摘要摘要由于當今通信系統的快速發展，使通信頻段變得越來越擁擠。為了讓有限的頻譜范圍能夠容納更多的通信信道，人們提出了一些線性調制技術，如QAM0UADRATUREAMPLITUDEMODULA蛀AN、QPSKQUA出ATUREPHASESH遺KEYING等。上述這些變革均要求通信系統具有較高的頻譜利用率和功率效率，而在兩者間更加偏重前者。這樣一來，就要求功放系統具有更好的線性度，因此必須對具有非線性失真的功率放大器采取線性化措施。在眾多的線性化技術中負反饋、前饋、預失真等，我們采用了預失真技術，主要因為其特點適合所選課題。本文的主要內容包括以下幾個方面1介紹了當前幾種常用的微波功放線性化技術，包括負反饋、前饋、預失真、LINC和CAL工UM等技術；分析了它們的原理，適用范圍和優缺點。接下來給出了THALES公司生產的行波管放大器的技術資料和特性分析。考慮到星載設備需要體積小、可靠性高等特點，選取了預失真方法來作為線性化手段。2列舉和分析了單二極管型、二極管對型和單場效應管型線性化器的工作原理和實際應用價值，發現其都具有不便于調整的缺點。為了改善這一缺點，在單場效應管線性化器的基礎上，本文提出了一種新型的預失真結構場效應管與二極管串聯型線性化器并分析了其原理。該種結構具有可調整性強的特點，而且在現有已報道的文獻中尚無此種結構。3應用了AGNENT公司的ADS2004A軟件對上述線性化器進行了仿真，得到較好的效果；確定了微帶電路版圖，加工了測試電路。4通過測試和調整，該新型線性化器的增益、相位非線性特性分別有ODB30DB，0。29。的補償量。針對不同的非線性失真，可以通過調節場效應管和二極管偏置電壓獲得。關鍵詞線性化器場效應管二極管ABS仃ACTABSTRACTWI山也ERAPIDDEVD叩忸EMOFCO姍謝CA石ONSYSTEM，T11ECHALLLLELSBECOMEMOREAILDMORECROWDEDINT11E舶QUENCYBAND111ORDERTOMAKET11E1IMITEDSPECTMMRALLGEACCOMMODATEMORCCOMMUNICATIONCH鋤ELS，SOMELINEARMODULATIONTECLLLLIQUESAREPROPOSED，SUCHASQAMQUADRATUREAMPLITLLDEMODULATION，QPSKQUADRAMREPBASESHINKE，IN曲，ETCTHCSECHALLGESD鋤ANDAHI曲ERSPECTNL珊ANDPOW盯EMCIENCYTOTHECOMRNUNICATIONSYSTEM，誦THAS缸SSONTLLESPEC缸ME硒CIECYTOSOLVETHESEPMBLEMS，AHIGHLINEARITYISDEMALLDEDFORTHEPOWER砌PI訪ERSYST鋤，A11DITISNECESSARYTOTAKESOMEMEASURESAGAINSTT11ENONLINEARDISTORTIONOFPOWERANLPLINERINMANYLINEARTECHNIQUESFEEDBACK，FCEDFORW盯D，PREDISTONION，WEHAVECHOSEDMEPREDISTORTIONMETHOD，MAINLYBECAUSEITSFBATURESARESUITABLEFORMISPROJECTTHEMAINCONTENTSOFTHISDISSERTATIONISASF0110WS1，ITINTRODUCESTHECO姍ONLYUSCDLINEARTECH玎IQUESFORMICROWAVEPOWERAMPLMERATPRESENT謝HICHINCLUDEFEE曲ACK，FEEDFBN盯D，PREDISTONION，LINCAILDCAU刪，ANA】YZEDTHEJRP打NCIP】ES，APP】JCATJON，ADVANTAGESANDDJSADVANTAGESFOLLAWED，IT百VESTHCDATAANDFCAN】REANALYSISOFMETWTA1打ELINGWAVE1仙EAILLPLIFIERPRODUCTEDBYTHALESHLVIEWOFME鋤ALLSIZEAILDH碘RCLIABILITYFORTHESATELLITEUSEEQUIPMEM，PREDISTONIONISMEB韶TCHOIS2，NLISTSAILDAILALYZES也EOPCRATINGP血CIPLEAILD印PLICATIONOFTHESIN醇EDIODE，DOUBLEDIODEANDSIN91EGAASFET1INEARERAILDNNDSTHATTHEYAREA11INCONVENIENTTOBEADJUSTEDINORDERTOSOLVETLLISPMBLENL，ANEWPREDISTONERJSPRESEN也DONTLLEBASISOFSIN91EGAA占FETSTRUCTURETHENEWSTMCTUREINCLUDESAFETA11DADIODEORTWO，AJLDTHEYARECO肌ECTEDINASETIESFOMTHEN，THEDISSERTATIONGIVEAILALYSISTOTHESTNLCTURETHEPREDISTORTERISEASYTOBEA吐JUSTEDA】1DHAS力OTBEE力TOUCHEDUPONI玎THEPRESENTPAPERS3，ANERSIMULATEDBYMEADS2004AOFA舀L鋤T，THESIMULATIONRESULTISGIVE，FIXONTHEMICMSTRIPCIRCUITANDPRODUCTMETESTINGCIRCUIT4，T11ROU曲MEASW鋤ENT趾DADJUSNILENT，WECALLOBTAIN3ODBGAINCOMPOSITIONANDO29。PHASESHININGGCNERATED行OMTLLISNEWSTMCTUREWEALSOCALLOBTAINVARIOURGAINANDPHASECHARACTETISTICST王1ROU曲ADJUSTINGTHEBIASVOLTAGEOFTHEDREDISTORTELKEYWORDLINEARIZERGAASFETDIODE創新性聲明本人聲明，所呈交的論文是我個人在導師的指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內容外，論文中不包含其他人已經發表或者撰寫過的研究成果也不包含為獲得西安電子科技大學或者其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一起工作過的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中作了明確地說明并表示了謝意。中請學位論文與資料若有不實之處，本人承擔一切責任。本人虢互盈遮一目期趔_愛芻洌關于論文使用授權的說明本人完全了解西安電子科技大學有關保留和使用學位論文的規定，即研究牛在校攻讀學位期間論文】作的知識產權單位屬于西安電子科技大學。本人保證畢業離校以后，發表論文或使用論文工作成果時署名單位仍然為西安電了科技大學。學校有權保留送交論文的復印件，允許查閱和借閱論文；學校有權公布論文的全部或者部分內容，可以允許影印、縮印或者其他復制手段保留全文。保留的論文在解密后遵守此規定。1本學位論文本人簽名導師簽名鷲年解密后適用本授權書。日期迎笸攫同期2型笸望第一章緒論第一章緒論追求更高的頻譜利用率和功率效率，關鍵問題在于認識和解決通信系統中功率放大器所造成的非線性失真和其造成的影響。本章首先介紹課題研究的目的和意義討論非線性的成因和其表征方法；對行波管功放系統和固體放大器系統的非線性失真給予數學描述最后闡述本課題的研究內容。11課題研究的目的和意義微波電子系統已廣泛應用于國民經濟、軍事和日常生活中的各個領域。它用來產生、傳輸與檢測微波信號。微波通信、衛星通信、微波遙感、雷達、電子對抗、空間技術、射電天文等就是微波電子系統應用的幾個重要方面。而微波功率放大器是以上眾多微波系統中不可缺少的有源器件之一。可以說哪里有無線通信，那罩就有發射機，而功率放大器則是發射機的核心部件，其性能優劣嚴重影響通信質量。而功率放大器卻恰恰是發射機系統非線性失真的主要“制造者”當然，其它部分也具有非線性，但這些非線性相對于功放來說可以忽略不計，更重要的是非線性失真不容忽視在HMA衛星通信中，衛星轉發器工作于多載波狀態1。為了得到盡可能大的輸出功率，處于轉發器末級的功率放大器必須工作在飽和狀態。此時，當多個載波被同時放大時，由于功率放大器的非線性特性，使輸出信號中出現了許多組合頻率分量。當這些組合頻率分量落在轉發器的工作頻帶之內時，便會產生交調干擾，也叫交調噪聲。這種交調噪聲會對帶內的有用信號帶來干擾，從而降低通信質量。當今通信系統要求在有限的頻譜范圍內容納更多的通信信道，那么就必須使用頻譜利用率更高的傳輸技術。所以，提出了很多線性調制技術，如0AMQUADRATUREAMPLITILDEMODULATION、QPSKQUADRATUREPHASESHMKEYING等。但通信系統中的非線性失真必然會使這些失真信號對相鄰信道產生不同程度的干擾。移動通信系統中，多載波GSM系統要求三階交調抑制度為70DB，CDMA和CDMA2000也要求鄰道干擾在60DB左右。目前最熱門的WCDMA也對線性度提出了更為苛刻的要求；甚至對于CDMA和WCDMA手機來說，線性化問題也不容忽視，其在5MHZ處的鄰道干擾最低要求是一33DB。F21對于自適應天線系統，發射機非線性引起的鄰道干擾會影響相鄰蜂窩甚至相鄰波束的用戶，非線性交調產物會導致波束帶寬、旁瓣抑制、零深等一系列天線的性能指標變差3】。另外，動態信道分配技術要求發射機工作于任何一個信道，最終要求采用寬帶線性化的功率放大器。從以上事例可以了解到一方面人們追求更高的功率利用率，另一方面是日益發展的無線通信產業的要求迫使我們不得不給予功率放大器的線性化問題以足夠重視。目前在國際上，無論學術界還是工程界，對微波功放線性化技術都非常重視。每年在該方面的論文以百分之十幾的速度增長，同時由于該技術有較強的實用性，每年都有上百個相關的專利被申請。而相比之下，在國內的相關文章和一種新型微波功放線性化器工程應用并不多見在衛星通信方面，轉發器功率放大器的線性化器還主要靠進口，一直沒有實現國產化。因此，對于開發我們自己的線性化器迫在眉睫。綜上所述，本課題研究的目的和意義在于深入了解微波功放線性化技術的發展并開發具體的星載線性化器以早日實現其國產化。12非線性問題的具體表述要研究線性化技術，首先必須建立功率放大器的非線性模型，以做到有的放矢。首先，介紹幾種常見的非線性模型建立方法；然后，非別說明TWTA行波管功放和SSPA固放的非線性模型最后闡明適合本課題的非線性表征方式。1，21幾種非線性模型的建立方法如果不考慮記憶效應，可以把輸出信號中的幅度和相位失真看成是由輸入信號的幅度變化引起的4。這種模型實質上考慮功率放大器兩種類型的非線性特性，即AMAM轉換特性和AMPM轉換特性。由于微波功率放大器的這兩個非線性特性可以通過矢量網絡分析儀測量得到，因此由AMAM和舢一PM特性來描述非線性失真是工程中經常采用的方法。1211極坐標非線性模型如果把射頻功放的AMAM，AMPM轉換特性用串聯方式表示，則可以得到極坐標形式的非線性模型?？紤]如下形式的單頻輸入信號S口COS2礦F廬11當該信號通過非線性射頻功放后，輸出信號為S。，口COS2掣FG口12上式中，和G分別表示功放的AMAM和AMPM轉換特性。對于如下的調制信號SIF口FCOS2礬F礦F13輸出信號可以表示為S。F廠盤FCOS2珂F妒FGDF14上式所示的模型可以描述包絡變化的輸入信號所產生的帶內失真擾動，該模型框圖表示如圖11所示口0C。S2J正F啦GD0。I；II；J1J；II；攀2刁。9。8。1【。J【。；。一口0COS2坑十1心硎刪棚圖11極坐標非線性模型框圖1212正交坐標系非線性模型通過上面所給出的極坐標非線性模型，可以得到正交形式模型。這種模型建立了兩個幅度模型，扣F和Q忙F，從而避開了較復雜的AMPM轉換特性。對極坐標形式的非線性特性三角展開后可以表示為S。F廠DOCOSGDRCOS2礬FO，。、一廠DRSINGDFSIN2倒FF第一章緒論上式可以寫成如下正交形式S。F，盤FCOS2召F廬F一QFSIN2巧FR上式中的，F和QF分別定義為，DF廠口OCOSG口OQ口F廠口OSINGNO根據上面所述我們可以得到正交非線性模型框圖，如圖12D0COS21617圖12正交坐標非線性模型框圖1213序列展開非線性模型對于極坐標或正交坐標形式的無記憶非線性模型，都需要通過測量得到AM一舢和AMPM信息，而對于沒有測量的點則需要進行差值運算得到，因此該模型運算量較大。對于非線性系統，一種分析方法是通過各種基函數展開，得到簡單描述的參數模型，這樣可以提高運算速度。目前對射頻功放非線性模型的展開方法有許多，如泰勒序列、功率序列、SALEH函數和考慮記憶效應VOLTEM級數等【5。這里用功率序列展開得到射頻功放的帶通無記憶非線性模型，這種模型適合通信系統中帶通信號的情況。對于一個無記憶非線性系統，其輸出信號可以用輸入信號的功率序列表示，如下式所示S。FCOCLSFFC2S。OC3S。3018式中S。F是輸出信號，墨O是輸入信號，Q是各次展開系數。當輸入信號為固定頻率F的單倍載波正弦信號時，上式所描述的非線性系統會產生頻率為F倍數的信號分量，這些信號分量成為基準頻率分量SIN2礬F的諧波失真分量。交調分量與基波頻率間隔非常近，是通信系統的主要干擾信號。當多個調制信號通過非線性射頻功放時，這些交調分量會落在通信頻帶內，會對所需要傳輸的信號產生很大的干擾，這就是多載波系統中非線性射頻功率放大器要面對的主要問題。對通信系統而言，交調失真比諧波失真要嚴重得多，因為諧波分量一般遠離工作頻率，因此可以通過濾波器方便得濾除。一般來說，功率放大器線性化技術的目的就是消除交調分量對通信系統的影響。122TWTA簡介及其非線性模型L221TWTA簡介TWTATRAVELINGWAVENBEAMPLMER叫行波管放大器，屬于微波電真空器件F6。微波電真空器件具有頻率高、功率大、效率高、抗核輻射能力強等優點。其基本原理是解決如何有效地把電子流的直流能量轉換成微波能量，它是通過高速電子流和微波電磁場的相互作用來實現的。行波管有低噪聲行波管和功率行波管之分，低噪聲行波管的噪聲系數一般為16DB，功率行波管可以作為發射機的末級或中F日J級功率放大器。它的效率可以達到70，輸出脈沖功率達兆瓦級。行波管放大器的結構示意圖如下4一種新型微波功放線性化器豳L3行波管放大器結構不意圖由圖13可見，它主要由以下幾部分組成1電子槍有陰極、燈絲、加速極2高頻結構包括慢波系統和高頻輸入輸出裝置；3收集極；4聚焦線包電磁線圈。從電子槍發出電子流，經過加速極電壓的加速，飛入慢波系統。在這里它和電磁波的行波電場相互作用，交出一部分能量，最后打在收集極上。被放大了的電磁波從慢波系統終端輸出。1222TWTA非線性模型衛星轉發器的非線性特性絕大程度上取決于輸出級行波管放大器的非線性特性。TWTA的非線性包括幅度非線性AM，AM和相位非線性AM伊M，像本文前面所述，它有兩種非線性模型極坐標模型和正交坐標模型7】。其原理框圖如下TH幽14TWLA非線性模型原理框圖，A極坐標B正交坐標理論和實踐證明當交調產物較少時，可認為幅度失真和相位失真是相互獨立的，因此可用F交坐標模型計算。假定有N個不等幅、不同頻率的調頻多路信號輸入行波管放大器，則多載波信號可以表示為上XF爿。COSQF辦JL卅FCOSF妒F19其中，為等效中心頻率，疵為第J個頻率信號的相角，4F、妒F分別為合成信號的振幅和相位，可以寫成上一FSINQ一F諺FTANL寺L一彳，COSQ一弦諺JL第章緒論爿2F爿卜4爿，COS【Q一魄一妒111J1F；，JL畔JL112門出式19至1，12可見，多載波合成信號可等效為個頻率為繇的調幅調頻信號。由于行波管放大器固有的振幅壓縮和調幅調相變換作用，使得傳輸信號的振幅和相位發生畸變，得到如下的輸出信號ZOG爿COS【田0F廬F妒4113式中G爿、Y爿分別表示TWTA的振幅和相位非線性特性。從行波管放大器的典型輸入輸出曲線中可以看到振幅非線性是包絡的奇次冪項的級數相位非線性是包絡的偶次項級數。這一點從這兩個非線性特性的相互作用中也可以看到，只有奇次冪的振幅特性和偶次冪的相位特性相互作用后才能產生奇階交調，這種交調產物才落在轉發器的工作頻帶之內，否則將落在頻帶之外。因此TWTA的振幅和相位特性可以表示為G4盤I爿口3彳3D5彳5114P462爿2644氏彳6一115式中A，N，N，；6，6。，66，均為與行波管放大器特性有關的常數，且一爿F。由以上兩式可知行波管放大器的振幅特性為奇次型，相位特性為偶次型。在其飽和點附近，放大器的振幅壓縮和相位畸變很嚴重，因而，多載波傳輸時會產生交調干擾。當這種干擾最嚴重時，使得載波噪聲功率比降到解調器門限值以下，使其無法工作。123SSPA非線性模型SSPAS01IDSTATEPOWERAMPL訪ER固態功率放大器研究始于七十年代中期，由于SSPA在一下幾個方面都優于TWTA只需要低壓直流供電；體積小、重量輕；可靠性強；過推限幅特性好；失真小，線性度好；壽命長；相移?。辉肼暤汀Ｒ虼说玫窖杆侔l展，并逐步用于衛星通信中8。但SSPA作為一種有源器件，交調失真總是不可避免地存在。固態功放的非線性分析也可用冪級數或、，01TERRA級數。采用冪級數分析過程同行波管放大器分析類似，這里不在累述。不同點是SSPA的M，PM變換特性很小，小到甚至可以忽略不計。124非線性特性的表征方式這里談到的非線性特性表征方式是指在線性化問題中我們具體關心的非線性衡量指標。如果能很好的表征功放系統的非線性特性，線性化問題才會有據可查。本文認為非線性表征可分為頻譜形式和增益、相位形式。1241利用頻譜表征非線性當信號通過功率放大器時會產生一系列交調分量和諧波分量，衡量其失真強弱就看交調分量電平和主信號電平的差值，差值越大，失真越小反之，失真越大。常用的形式有雙音交調和鄰信道功率干擾比【9。圖15給出了雙音信號通過放大器后產生的交調和諧波分量頻譜。種新型微波功放線性化器OAMP“LUDCFC2FC3FC圖15雙音信號諧波和交調分量在CDMA系統中常用ACPRADJACEMCH黜E1LEAKAGEPOWERRATIO鄰信道功率干擾比，來表示非線性失真。如圖16所示OM0三；20皂；30五”一4D50AEP是剖CPRJ8AEP冀。1MACPR啤粥廠。、F。；一、，、|幽17放大器增益、相位特性通過以上表示方法，得到了功率放大器的非線性特性描述。如果從頻譜角度出發，我們可以采用頻譜對消的方法達到線性化的目的；如果從增益、相位角度出發，我們可以設計出與放大器增益、相位特性相反的非線性網絡來使其線性部分得以延伸，即使之線性化。本課題所完成的線性化器正是用后者這一方法來完成的。第一章緒論13論文研究內容概述本文首先介紹了功率放大器非線性模型的建立方法和非線性表征方法。著重談了極坐標模型和正交坐標模型的建立，用T1岍A和SSPA模型舉例。對于非線性特性表征方式問題，分別用頻譜和增益、相位特性來說明。接下來，本文將介紹幾種常用的線性化技術功率回退法、負反饋法、前饋法等，并討論其優劣所在。為了適合衛星通信系統的特點嚴格限制功耗和系統重量，本文所研究的線性化器采用預失真方法，因此第二章的第二部分著重討論預失真方法。從預失真的分類談起，然后舉例說明系統型預失真器和元件型預失真器的工作原理，并且給出數種元件型預失真器的電路圖及理論分析。第三章講述本文所研究的新型星載微波功放線性化器的提出和原理分析。提出基于的理由是易調整性和低損耗原則。理論分析部分以微波網絡知識為依據，分析了GAASFET和微波二極管串聯型網絡的網絡參數，其間涉及到GAASFET非線性模型的建立。第四章及以后章節分別介紹該種微波功放線性化器的軟件仿真、微波實現、測試調整和結果分析。種新型微波功放線性化器第二章微波功放線性化基本方法本章以介紹微波功率放大器的線性化技術為主。首先介紹幾種線性化常用方法功率回退法、負反饋法、前饋法等并分析其優缺點。第二部分詳細介紹一下適合于衛星通信系統的預失真技術，內容包括預失真的分類和實例。在舉例說明中分別闡述系統型預失真器和元件型預失真器。21幾種常見的線性化技術211功率回退方法11所謂功率回退法是指“大管小用”，就是將大功率管用于小功率放大，應用其輸入，輸出的線性部分或者是將功放的工作點回退至飽和區以下。該方法的缺點在于以犧牲直流功耗為代價來提高放大器的線性度，放大器的功率利用率大為降低。其優點在于簡單易行，不需要任何附加設備就能實現很好的線性度。在等幅雙頻信號輸入的情況下，與輸出1DB功率壓縮點對應的三階交調系數為20LGNF3D日C一2375DBC21任意輸入功率的三階交調系數滿足公式2220LG，D口【2P加一PF玎1礎一2375船22POU“L圖21放大器輸入輸出特性如圖21，當放大器輸入功率超過PIN1DB時，輸出功率略有增加，但，增加很快。根掘公式22，PIN每增加LDB，肼，惡化2DB；反之，若功率回退1DB，則、改善2DB。功率回退法就是將放大器的輸入功率回退至線性輸出區，以達到改善三階交調的目的。但是這方法使功放的功率效率大為降低，并且當第二章微波功放線性化基本方法輸入功率回退到一定程度時，三階交調將不再改善。由以上分析可知功率回退法簡單易行，不需要任何附加設備以達到改善三階交調的目的。這種方法的缺點是使得功率放大器的功率效率大為降低，因此，該方法不適合于對功率效率要求較高的情況，也不適應于對線性度要求較高的情況。此方法必須和其它線性化技術配合使用以達到線性化的目的。212負反饋方法負反饋方法是將功放輸出的非線性失真信號耦合一路，通過反饋網絡并倒相后送回到輸入端，與原輸入信號疊加后共同作為功放的輸入信號，以減小功放的非線性失真。2121直接反饋反饋方法又分為直接反饋和失真反饋，圖22為直接反饋原理示意圖。圖22直接反饋原理圖圖中反饋網絡不僅有反饋作用，還有倒相作用將耦合來的反饋輸出信號倒相，用以疊加輸入信號，以產生反相交調失真信號。將反饋回來的信號和原輸入信號一并成為新的輸入信號輸入放大器，如此循環。直接反饋法是一種常用方法，雖然簡單易行，但會使放大器增益和效率降低且在寬帶系統中穩定性不好。2122失真反饋方法失真反饋類似于預失真方法。反饋回輸入端的信號只含有主信號以外的失真信號，用于產生反失真信號，從而減小放大器輸出的交調分量。原理圖如下圖23失真反饋原理示意圖種新型微波功放線性化器從失真反饋原理圖中的頻譜變化規律容易看出其工作過程，由于篇幅有限，這里不再詳細浣明其原理。需要說明的是該方法增益高于直接反饋，但其穩定性很大程度上依賴于反饋網絡?？傊?，負反饋方法雖然可以抑制交調分量，但是基波信號通過反饋網絡會造成損失。213前饋方法總體來說前饋方法是將放大器輸出信號加以處理，使交調分量得以減小。如圖24圖24前饋原理框圖前饋系統包括兩個部分電路失真檢測電路和失真消除電路12】。失真檢測電路的目的是抑制放大器輸出中的輸入信號成分，而只剩下由主放大器產生的失真成分。失真消除電路的目的是抑制失真成分，而使信號的最終輸出只剩下放大器的輸入信號成分。設系統輸入信號為F，主放大器的輸出為。R，則有，F二塾OEXP一，國LF23其中L，和爿。分別是主放的時延和增益，屹F是主放產生的失真信號。達到減法器一端的主放產生信號大小由耦合器的耦合因子C決定，設這一耦合因子為1C則2去忙去啪EXP蛾等24減法器另一端的輸入信號為K。F，是由凈輸入信號延時而得到的F掣EXP一，毛25第二章微波功放線性化基本方法其中耳，是這一單元的時延，則減法器的輸出信號即檢測到的失真信號為圪。F一。O一T。O去哪EX卅鷴1掣一竿時鳩26由式26可以看出，當弓。L。，C。，4。時，系統輸入信號將完全被消除而只剩下失真信號，即啪等旺，失真消除環路的工作原理與失真檢測環路類似，設輔助放大器爿的增益為爿。，時延為L，耦合器C的耦合因子為LQ，且失真消除電路一路上的時延為弓，則放大器的總輸出為U歸州一掣誓FEXP_ML，引哪EXP引一燾哪EXP一碼Z28由式28可知，當耳乃。，4。CFLC。時，失真信號F將完全消除，此時輸出信號變為吃。F二FEXP卜I，L。弓爭FCXP一，L，L29二此時容易看出，放大器輸出信號中已經不再含有失真分量。以上所述是前饋線性化技術應用的一典型實例。前饋線性化技術具有不受頻帶限制，在大頻帶范圍內無條件保持較高穩定性等優點。但是，該技術往往結構復雜，頻譜對消時往往難以調整，而且體積較預失真系統大，所以不易使用于衛星通行系統中，而在民用通信系統中使用較為頻繁。214其它功放線性化方法簡介132141EER技術EER技術的基本原理如圖24所示，中頻輸入信號通過包絡檢測器和限幅器，一種新型微波功放線性化器得到幅度和相位形式的輸入信號。，I纈圖24EER技術原理框圖恒包絡的輸入信號經過混頻器變頻后成為射頻信號，送入非線性射頻功率放大器輸出。分離后得到的中頻包絡信號對供給電壓信號進行調制，然后用所得的調制信號來控制功率放大器。這種技術最先由KDM提出，最新發展是同負反饋技術結合來增加IMD壓縮量。2142CALLUM技術和LINC技術本振幽25CALLUM技術原理框圖信號分離幣一元圖26LINC線性化技術原理框圖CALUJM技術最先是由BAT鋤AN提出，原理如圖25所示，該技術是把輸入信號轉變成兩路恒包絡信號，采用兩路負反饋環來實現信號分割，分別經放大第二章微波功放線性化基本方法器放大以實現線性化目的。該方法應用頻率較低，電路復雜。圖2，6所示的是LINC線性化技術原理框圖。該技術同CALUJM技術一樣，也是將信號分成兩路以實現線性化的，但電路實現起來相當復雜。顯而易見，以上技術實現過程很復雜，而且使用頻率較低，不適合衛星通信使用。22預失真技術預失真技術也是一種常見的功放線性化技術，在微波和衛星通信中被廣泛采用。因為它相對簡單，并且能夠作為一個獨立的單元插在放大器之前。預失真器產生個非線性轉移特性，這種特性在幅度和相位上與放大器產生的轉移特性相反?；蛘哒f，預失真器是互調失真發生器，如果它產生的互調失真同放大器產生的互調失真在幅度上相反，相位相差180。，那么放大器的互調失真將被完全消除了。221預失真技術的分類預失真技術的分類可以說紛繁復雜，可以根據不同的角度給予其不同的分類。根據預失真器在發射機中的位置，可以分為射頻預失真、中頻預失真和基帶預失真技術。根據預失真器處理信號的形式，可以分為模擬預失真和數字預失真。以上兩種分類便于理解，不再累述。從本文觀點來看，可將其分類為系統型預失真和元件型預失真。所謂系統型預失真技術，即是通過系統的觀點，搭建一個由多個元件組成的網絡，使整體具有預失真的功能，圖27中給出的就是一個系統型預失真的原理圖。圖27系統型預失真原理圖如上圖，假設雙頻信號輸入，頻譜如A，經過分路電橋1后分成兩路，一路經線性放大器A放大，頻譜如B；另一路經非線性放大器B，輸出頻譜為B，兩路信號再由電橋2合成一路輸出，調節非線性支路的相移器中，可以使B和B。反相，從而合成頻譜C，即為失真信號頻譜；將此信號輸入主放大器，則輸出的交調分量得到抑制。而所謂元件型預失真則是用一個非線性器件來產生與放大器增益、相位特性相反的非線性轉移特性，把該元件單獨作為預失真器。作為預失真器的非線性器4種新型微波功放線性化器件可用二極管或場效應管來實現，其電路具有很多形式，圖28中給出幾例14。、A二極管預失真器B場效應管預失真器圖28元件型預失真器舉例除了上述的分類方式外，預失真器還有傳輸型和反射型之分，這是根據預失真器電路結構不同而劃分的【15。傳輸型是把非線性失真單元直接作為預失真器，僅通過非線性失真單元產生與放大器特性相反的轉移特性。而反射型預失真器則是把非線性失真單元作為預失真器的一部分，依靠線性支路和非線性支路以及耦合器共同實現預失真效果，圖圖29所示圖29反射型預失真器原理圖由此可見，無論傳輸型和反射型，其設計的關鍵在于非線性失真單元。因此本文的核心在于對非線性失真單元的設計上。綜上所述，無論反射型還是傳輸型，均具有電路簡單、易實現的特點，所以該種結構適用于星載功放的線性化。辯謝第二章微波功放線性化基本方法222預失真器實例分析2221包絡反饋預失真器16對于A類、AB類、B類功放，當信號峰值功率遠小于飽和功率時，功放的非線性失真可以近似表示為三次多項式，而輸出信號幅度隨輸入信號的幅度改變而出現失真越W蝴和輸出信號的相位隨輸入信號的幅度而出現的失真AM，PM變換曲線近似相同。通過可變衰減器和移相器可以減小功率放大器的非線性失真。框圖如下考慮輸入信號XF1為圖210包絡反饋預失真器原理框圖川剮C。S噱一等F拙OSQ等F2爿COS等咖0S刪210其中A是單路信號幅度，國，是中心頻率，是頻率間隔。若放大器的AMAM轉換特性可以表示為三次多項式，且忽略AMPM轉換特性以簡化分析，那么進入反饋環之前的輸出信號為YFN】XF2220D工3F弘2翩S警帥。S力鴝4如。S2等咖。S2州塢8肌。S3警咖。S3扣Z橢S等啪2啦脅S等葉扣2知S等F3】COS叫扣Z佃S等啪2C。SF2峨R十知2翩S等嘞3C。S3剛26種新型微波功放線性化器觀察上式，其中含有中心頻率分量，也含有遠離中心數翠的諧波分量。假定濾波器能很好的濾除諧波分量，那么輸出信號中就只含有如下項；H24COS等F要D，2彳COS竽F堋COS婢1D2爿C。S竺FC。S，F3D，爿，C。S竺RCOQF3吒一3C。S耐C?！绑肍COSIF2N一十毛一3C。S等FC。S吐F毛爿3C。S半響。SQR212從式212的結果可知左邊項即為被放大的輸入信號，而右邊一項是濾波器難以濾除的三階交調分量。放大器輸出信號并通過濾波器后的部分的包絡YF為Y。F鴰2脅S等R十扣2砌S等啪3213經過包絡檢測，差分放大器的輸出為DFC。2爿COS蘭箬F一C。，Y。，F214其中C。和C。分別表示輸入輸出的耦合系數。通過選擇C。和C0，我們可以使DF盡可能描述放大器的非線性特性。可變衰減器將射頻輸入信號與DF相乘輸出，則為只。，F2爿C。S今巖RC。2爿C。S全竽F一C。，Y。，FGL】215其中G為可變衰減器的傳輸特性斜率。當上述信號通過放大器放大后，YF的包絡是Y。F1只。，F十D3吃F216這樣經過幾個反饋周期后，反饋環路穩定，輸出為沒有失真且被放大的輸入信號，從而達到了預失真效果。2222二極管預失真器迄今為止，二極管預失真器是引用最為廣泛的線性化器。使用微波二極管的線性化器具有結構簡單、易實現、易生產等特點，而且產生的三階交調分量大。在這些二極管預失真器中有用單二極管實現的也有用多二極管實現的，二極管對也通常被用作奇階交調提取器。二極管非線性單元同樣也具有傳輸型和反射型之分，象圖28A中所示電路就屬于傳輸型電路，且由單二極管構成。以|I給出幾種多極管實現的預失真器，如圖21L第二章微波功放線性化基本方法P圖211多二極管預失真器我們分別舉單二極管傳輸型和二極管對反射型預失真器為例，對其原理加以說明。下圖為單管傳輸型預失真器17】圖212單二極管傳輸型預失真器及其等效電路在輸入功率增加的情況下，二極管的直流工作點是從小信號偏置變化到大信號偏置，變化曲線如下圖圖213直流偏置曲線直流工作狀態下二極管上的電流，。、電壓巧可用如下公式描述一種新型微波功放線性化器比CR6D其中L廠西EXP寺一1這樣一來，二極管的等效電阻RD可以表示為217擊器唧C一番，眨A式218表明RD是隨VD的變化而變化的，而VD是隨著直流偏置點的變化而變化的，所以當直流偏置點發生變化時RD也發生變化，也就是當輸入功率增加時RD也增加。如下鼢2面砭未2肌ZO一，螞踢】219。21一面甬蓊可歷面了N刖什島廣甜_瓜厶。J“。塒其中R二魯，Z。為電路的特性阻抗。將式219寫成幅值、相位形式如下P2扣萬南。，2等2C，Z。2220氆，TAN弋一番，由以上推導可知，R增加時S，的幅值變大、相角減小。這一特性恰好與功率放大器的非線性特性相反；在不同偏置電壓、不同的直流偏置電阻RB的情況下，該線性化器的S，幅值、相位值改變量均不同。這些特性正好滿足線性化器的非線性特性，因此，該形式的電路可以用作功放預失真器使用。上面介紹了單二極管傳輸型預失真器的特性分析，接下來介紹二極管對反射型預失真器的原理。要搞清楚管對預失真器【18的原理，我們必須首先清楚反相并聯二極管對的非線性特性。圖214給出了反相并聯二極管對的示意圖第二章微波功放線性化基本方法VT圖214二極管對非線性單元根據肖特基二極管的模型，通過二極管對的電流JF可以表示為IO厶EXPVF卜EXP一VF】221用泰勒級數展開，只取前三項近似得嬸“2厶叩F；掣3222則反相二極管對的導納圪F可以表示為馳器喵H曠223通過匹配使得屹F勛3V2F，因此理論上只有第二項表示的信號才能被反射回輸出口，反射系數為F“砌3V2F，則輸出端口的輸出電壓表示為。RVF。O“尼咚Y30224式224意味著理論上只有三階分量才能被輸出，而其他分量均被抑制這就是反相二極管對作為非線性失真單元的基本原理。利用反相二極管對這一特性搭建起來的預失真器如圖215所示X圖215一極管對預失真器該線性化器通過個90。電橋將輸入信號分成兩個相等電平的信號，輸入信一種新型微波功放線性化器號的一半送到3端口的可變電抗負載X，所有到達電抗負載X的功率都被反射回電橋，這個反射電壓的相角通過電抗反射系數的相角和入射電壓聯系起來。輸入信號的另一半被傳輸至2端口，通過一段傳輸線送到反相平行二極管對，到達管對的功率絕大部分也被反射回電橋，由于二極管被大功率驅動，從它反射回來的電壓的幅值和相位都要發生變化。如下圖所示VX圖216原理分析其中，以_TALL一砉璽。2端口的入射電壓和反射電壓的關系為蹦肚耽器嵩旺2S，其中ZD是2端口的端口阻抗。從2端口和3端口反射的電壓通過矢量合成，其結果呈現于4端口，輸入功率和輸出功率的關系為PD“忙只咒仨覦一削么鮒226么是電抗X的反射系數，PD么御是二極管分支的反射系數。因為ZD是輸入功率的函數，所以通過選擇適當的陸和ZD就可以得到合乎需要的非線性特性，這種非線性特性和功率放大器產生的非線性特性是相反的。2223場效應管預失真器場效應管預失真器是指用場效應管作為非線性產生單元的預失真線性化器，和二極管類型相同，也可以分成傳輸型和反射型兩種電路結構。從場效應管的接地方式看分為共柵型19】柵極接地和共源型源極接地，早期用場效應管構成的線性化器中多用共柵結構。在共柵結構中，場效應管實際上是作為“無源”器件來使用的，它是通過調節柵極電壓柬控制源漏電阻的。而往往這些共柵結構的線性化器會帶來比較大的插損，所以它與功率放大器不能直接級聯，而要在線性化器和功率放大器之間接入緩沖放大器又叫通道放大器，以保證輸入功率放大器的功率達到要求的電平。但作為一個非線性特性產生單元來說是能夠達到預定效果的。圖217中給出了共柵結構反射型A和傳輸型B的電路原理圖，以供參考。第二章微波功放線性化基本方法A反射型B傳輸型圖217共柵結構FET線性化器原理圖但據文獻報道，擁有以上結構的共柵結構線性化器帶寬特性不理想，且插損較大。應用時需要在其前后加入很多線性放大或衰減網絡才足以和功率放大器級聯。這種結構還難以調整，分析仿真時還需要建立共柵結構場效應管的大信號模型，具有一定的難度。后來，有文獻提出了一種共源、漏極接地結構的非線性產生單元20以作為線性化器，如圖218所示幽218共源結構非線性產生單兀這種結構主要依靠源一漏電阻RDS的變化來提供所需的增益、相位變化。因為浚結構只需很少的元件就能實現，所以其具有高達10GHZ的帶寬特性和很好的穩定性。這種結構的非線性特性可以通過調節柵極偏置電壓來改變，以達到所需的程度。源極接地，漏極零偏置的場效應管簡化等效電路模型如圖219A所示。等效電路中已清楚地標明了源一漏電阻RDS隨柵極偏置電壓即C2S上的電壓變化的規律。在這種偏置狀念下，場效應管的工作點將隨著RDS的增加由線性區偏陽1L紐一L|T主。卜。H1_1LJ王種新型微波功放線性化器向飽和區，這樣一柬，FET將提供如圖219B所示的增益、相位特性。A共源FET簡化模型B增益、相位特性仿真圖幽219共源結構FET非線性產生器模型及其特性由圖可見，這種特性正是線性化器應具有的特性。但是使用這種結構的非線性產生器插損也大，經仿真分析，用該結構實現的線性化器在線性區增益為一20DB。這就意味著它需要增益更大的通道放大器把其輸入推動到放大器所需輸入功率等級后才能和功率放大器級聯。與共柵結構一樣，這種結構只有一個電壓調節點柵極偏壓，因此，對于要求較高的非線性效果，單靠這一調整難以做到。在共源型結構誕生以后，人們為了使非線性產生單元的插損減小，提出了雙場效應管串聯型預失真器結構2L】，如圖220所示卜P叫FVDS2VISL圖220雙場效席管預失真器這種設計的提出大大減小了線性化器的插損，只采用增益較小的通道放大器即可實現線性化器和功率放大器的級聯，甚至可以省去通道放大器。文章講到這里也就引入了本課題研究的對象場效應管與二極管串聯型線性化器。該課題就是由雙場效應管串聯型結構得到的啟發，嘗試了場效應管與二極管串聯結構的實現，并獲得一定的效果。串聯結構的分析將在下一章節給出。23本章小節這一章節中，我們討論了功率放大器的線性化技術。首先介紹了幾種常用的譬口轄一SF0一第二章微波功放線性化基本方法線性化技術，包括功率回退法、負反饋法、前饋法、EER法、CALLUM方法等。給出了這些線性化技術的基本理論根據。由于本文研究的主要是預失真方法，所以本章在很大的篇幅上介紹了預失真線性化方法，詳細給出了包絡反饋預失真原理分析。而后分析了二極管和場效應管線性化器的原理，給出了一些參考電路。最后由串聯場效應管預失真器引出了本文研究的對象場效應管與二極管串聯型線性化器。種新型微波功放線性化器第三章新型微波功放線性化器本章重點討論新型微波功放線性化器的提出及其理論。首先，介紹場效應管與二極管串聯結構線性化器被提出的背景和原因；然后，給出新結構的電路圖，并分部分利用微波網絡知識來分析各組成畢元二極管部分和場效應管部分；最后，對整體網絡特性做定性分析。31新結構提出的背景及原因討論新型線性化結構的提出首先應該從本課題研究的目的談起。本課題研究的目的主要是為了改善THALES公司生產的某型號星載行波管放大器的線性度。該行波管放大器主要由行波管TWT和電源EPC兩大部分組成，它具有單級放大倍數高、帶寬寬、效率高、可承受的工作環境溫度高等優點，但是行波管陰極限制了它的壽命，它的線性度比較差，高壓電源的可靠性較低。它的非線性特性主要表現為三階交調失真。該行波管放大器工作頻率為117GHZ122GHZ，其非線性特性如表31，輸入輸出功率曲線和A，D，PM轉換曲線如圖31、32所示非線性靜嫠輸入回退功增盞壓縮相位增加交調載波比頻率GHJ率DBDBCIDB輸出功率回通椿0DBO66436，851DB447317217811831172DB6521416，0313973DB31，34115916ODB069541，45LDB4972982411811952DB70519017761373DB851451371420DBO7，0744031DB525282246511861222DB7221，8518241383DB861471443142表3】行波管放大器非線性特性第三章新型微波功放線性化器W一；“黛降確沁、，7，。，77，M12氣Q1I、L，“矗。L。、，妙A117GHZ輸入輸出功率曲線L童廠。FLI。，爿；囂。下氣F1B1195GHZ輸入輸出功率曲線一種新型微波功放線性化器友，IX，一，鉬麓T秈L磚攤C122GHZ輸入輸出功率曲線圖31TWTA在不同頻率點輸入輸出功率曲線F竺斗二斗二鼉II。O。0。IJ。，。H趣謝骶HY豁，鼯心”、0蕙、器豳32行波管放大器的AM，PM轉換曲線根據上述圖表，在輸出功率回退3DB處，CI改善LODB，線性化器只需增益有15DB左右的補償、相位有15。左右的補償，就能達到使行波管放大器線性化第三章新型微波功放線性化器的目的。本文研究的線性化器將圍繞這個指標進行設計。不言而喻，所研究線性化器屬于星載設備。按照星載設備在尺寸、重量、穩定性上的嚴格要求，我們力求線性化器具有較小的尺寸和較輕的重量，同時具備定的穩定性。因此，我們選取預失真方法解決這一問題，并采取傳輸型結構，這樣做有利于減小系統尺寸也便于生產、制造?？紤]到二極管預失真器和單場效應管預失真器會帶來較大的插損，且其調整點單一。因此，本課題計劃采用網絡串聯型預失真器，這樣有利于減小插損，從而使系統對通道放大器的要求降低。同時，多個網絡串聯的形式很容易使調整點增加，有利于非線性特性的調整，便于使其與功率放大器相配套。基于以上原因和現實，又不失創新性，本課題試探性地采用場效應管和微波二極管相串聯的形式來實現預失真器模塊。32新結構的電路形式及其理論分析321電路形式介紹本文在第二章最后部分介紹了雙場效應管串聯型結構的預失真器，電路結構如圖220所示為了便于查看，這里重新給出電路圖，命名為圖33。這里，我們給出這種結構的等效電路模型，如圖34，新結構提出的思想正是由該等效電路所啟發的。圖33前圖220卜P洲FVDS2卜圖34串聯FET等效電路模型觀察雙場效應管串聯等效電路，FETL的等效模型可以表示為一個電容CDSL和一個電阻RDSL并聯的形式，而與之串聯的FET2的等效電路模型則類似于FET作為放大器時的等效電路模型。由于相關參考文獻中將該種結構做成MMIC電路，因此，在兩個場效應管的連接處沒有各自的封裝參數。在該結構