产生的核心器件，在仿真时建立该型号二极管的Spice模型并带入电路。在介质基板的选材上，考虑到线性化器工作在毫米波频段，电路选用0.254 mm厚度的RT5880基板进行设计。电路仿真原理图如图7所示。电路由两个肖特基二极管、一个并联电容、两个偏置电阻以及无源结构组成，通过改变偏置电压、偏置电阻可以改变肖特基二极管的状态，从而获取需要的非线性补偿特性。

图7 原理仿真电路图

在电路原理图仿真的基础上，用ANSYS电磁仿真软件建立各无源结构模型，由于无源结构之间的连接可能导致仿真偏差，将原理图中的无源结构按照与肖特基二极管的连接关系分为两部分，分别在ANSYS中建立整体模型，并带回ADS2020进行联合仿真，联合仿真电路图如图8所示。

图8 联合仿真电路图

频率为30 GHz，输入功率在-50～20 dBm变化范围内，并联电容为10 pF，偏置电阻均为50 Ω且微带长度为1.63 mm时，设定偏置电压初始值为0.5 V，调节区间为0.1～1.0 V，对其进行扫描，线性化电路的预失真特性随偏置电压变化如图9所示，增益扩张效果的范围为2～20 dBm，相位压缩效果的范围为15°～60°。当偏置电压增大，幅度与相位随输入增大的变化幅度减小，偏置电压为1.0 V时，幅度与相位几乎不变，可根据功放所需的补偿程度来动态调节偏置电压，以获取相应的非线性特性。

图9 偏置电压扫描时预失真特性

在上述条件下固定偏置电压为0.5 V，设定频率中心值为30 GHz，调节区间为29～31 GHz，对其进行扫描，线性化电路的幅度补偿与相位压缩效果随偏置电压变化如图10所示，由幅度补偿曲线的离散性可以看出，线性化器在29～31 GHz内的幅度补偿效果较为均衡，在工作带宽内的性能良好。

图10 29～31GHz内预失真特性

根据仿真得到的相关参数，设定偏置电压为0.4 V，此时线性化器的非线性补偿区间平缓且幅度较大。线性化器补仿真结果如图11所示，在频率为30 GHz处，输入功率范围-50～20 dBm，偏置电阻为50 Ω，增益补偿为18 dB，相位压缩为60°。

图11 预失真器仿真结果

4 结 论

本文利用并联肖特基二极管产生非线性补偿量，设计新型反射式模拟预失真线性化器。通过改变肖特基二极管的偏置状态，调节整体电路的非线性程度，进而得到可准确补偿功放的非线性特性。经ADS2020软件的原理仿真以及联合仿真验证的结果表明，频率为30 GHz时，该线性化器设计可获得20 dB的增益扩张和60°的相位压缩，电路结构简单且补偿效果较好。