KU波段卫星功放预失真电路及温度补偿设计

汪涛，陈兴盛，何贺贺，刘劲松

（1.安徽华东光电技术研究所有限公司，安徽芜湖，241002；2.合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽合肥，230009）

在通信卫星功率放大器的电磁兼容设计中，功放的线性化是首要解决的问题。由于航天载荷等因素的限制，需要尽可能的挖掘功放自身的潜力以提高其输出功率，这就对卫星功放的线性化设计提出了更高要求[1-3]。预失真是功放线性化中最重要的一种技术，通过在功放输入端之前加入预失真电路，让信号经历与功放非线性特性相反的失真，这两种相反的失真叠加后使得功放输出端的线性范围增加，从而有效提高功放输出功率[4-5]。

通信卫星在太空中的环境温度变化非常大，向阳面和背阳面的温度差在100℃以上，如此剧烈的温差对卫星功放预失真电路的性能影响很大，其增益和相位特性随温度变化越小越好，因此必须进行功放预失真的温度补偿。每一种预失真电路都有特定工作频段，在工作频段外不发挥作用，目前已报道的预失真电路大多工作在L波段、S波段等低频波段，以及Ka波段等毫米波波段[6-7]，项目亟需的13-15 GHz功放预失真电路及温度补偿须自行设计。

目前的文献中仿真结果和实验结果均具有良好的一致性，这证明了利用软件设计预失真电路及温度补偿电路的可靠性。目前的预失真电路设计方法，一般是用SPICE、ADS等进行肖特基势垒二极管（SBD）建模分析，然后构建单级和多级SBD预失真电路，并与实验值比较。本文首先用SBD和PIN二极管设计单级和多级预失真电路，再引入PIN二极管和对管电路结构进行预失真特性和温度特性优化设计，从电路结构的优化设计中改进预失真电路的温度特性，并与国内外文献中的已有结果进行对比。

1 Ku波段功放预失真技术及温度补偿原理

■1.1 Ku波段功放的预失真技术

功放预失真的本质是基于信号叠加原理，每一款功放都只在特定输入功率范围内具有线性，当输入功率超过输入1dB压缩点时，输入功率增加但输出功率保持不变，功放呈现非线性特性。在功放的输入端前加入与功放非线性特性相反的非线性电路，信号在进入功放前已被非线性电路进行了与功放特性相反的失真，信号依次经历非线性电路和功放后，输出信号和输入信号之间的线性范围得以扩展。同理，当信号经历预失真电路的三阶交调与信号经历功放的三阶交调同幅反向时，两者的叠加使得非线性消除，功放的线性范围得以扩张。

■1.2 温度补偿原理

固态微波电路中的有源器件如二极管、MOS管等大多由N型掺杂和P型掺杂的半导体构成，环境温度变化时半导体内部的载流子浓度、迁移率等均会发生变化，影响半导体的电阻率等电学特性，使器件呈现出温度敏感性。为抵消预失真电路性能随温度的变化，在电路中设计由相反温度变化特性的热敏电阻或二极管等构成的温度补偿模块，本文选用PIN二极管和SBD设计温度补偿电路，使预失真电路和温度补偿模块的整体性能不随温度变化。

■1.3 KU波段功放预失真电路的主要技术指标

KU波段功放预失真电路设计中重点关注的技术指标有增益扩张、相位压缩、温度特性等。项目所需的预失真电路指标如下：（1）工作频率为13-15 GHz；（2）输出功率动态范围在-20-0dBm左右；（3）增益扩张超过20dB，在0-60dBm（功率1mW-1000W）的输入信号范围内；（4）相位压缩大于80°；（5）温度特性，输入不变时输出幅度在-50-150℃的变化小于1dBm。

2 预失真电路的设计与研究

■2.1 单级预失真电路的设计及仿真

选用的PIN二极管为Skyworks公司的APD0805，根据管芯数据手册[7]，APD0805在小信号状态的等效电容值为Cj=0.13pF，在大信号状态的阻值约为Rs=1Ω，反向饱和电流Is=1.2x10-11A,载流子寿命50ns，N=1.7，Vj=1V，M=0.5，Fc=0.5，Bv=100V，Ibv=10-5A。 选 用 的 SBD 为Alpha公司的DMK2308，根据管芯数据手册，DMK2308在小信号状态的等效电容值为Cj=0.05PF，在大信号状态的阻值约为Rs=4Ω，反向饱和电流Is=0.5x10-12A,载流子寿命0.01ns，N=1.05，Vj=0.82eV，M=0.26，Fc=0.5，Bv=4V，Ibv=10-5A，Eg=1.43eV。

图1 三种二极管单级预失真电路的性能仿真

图1显示了三种二极管的预失真效果，APD0805是PIN管，DMK2308和CDF7620是SBD，单个二极管是最简单的预失真电路。相比之下，单管DMK2308的增益扩张可达11dB，温度变化时输出波动1dB。PIN二极管APD0805的温度特性最好，温度变化时输出波动0.2dB，但是预失真性能很差，增益扩张仅4dB。因此，本文选择以DMK2308为主体构建预失真电路，满足增益扩张和相位压缩要求后，再用APD0805改善温度特性的设计思路。

■2.2 二极管级联预失真电路的设计及仿真

通过器件级联构建2只、3只、8只DMK2308二极管的串联电路，以增强电路的预失真性能，电路如图2(a)。和单级SBD预失真相比，级联后预失真特性明显增强，管数越多预失真性能越好。然而，电路预失真性能和温度变化特性是相反的，增益扩张越大，电路的温度特性就越差，因此，级联电路存在一个两种性能折中的最优值，3只DMK2308二极管串联电路的增益扩张、相位压缩、温度变化特性等整体综合性能折中起来考虑是最优的。

3 温度补偿电路的设计与研究

■3.1 预失真电路的温度变化特性分析

以上研究表明，采用三级SBD的串联可能获得最佳的预失真性能和温度特性，图3给出了三级SBD串联预失真电路在（-50,150）℃的温度范围内，增益扩张和相位压缩温度变化曲线，预失真性能随着温度升高而显著增强，输出信号的增益变化最大可到8dB，严重影响了电路的预失真性能，为此，需要对该电路进行温度补偿设计。

图2 二极管级联预失真电路的设计与仿真

图3 三级SBD串联预失真电路的温度特性

■3.2 预失真电路的温度补偿设计

采用4种方案研究三级SBD串联预失真电路的温度补偿如图4(a)，输入和输出之间串联的三只正向DMK2308二极管起到预失真作用，反向二极管起到温度补偿作用。方案1是用3只反向串联的PIN二极管构成温度补偿电路，与预失真电路并联，形成对管结构。方案2是用6只反向串联的DMK2308二极管构成温度补偿电路，与预失真电路并联，形成对管结构。方案3是用6只反向串联的PIN二极管构成温度补偿电路，与预失真电路并联后，再串联1个PIN二极管。方案4是用6只反向串联的PIN二极管构成温度补偿电路，与预失真电路并联后，再串联2个PIN二极管以改善性能。方案4可以获得最佳的预失真性能和温度稳定性，其增益扩张超过20dB，增益随着温度在（-50，150）℃波动时变化约0.4dB。温度补偿电路改善了电路的温度变化特性，但也降低了增益。

■3.3 本文预失真电路和参考文献的对比分析

综合比较预失真电路的主要性能参数，如工作频率、增益扩张、相位压缩、温度特性等，和参考文献相比，本文选用SBD 和PIN二极管均符合当前卫星功放电路的电磁兼容要求，在（-50，150）℃温度可提供20.1dB的增益扩张和超过80°相位压缩，明显优于参考文献。

图4 三级SBD预失真电路的温度补偿设计与仿真

表1 本文预失真电路与文献结果的比较

4 结论

本文研究了KU波段功放预失真电路及温度补偿的工作原理和设计方法，分别设计了单级、多级级联预失真电路，分析了增益扩张、相位压缩、温度特性等性能指标，选取三级级联电路分析了温度变化时预失真特性曲线，对其进行了温度补偿电路设计。本文引入SBD设计了无电感、电阻和电容的预失真电路，由于电感、电阻和电容在芯片中的面积非常大，进行版图匹配设计时面积更大，当前的集成电路工艺尽量少用电感、电容等无源器件，因此，该有源电路在和后级的功率放大器集成中有重要应用。考虑到卫星功放的环境温度变化，采用SBD和PIN两种特性的晶体管通过改进电路设计实现了（-50，150）℃较为稳定的预失真功能，本文设计的预失真及温度补偿电路满足了项目要求的卫星通信功放的电磁兼容设计。