一种新型模拟预失真线性化器_李东升.pdf

1482023 adio Engineering Vol.53 No.1doi:103969/jissn10033106202301019引用格式:李东升，李飞锐一种新型模拟预失真线性化器J 无线电工程，2023，53(1):148154LI Dongsheng，LI FeiruiANovel Analog Predistortion Linearizer J adio Engineering，2023，53(1):148154一种新型模拟预失真线性化器李东升，李飞锐(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)摘要:为解决氮化镓(GaN)固态功率放大器(Solid-State Power Amplifier，SSPA)线性度较差的问题，采用模拟预失真技术设计了一款新型结构的线性化器，将 2 支肖特基二极管及其管座电路并联，并通过 2 路偏置电路分别控制，使用微带隔离器减少二极管间的相互干扰，并对输入输出驻波进行改善。通过电路设计软件 ADS 进行仿真，仿真结果显示，可以实现幅度补偿 2.26.1 dB，相位补偿 21.5 49。根据测试数据建立功率放大器非线性模型，与线性化器进行级联仿真。结果表明，目标 GaN SSPA 饱和输出功率回退 3 dB 时，可改善三阶互调 10 dB 以上。进行实物加工及测试，验证了该线性化器可大幅改善功率放大器的线性度。关键词:微波技术;线性化;模拟预失真;固态功率放大器;非线性失真中图分类号:TN802文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):文 章 编 号:10033106(2023)01014807A Novel Analog Predistortion LinearizerLI Dongsheng，LI Feirui(The 54th esearch Institute of CETC，Shijiazhuang 050081，China)Abstract:In order to solve the problem of poor linearity of GaN Solid-State Power Amplifier(SSPA)，a novel structure linearizeris designed by using analog predistortion technology Two Schottky diodes and their socket circuits are connected in parallel andcontrolled respectively by two bias circuits A microstrip isolator is used to reduce the mutual interference between the diodes andimprove the input and output standing wave Circuit design software ADS is used for simulation，and the results show that the amplitudecompensation range is 22 61 dB，and the phase compensation range is 215 49 According to the test data，the nonlinearparameter model of the power amplifier is established and tested in cascade with the linearizer The results show that the IMD3 can beimproved by more than 10 dB when the saturated output power of the target GaN SSPA retreats 3 dB Finally，the physical processingand testing show that the linearizer can greatly improve the linearity of the power amplifierKeywords:microwave technology;linearizer;analog predistortion;solid-state power amplifier;nonlinear distortion收稿日期:20220921基金项目:河北省人才工程培养资助项目(A201901003)FoundationItem:HebeiTalentProjectTrainingFundingProject(A201901003)0引言随着卫星通信的发展，为高效利用频谱资源，系统中采用诸多复杂的调制技术1，这对射频链路末端的功率放大器(简称“功放”)提出了更高的线性度要求2。通常采用的功率回退技术越来越难以满足线性度指标，而模拟预失真技术因其原理结构简单、可靠性高、成本低、稳定性好和带宽较宽等优点得到广泛应用34。目前，固态功放中末级用于功率合成的功率芯片基本采用氮化镓(GaN)芯片5。以 GaN 为衬底的功放芯片与砷化镓(GaAs)功放芯片的失真特性不同，芯片的增益幅度失真呈现“软压缩”特性，即在较小输入功率时就出现压缩现象;其增益相位也呈现相位压缩趋势，与 GaAs 芯片的相位扩张不同6。因此，要对 GaN 固态功放的非线性进行补偿，需使预失真线性化器产生与功放失真特性相反的幅度扩张与相位扩张79。除了预失真曲线的趋势，GaN 固态功放的预失真技术的难点还在于预失真要具备更加优异的预失真曲线可调节性。工程与应用2023 年 无线电工程 第 53 卷 第 1 期1491模拟预失真技术原理分析模拟预失真技术的原理是在功放前加载一个具有幅度补偿与相位补偿的非线性发生器，抵消功放的幅度与相位失真。模拟预失真幅相补偿原理示意如图 1 所示。由图 1 可以看出，预失真器增益幅度曲线与功放幅度失真相反，增益相位曲线与功放相位失真相反，抵消后得到线性功放的恒幅恒相曲线。三阶互调是衡量功放非线性失真的一个重要指标10，三阶互调改善的角度分析如图 2 所示。模拟预失真技术的原理是非线性发生器的三阶互调信号相位与功放的三阶互调信号相位相差 180、幅度相等11，二者级联后将三阶互调失真信号抵消，从而达到改善功放三阶互调失真的目的12。图 1模拟预失真幅相补偿原理示意Fig1Schematic diagram of amplitude and phasecompensation of analog predistortion图 2模拟预失真三阶互调改善示意Fig2Schematic diagram of analog predistortion IMD3improvement模拟预失真线性化器可采用肖特基势垒二极管或场效应管作为非线性器件，国内通常采用肖特基二极管1314。基于肖特基势垒二极管的模拟预失真器有 3 种基本的电路形式:传输式、反射式和两路合成式。传输式因结构简单、电路稳定、成本低成为实际工程中的主要选择。对于传统并联传输式预失真电路，其输出的幅度补偿为扩张趋势、相位补偿为压缩趋势，相位补偿曲线与 GaN 功放失真曲线趋势相同，不能用于改善GaN 功放1516。基于传统并联传输式预失真电路提出一种新型电路结构，可以在传统电路的基础上实现改善 GaN 功放的非线性功能。新型预失真器电路结构如图 3 所示，采用 2 级肖特基势垒二极管进行并联来增强预失真电路的非线性，管座电路采用扇形结构，等效于二极管与电容串联接地，起到改变肖特基二极管输出曲线的作用。图 3新型传输式电路结构Fig3Structure of the novel transmission circuit对单支肖特基二极管及其管座进行数学分析，将其等效为一个二端口网络，等效电路如图 4 所示。其中，Gg为二极管等效电导，Cj为二极管结电容，C0为串联在二极管后的容性器件容值1718。图 4单支肖特基二极管传输电路等效电路Fig4Equivalent circuit of single Schottky diodetransmission circuit根据其电压与电流关系写出该网络的 ABCD矩阵19:ABCD()=101/1/(Gg+jCj)+1/jC01()。(1)由 ABCD 矩阵得出 S21的幅度与相位:工程与应用1502023 adio Engineering Vol.53 No.1S21=2(Y1)2+(Y2)2，(2)S21=arctan C0Z0Y3，(3)式中，Y2=C0Z012C0(Cj+C0)G2g+2(Cj+C0)2();Y2=2+Z02C20Gg+2(Cj+C0)2Gg;Y3=G2g+2Cj(C0+Cj)2G2g+22(C0+Cj)2+2C20Z0Gg。当 Gg(Cj+C0)时，Y2为增函数，而 Y1也为增函数，因此当输入功率增大时，电导 Gg随之减小，预失真电路 S21的幅度呈扩张趋势。对 S21相位函数进行分析，将 Y3对 Gg求导，由其导函数可以得出:当 Gg4(Cj+C0)+16(Cj+C0)2+42CjC20(Cj+C0)Z202Z0C0时，相位函数为减函数。当输入功率增大，电导 Gg减小，S21相位呈现扩张趋势。因此，在肖特基二极管管座电路引入容性器件，不仅不会改变幅度补偿曲线，还可以得到相位扩张的补偿曲线。这种预失真电路幅相补偿曲线与 GaN 功放失真曲线相反，可用于 GaN 功放的非线性改善。2新型模拟预失真电路设计根据上述模拟预失真电路原理分析，在仿真软件 ADS 中进行电路设计，新型预失真电路如图 5所示。图 5新型预失真电路Fig5The novel predistortion circuit呈现容性的扇形结构管座电路在 HFSS 中进行仿真得出 S2P 文件代入 ADS 中;采用交指电容来通射频阻直流，避免直流信号进入预失真器之外的射频链路;直流供电部分采用/4 扇形+高阻线结构进行射频扼流，防止射频信号进入直流供电电源;肖特基二极管选用 MA4E2037，该二极管采用梁式引线封装，减少了串联电感的影响。此外，并联传输式预失真电路利用肖特基二极管的等效阻抗变化来产生幅相补偿曲线，肖特基二极管的阻抗会随着输入功率的变化而变化，因此无法进行阻抗匹配。预失真电路的输入输出驻波很差，因此在输入输出端口以及2 个二极管间添加微带隔离器，改善端口驻波并减少2 个二极管间因射频信号反射产生的相互影响。此电路中，仅可以同时调节 2 个肖特基二极管偏置电压，幅度相位补偿曲线斜率可调节范围有限，若2 个二极管可以分别调节偏置电压，则预失真电路可以输出更丰富的补偿曲线，提升电路可调节性。改进后新型模拟预失真电路结构如图 6 所示，将2 个二极管供电电路分离，分别对其供电，并在 2 个二极管之间添加起隔断直流作用的交指电容，避免2 路电源相互干扰，起到分别调节 2 个二极管的效果。图 6改进后新型预失真电路Fig6Diagram of the improved novel predistortion circuit3电路仿真及结果分析在 ADS 仿真软件中进行预失真电路仿真，仿真结果显示，其幅度与相位都呈现扩张趋势，可以实现2261 dB 的幅度补偿，相位可以实现 21549的扩张补偿。保持偏置电压 v_g=24 V 不变，调节v_g1，预失真补偿变化如图 7 和图 8 所示。可以看出，随着 v_g1 增大，线性化器的幅度补偿量与相位补偿量逐渐增大。预失真线性化器有良好的可调性。将预失真器与目标 GaN 功放进行级联仿真。对目标功放进行建模，测试功放主要性能指标，根据数据在 ADS 中进行建模。目标功放是一款 Ka 频段工程与应用2023 年 无线电工程 第 53 卷 第 1 期1512