一种具有温度补偿的GaN功放线性化器

李飞锐，郑宝辉，王雷，陈冠军，刘士奇

摘要：为改善氮化镓固态功率放大器的非线性失真，利用模拟预失真线性化技术，设计出一款新型线性化器，将其用于氮化镓固态功率放大器的线性化驱动模块，并增加温度补偿方案。通过使用多管级联方式增强二极管非线性特性，并对二极管管座电路进行优化设计，将射频接地与直流接地分离，使用电磁仿真软件对线性化器进行仿真验证。仿真结果表明，实物加工后进行测试，可实现增益幅度补偿范围0.9～7.6 dB，相位补偿范围9°～40°，对比相关文献，分别提高了1.2 dB和12°。线性化驱动模块与目标放大器级联测试，在29 GHz饱和功率回退7 dB时，三阶互调改善7.07 dB，性能优异。所设计的预失真器可改善功率放大器的非线性特性，提高卫星通信系统性能，对卫星通信系统具有重要意义。

关键词：微波技术;GaN功放;模拟预失真;温度补偿;线性化器

中图分类号：TN927+.2文献标识码：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx06003

A GaN power amplifier linearizer with temperature compensation

LI Feirui，ZHENG Baohui，WANG Lei，CHEN Guanjun，LIU Shiqi

（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang，Hebei 050081，China）

Abstract：In order to improve the nonlinear distortion of GaN solid-state power amplifier，a new linearizer was designed by using analog predistortion linearization technology，which was used in the linearization driving module of GaN solid-state power amplifier，and a temperature compensation scheme was added.The nonlinear characteristics of diode were enhanced by using multi transistor cascade，and the diode socket circuit was optimized and designed to separate RF grounding from DC grounding.The linearizer was simulated and verified by electromagnetic simulation software.The simulation results show that the gain amplitude compensation range is 0.9～7.6 dB and the phase compensation range is 9°～40° after processing and testing.Compared with the relevant literature，it is increased by 1.2 dB and 12° respectively.The linearized drive module is tested in cascade with the target amplifier，when the 29 GHz saturated power retreats by 7 dB，the third-order intermodulation is improved by 7.07 dB and the performance is excellent.The designed predistorter can improve the nonlinear characteristics of power amplifier and improve the performance of satellite communication system，which is of great significance to satellite communication system.

Keywords：microwave technology;gallium nitride power amplifier;analog predistortion;temperature compensation;linearizer

衛星通信产业迅速发展，频谱资源愈发有限，高效且复杂的调制技术能够充分利用有限的资源，但也对功率放大器（简称“功放”）的线性度提出了较高的要求[1-2]。为达到卫星通信所需的线性度要求，功放通常多采取功率回退法，通过降低工作效率以提升线性度，同时也会造成功放的体积和功耗增大。为解决这一难题，众多线性化技术由此诞生，其中模拟预失真技术具有结构简单、成本低、稳定性好的特点，适用于卫星通信应用场景[3-4]。目前，卫星通信系统中氮化镓（GaN）固态功放芯片已经逐渐取代砷化镓（GaAs）固态功放芯片，使功放既能满足大功率低功耗需求又可以满足小型化要求，但GaN固态功放的高线性化实现难度很大，模拟预失真技术在GaN固态功放中较难实现。近几年，中国也进行了相关方向研究，2018年王崇等[5]设计出基于共面波导的GaN功放预失真器，最大可实现6.4 dB幅度补偿与28°相位补偿，幅度补偿和相位补偿还有待进一步提升。2019年郭文瑛[6]设计的两路合成式预失真器用于GaN功放， 1 dB压缩点回退3 dB三阶互调为23.3 dBc，改善了5.8 dB。本文设计一款新型预失真线性化器，基于该预失真器设计出一款应用于Ka频段GaN固态功放的线性驱动模块，并提出一种线性化器应对环境温度变化的方案。通过该方案可以进一步提升幅度补偿和相位补偿范围，改善功放的三阶互调，对卫星通信系统的相关性能带来提升。

1GaN固态功放失真分析

GaN为宽禁带半导体材料，它具有高导热率、高击穿电压、高电子迁移率、高电子饱和速率、高化学稳定性等诸多优点。以GaN作为衬底材料的功率芯片相较GaAs芯片具有更高的功率密度、更低的温升、更长的工作寿命和更高的可靠性。但GaN芯片功率增益压缩会在较小输入功率时出现，且由于其高功率密度，GaN芯片的非线性区间更广，不同于GaAs固态功放预失真技术对三阶互调改善量很大，GaN固态功放预失真技术改善效果并不明显。因此线性度改善对GaN固态功放预失真器要求更高，GaN固态功放的预失真技术是一个新的话题[7]。

1.1增益幅度与相位失真

假设功放是没有记忆效应的非线性器件，其输出信号是其输入信号的瞬时值，则输出信号Vout与输入信号Vin的关系为

Vout（t）=fVint。（1）

假设输入信号是单音信号：

Vint=Acosω1t，（2）

则展开幂级数形式为

Vout=k1Vint+k2V2int+k3V3int+…。（3）

若ki=0i=2，3，4，…，则功放为线性系统，对功放来说，式（3）中的高次幂项的值很小，简化分析，取其前3项近似表示[8]：

Vout=k1A2/2+k1A1+3k3A2/k1/4×

cosω1t+k2A2cos2ω1t/2+

k3A3cos3ω1t/4。（4）

由式（4）可知，除了基频信号，输出信号中还产生了新的频率分量：直流信号和n次谐波信号等。基频信号的振幅为k1A1+3k3/k1A2/4，包含线性增益k1以及受三次谐波产生的基频分量影响的部分，即产生了幅度失真。k3<0时，系统增益小于线性系统增益，功放会随着输入功率增加而出现增益幅度压缩的现象。对于固态功放，会产生增益幅度压缩[9]。

功放失真中的相位失真往往与幅度失真一起出现。由式（4）可以看出基频信号增益不仅受k1影响，还受到三次谐波的影响，其中A越大，影响越大。对于实际功放，ki大部分是复数形式，因此基频信号的增益随输入信号功率改变之外，相位也会随输入功率发生变化，产生相位失真[4]。

1.2三阶互调失真

互调失真是指含多个频率分量的输入信号通过非线性器件后，其频率分量相互组合形成新频率分量的现象。假设输入信号为双音信号：

Vout=Acosω1t+cosω2t。（5）

其输出后信号为

Vout=k1Acosω1t+cosω2t+

k2A2[cosω1t+cosω2t]2+

k3A3cosω1t+cosω2t3=

k2A2+k1A+9k3A3/4cosω1t+

（k1A+9k3A3/4）cosω2t+

k2A2cos（ω1+ω2）t+

k2A2cos（ω1-ω2）t+

k2A2cos2ω1t+k2A2cos2ω2t+

3k3A3cos2ω1-ω2t/4+

3k3A3cos2ω2+ω1t/4+

3k3A3cos（2ω1+ω2）t/4+

k3A3cos3ω2t/4+

k3A3cos3ω1t/4。（6）

在输出信号中除了基频信号、二次谐波、三次谐波外还有ω1±ω2，2ω1±ω2，2ω2±ω1等互调信号。在这些互调信号中，三阶互调信号2ω1-ω2，2ω2-ω1与基频信号相距比较近，难以用滤波器滤除。此外，三阶互调分量会对临近信道产生串扰，使频谱利用率减小，提高通信链路误码率[10]。所以三阶互调信号是线性化技术的主要处理对象。

2预失真原理与设计

2.1预失真技术原理

线性化技术目的是降低功放在非线性区域的幅度失真与相位失真，改善功放的三阶互调，减少信道外信号串扰，降低链路误码率。模拟预失真技术通过在功放的前级级联一个与其具有互逆非线性曲线的器件来补偿功放失真[11]。假如这个器件的增益幅度失真和相位失真与功放的失真特性互补，则两器件级联后，系统由非线性变为线性，功放的非线性失真将被改善[12-13]。图1从幅相补偿方面解释了模拟预失真技术原理。

预失真器拟采用肖特基势垒二极管作为产生预失真曲线的非线性器件[14]。传统传输式预失真等效电路如图2所示。

由热电子发射理论可知，二极管的IV表达式为

IV=IsexpqVg/nkT-1，（7）

式中：Is为肖特基二极管反向饱和电流;Vg為肖特基势垒二极管结电压。

对式（7）两端同时求导，得到肖特基二极管电导：

Gg=dI（V）/dVg=（qIs/nkT）eqVgnkT 。（8）

二极管电导Gg因结电压Vg降低而减小，而结电压Vg不仅受偏置电压影响，还会受二极管直流工作点影响，当输入功率增大，工作点从小信号变化为大信号偏置，Vg减小。因此，当二极管偏压不变，电导Gg因输入信号功率升高而减小。

对于传统单支二极管并联传输式预失真电路，其等效电路为图2中的二端口网络。

电压与电流关系为

V1=V2，

I1=V2（Gg+jωCj）+I2。（9）

根据微波网络理论，该二端口网络的ABCD矩阵为

ABCD=10

Gg+jωCj1 ，（10）

得到预失真等效电路S21：

S21=2/（2+Z0Gg）2+ωCjZ02，（11）

∠S21=tan-1-ωCjZ0/（2+Z0Gg）。（12）

由式（11）和式（12）可见，当输入功率增大，电导Gg随之减小，预失真增益S21幅度随之增大，相位随之减小，即实现与固态功放失真特性相反的幅度扩张与相位压缩。传统电路结构预失真曲线动态范围有限，当采用多管级联方式，级联管数为n时，式（13）和式（14）为

S21=2/（2+nZ0Gg）2+ωnCjZ02，（13）

∠S21=tan-1-nωCjZ0/（2+nZ0Gg）。（14）

当二极管电导Gg变化，二端口网络的幅相会有更大的动态范围。对比可见，多管级联方式比传统单管并联电路具有更强的非线性特性。此外，由式（13）可知，并联适当电容，可增大相位补偿范围，增强电路可调性。

2.2设计与仿真

由上分析，预失真曲线与GaN固态功放预失真曲线的互补最为重要，因此GaN固态功放预失真技术的关键是补偿曲线的可调性。

本文使用的肖特基二极管型号为MA4E2037，该二极管具有高截止频率，适用于所需频率[15]。电路板材使用相对介电常数为2.2的Rogars5880基板，预失真器电路原理图如图3所示。

预失真器幅度补偿曲线与相位补偿曲线仿真结果见图4，输入功率在-30～20 dBm，幅度补偿可以实现5.89～8.5 dB的调节区间，相位补偿可以实现20°～90°的调节区间。而传统传输式预失真器输入相同的输入功率区间能实现的补偿范围分别是3.2～7.1 dB与2°～16.2°。由此可见，相位补偿范围有很大的提升。

使用电磁仿真软件HFSS对预失真器的无源结构进行设计与仿真，无源传输特性与驻波特性仿真结果见图5，在需求频率范围内输入驻波小于-19.55 dB，插入损耗低于0.57 dB，性能良好。

目标功放为一款20 W固态功放，功放测试结果见表1，线性驱动模块电路图如图6所示。

目标GaN固态功放功率增益约为66 dB，不同频点的饱和输出功率为43.5 dBm左右，预失真器插损为6～20 dB，预失真器工作区间为-25～10 dBm，因此目标GaN固态功放输入功率最小值为-40 dBm，要使预失真器保证可以推动目标GaN固态功放饱和输出，则后级驱动需至少提供22.5 dB的增益，一般固态功放单支芯片可以提供线性增益为20 dBm左右，因此后级需要两级固态功放芯片作为驱动放大器（简称“驱放”）进行驱动，为增添预失真曲线可调性并调节驱动模块增益，在后级再添加模拟衰减器提供0～20 dB衰减，此外还可以再添加固定衰减器进行调节。因为预失真器的补偿范围固定，则在前级添加一级固态功放芯片与衰减器进行调节。

2.3电路工作原理

预失真电路部分：1）使用2个二极管产生预失真曲线加强输出信号的非线性，并额外并联1个电容来增强可调性;2）通过调节肖特基二极管正向偏置电压来改变其等效阻抗，从而改变二极管二端口网络的S参数，取得所需的幅度相位曲线。偏置电路使用高阻线扇形结构扼制射频信号进入直流通路，防止其影响直流供电;3）在二极管管座电路结构上，采用直流接地与射频接地分离的方式，射频信号在λ/4波长开路线进行射频接地，高阻线扇形结构扼制射频信号防止其传入金属化通孔，引发谐振;4）设计叉指电容结构来替代传统电路使用的隔直电容，避免了隔直电容焊接或黏结时引入寄生参数，这样整个无源电路驻波特性更好。同时，该结构可以用于更高频率的电路设计，如V频段、W频段。

线性驱动模块部分：预失真器曲线输出功率范围与目标GaN固态功放的输入功率工作范围并不匹配，此外预失真器带来的功率损耗会影响末级芯片的功率输出。为了保证目标GaN固态功放的输入功率能使其饱和输出，同时使预失真线性化器与目标GaN固态功放适配（即幅度与相位曲线有效地与目标GaN固态功放的非线性幅相曲线在功率范围内相抵消），在预失真器前后级增加驱放、可调衰减器，构成增益调节的驱动电路。输入部分，先经过第一级驱放与模拟衰减器，将输入信号功率调节至预失真器预设输入功率区间。预失真器产生预失真曲线后，经过第二、三级驱放调节输出信号功率，使模块输出信号功率可以推动目标GaN固态功放，模拟衰减器进行功率微调。

电源供电部分：通过供电板为三级驱放提供+5 V为2支模拟衰减器提供0～5 V调节衰减量，为肖特基二极管提供0～5 V正向偏压。

2.4温度补偿方案

实际工程中，在温度变化情况下增益幅相曲线并不相同，低温下功放整体增益会增高，高温下功放整体增益会降低。功放在实际工程中一般已加入温度补偿功能，若外界环境变化，驱动模块将无法与功放进行匹配，不但不能改善功放失真，反而可能恶化其线性度。

本文设计的线性驱动模块使用高低温环境试验箱对线性驱动模块进行高低温测试，与常温结果进行对比，制作温补表。在模块中加入温度传感器，监控单元与高精度模拟衰减器。通过温度传感器将温度信息上报监控单元，监控单元根据温补表对模拟衰减器进行电压调节，控制衰减器衰减量，实现温度补偿。这样可实现在不同温度情况下与非线性功放进行匹配，不仅满足在工作温度-40～55 ℃下正常使用，还可以配合模块内前后级衰减器在工作温度内调节预失真曲线，增强线性化驱动模块的可控性，更适用于实际工程应用。

3实物测试

通过矢量网络分析仪检测实物实际效果。当输入功率为-25～10 dBm时，预失真器可以实现幅度补偿范围为0.9～7.6 dB，相位补偿范围为9°～40°。调节二极管正向偏置电压Vg，可以改变预失真器输出。当偏置电压为0.8 V时，增益幅度与相位曲线结果如图7所示。由此可知，该预失真器曲线与功放失真曲线可实现互补，并且有较强的可调性。预失真器实际测试与计算机仿真结果接近一致，但存在一定偏差，除加工误差外，主要原因为二极管的spice模型不够精确。

线性化驱动模块测试框图见图8。使用信号源Ceyear1465F-V对线性化驱动模块进行双音信号测试，将线性化驱动模块加载于目标GaN固态功放前，设置输入两路信号频率差值为5 MHz，在定向耦合器耦合出输出信号，通过频谱仪进行三阶互调测试。在29 GHz饱和输出功率回退3 dB时，改善4.02 dB;饱和输出功率回退7 dB时（即在29 GHz頻点该功放1 dB压缩点回退3 dB时），改善7.07 dB。29 GHz回退3 dB测试见图9，29 GHz回退7 dB测试见图10。

此外，相同实验环境测试其他工作频点。饱和输出功率回退3 dB时，分别改善3.53，4.16，3.45 dB;饱和输出功率回退7 dB时，在29.4，30.2与31 GHz分别改善6.89，7.21，6.60 dB。由此可见，该线性化驱动模块对GaN固态功放非线性失真有明显改善。本设计功放线性化后，1 dB压缩点回退3 dB，三阶互调为33.26 dBc，改善了7.07 dB，与同类设计相比，有明显优势。

4结语

本文采用多管级联方式，并对二极管管座进行改进优化，设计并实现了一款改善GaN固态功放性能的新型预失真器与一款用于Ka频段功放的线性化驱动模块，结合一种新型温度补偿方案，增大了预失真曲线的调节范围，较大地改善了功放的线性度。对样机进行测试，在29 GHz处，幅度补偿最大可达7.6 dB，相位补偿最大可达40°，结果显示其性能优异。驱动模块应用于目标GaN固态功放，在工作频率内，对目标功放三阶互调有较好改善，在功放饱和输出功率回退3 dB时测试，三阶互调改善3.45～4.16 dB，在回退7 dB时，三阶互调改善6.6～7.21 dB。该模块应用于卫星通信系统，可对系统传输速率、ACPR、链路误码率等指标有较大的提升，对卫星通信系统发展具有重要意义。

该款预失真器幅度与相位补偿仍具有关联性，因此下一步工作将基于该款预失真器进行两路合成式电路设计，分别调节幅度与相位，减少两者制约，进一步增强可调性。

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