新型寬帶行波管線性化器設(shè)計(jì)

陳長(zhǎng)偉，曹 勇，秦開(kāi)宇

?

新型寬帶行波管線性化器設(shè)計(jì)

陳長(zhǎng)偉，曹 勇，秦開(kāi)宇

(電子科技大學(xué)航空航天學(xué)院 成都 611731)

現(xiàn)代衛(wèi)星通訊利用非恒包絡(luò)數(shù)字調(diào)制技術(shù)，需要高效寬帶線性功率放大器。由于行波管高效率和寬帶特性廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊中，但是其強(qiáng)非線性造成帶外失真和帶內(nèi)干擾影響通訊質(zhì)量。模擬預(yù)失真由于其電路簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)、低功耗、小體積、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)適用于衛(wèi)星通訊。該文介紹一種寬帶行波管線性化器設(shè)計(jì)，擴(kuò)展帶寬達(dá)到1.2 GHz，頻率范圍19.8～21.0 GHz。測(cè)試結(jié)果顯示該線性化器在帶寬1.2 GHz內(nèi)，非線性可以在幅度擴(kuò)張2～5 dB，相位擴(kuò)張20～50°內(nèi)調(diào)整，雙音測(cè)試時(shí)，輸入雙音信號(hào)功率回退6 dB時(shí)與行波管級(jí)聯(lián)測(cè)試后三階交調(diào)改善17.8 dB，取得很好的改善效果。

模擬預(yù)失真; 寬帶線性化器; 三階交調(diào)失真; 行波管放大器

隨著現(xiàn)代衛(wèi)星通信的高速發(fā)展，多載波、高階數(shù)字調(diào)制等非恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用需要寬帶、高效率和線性大功率功率放大器，行波管由于其高效率和寬帶特性在星載通信中廣泛應(yīng)用[1]，但是其強(qiáng)非線性產(chǎn)生交調(diào)失真和鄰信道干擾，降低衛(wèi)星通訊質(zhì)量也對(duì)鄰信道通信造成影響。為補(bǔ)償非線性失真，多種線性化技術(shù)如基帶預(yù)失真、前饋等被報(bào)道，一方面這些技術(shù)主要應(yīng)用于窄帶通信，如基于DSP的基帶預(yù)失真的線性化系統(tǒng)由于復(fù)雜度和功耗難于在超過(guò)100 MHz的帶寬實(shí)現(xiàn)[2-3]，前饋系統(tǒng)一般帶寬僅為10～100 MHz[4]；另一方面，基帶預(yù)失真和前饋?zhàn)赃m應(yīng)算法中需要用到高性能數(shù)字芯片，而在航天領(lǐng)域，高性能芯片容易受到單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)影響，可能引發(fā)軟錯(cuò)誤、硬錯(cuò)誤甚至失效[5]。模擬預(yù)失真由于其電路簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)、功耗低、體積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)適用于衛(wèi)星通訊。

當(dāng)前模擬預(yù)失真線技術(shù)利用肖特基二極管[6-7]和場(chǎng)效應(yīng)管[8]作為非線性發(fā)生器構(gòu)建行波管線性化器。由于電路各元件寄生效應(yīng)等因素的影響，行波管線性化器的帶寬設(shè)計(jì)是主要難點(diǎn)之一，如國(guó)外K波段線性化器帶寬[6-7]為400 MHz，國(guó)內(nèi)研制的某X波段線性化器[9]為200 MHz。本文利用雙路平衡式電路結(jié)構(gòu)的線性化器，能夠部分消除線性化器各元件帶來(lái)的寄生效應(yīng)，從而擴(kuò)展帶寬并且有較好的駐波特性。

本文對(duì)行波管和線性化器進(jìn)行建模計(jì)算優(yōu)化給出預(yù)失真擴(kuò)張所需的幅相關(guān)系，構(gòu)建平衡式雙路線性化器，分析其矢量合成形成幅相擴(kuò)張曲線的過(guò)程，最后與行波管級(jí)聯(lián)測(cè)試，得到17.8 dB的三階交調(diào)改善。

1 行波管非線性特性及補(bǔ)償分析

行波管是無(wú)記憶強(qiáng)非線性功率放大器，設(shè)其輸入信號(hào)為：

式中，

利用級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)理論，推導(dǎo)出線性化器的理想預(yù)失真特性AM-AM和AM-PM，其模型為：

為簡(jiǎn)化三階交調(diào)的計(jì)算量，同時(shí)不降低線性化器非線性計(jì)算精度，線性化器非線性特性通過(guò)冪級(jí)數(shù)展開(kāi)為五次復(fù)系數(shù)多項(xiàng)式：

圖1 線性化后行波管三階交調(diào)曲線

2 線性化器設(shè)計(jì)及電路實(shí)現(xiàn)

2.1 線性化器設(shè)計(jì)

線性化器由輸入輸出3 dB電橋或功分器、移相器、衰減器和非線性發(fā)生器構(gòu)成，原理框圖如圖2所示。單載波下令輸入信號(hào)為：

經(jīng)3 dB電橋分為線性支路和非線性支路，非線性發(fā)生器由肖特基二極管產(chǎn)生預(yù)失真非線性，線性支路經(jīng)移相器和衰減器，改變其幅度和相位，匹配線性支路和非線性支路的幅度和相位，使上下支路幅度和相位處于一定的關(guān)系，合成后形成幅度和相位非線性擴(kuò)張。

圖2 線性化器結(jié)構(gòu)框圖

其矢量合成輸出信號(hào)為：

利用三角函數(shù)變換，式(8)經(jīng)變換可得：

兩信號(hào)矢量合成，其合成如圖3所示?？梢钥吹揭跃€性支路為參考，隨著輸入功率的增加，非線性支路的信號(hào)NON(Low)被壓縮為NON(High)，而經(jīng)過(guò)矢量信號(hào)合成，輸出結(jié)果out(High)的幅度和相位大于out(Low)，從而實(shí)現(xiàn)了幅度和相位的擴(kuò)張。

圖3 模擬預(yù)失真雙路矢量合成圖

由圖4可以看到隨著輸入信號(hào)的增加，非線性支路分量幅度變小，輸出信號(hào)幅度和相位增加，實(shí)現(xiàn)了線性化器的增益和相位擴(kuò)張。為獲得3.9 dB的增益擴(kuò)張和37°的相位擴(kuò)張，可選取兩路相位差為10～30°附近，可獲得最佳的線性化器非線性擴(kuò)張性能。

a. 幅度

b. 相位

圖4 線性化器線性支路和非線性支路矢量信號(hào)合成

雖然線性化器的寄生參數(shù)惡化其線性支路和非線性支路的平坦度，而只要保證線性支路和非線性支路的一致的頻帶特性，也可以得到較好的寬帶線性化改善效果。本文利用對(duì)稱平衡結(jié)構(gòu)，使線性化器各元件帶來(lái)的寄生效應(yīng)在兩支路的矢量信號(hào)合成中對(duì)消，從而在寬帶下得到良好的帶內(nèi)一致性。

2.2 線性化器電路實(shí)現(xiàn)

本文的線性化器由輸入輸出3 dB電橋或功分器、移相器、衰減器和非線性發(fā)生器構(gòu)成。輸入信號(hào)經(jīng)3 dB電橋分為線性支路和非線性支路，非線性發(fā)生器由肖特基二極管或FET產(chǎn)生預(yù)失真非線性，線性支路經(jīng)移相器和衰減器，改變其幅度和相位，匹配線性支路和非線性支路的幅度和相位，使上下支路幅度和相位處于一定的關(guān)系并合成后形成幅度和相位非線性擴(kuò)張。兩個(gè)支路都連到輸入輸出3 dB電橋上形成平衡結(jié)構(gòu)。平衡結(jié)構(gòu)可以改善線性化器的駐波，線性化器由圖5所示，其在18 mm×6 mm的陶瓷基片上加工而成，介電常數(shù)為9.9，厚度為10 mil。肖特基二極管為Agilent的HSCH-5332，用于衰減器的PIN二極管為skyworks的HPND4005。用于移相器的超突變結(jié)變?nèi)荻O管是skyworks的 SMV2019，形成大約60°的相位調(diào)節(jié)能力。

圖5 線性化器圖片

3 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)平衡的雙路電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了AM-AM和AM-PM曲線，并可以通過(guò)可調(diào)諧的衰減器和移相器偏置電壓調(diào)節(jié)幅度擴(kuò)張和相位擴(kuò)張。同時(shí)通過(guò)肖特基二極管上的偏置電壓對(duì)進(jìn)行線性化器曲線調(diào)諧[9]以優(yōu)化線性化器非線性匹配。測(cè)試結(jié)果顯示可以達(dá)到幅度擴(kuò)張2～6 dB，相位擴(kuò)張20～60°。

圖6 線性化行波管三階交調(diào)頻譜圖

線性化器與飽和功率100 W的K波段行波管在19.8～21.0 GHz進(jìn)行級(jí)聯(lián)測(cè)試。線性化器利用UMS 公司的CHA3689放大器和CHA3091衰減器補(bǔ)償線性化器的衰減損耗同時(shí)對(duì)輸入輸出電平匹配。利用Agilent公司大信號(hào)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5244對(duì)線性化器級(jí)聯(lián)行波管進(jìn)行雙音測(cè)試，測(cè)試雙音間隔為5 MHz，行波管和線性化行波管的三階交調(diào)分別測(cè)試，其雙音每音回退3 dB的頻譜如圖6所示，其中兩個(gè)三階交調(diào)幅度不一致，相差2.1 dB是由于肖特基二極管偏置供電電路的記憶效應(yīng)引起。三階交調(diào)隨輸入信號(hào)回退圖如圖7所示。在輸入信號(hào)功率回退6 dB時(shí)，三階交調(diào)為34 dBc，改善17.8 dB。

圖7 行波管和線性化行波管三階交調(diào)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用最小方差誤差法對(duì)非線性行波管和線性化器進(jìn)行曲線擬合，計(jì)算其三階交調(diào)優(yōu)化，利用所預(yù)測(cè)的線性化器幅度和相位擴(kuò)張性能設(shè)計(jì)平衡式雙路線性化器。該線性化器具備良好的帶寬特性和輸入輸出駐波，同時(shí)體積小結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可用于空間衛(wèi)星通訊。

[1] CUIGNET E, TONELLO E, MAYNARD J, et al. Very high efficiency dual flexible TWTA, a flexible concept allowing to deal with performances and schedule constraints of telecommunication payloads[C]//Vacuum Electronics Conference (IVEC). Paris: IEEE, 2013.

[2] ALLEN K, ROBERT G, ROGER D. Truly wideband linearization[J]. IEEE Microwave Magazine, 2009, 10(7): 20-27.

[3] FENG Xiao-wen, BRUNO F, ANNE-SOPHIE D, et al. Digital predistortion technique based on non-uniform MP model and interpolated LUT for linearising Pas with memory effects[J]. Electronics Letters, 2014, 50(24): 1882-1884.

[4] GHADAM A, BURGLECHNER S, GOKCEOGLU A H, et al. Implementation and performance of DSP-oriented feedforward power amplifier linearizer[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems, 2012, 59(2): 409-425.

[5] 薛海紅, 王群勇, 陳冬梅, 等. 航空電子設(shè)備NSEE試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 41(10): 1894-1901.

XUE Hai-hong, WANG Qun-yong, CHEN Dong-mei, et al. Neutron single event effects testing and evaluation method for avionics[J]. Journal of Beijing University of Aeronartics and Astronautics, 2015, 41(10): 1894-1901.

[6] JEONG H Y, PARK S K, RYU N S, et al. A design of k-band predistortion linearizer using reflective schottky diode for satellite TWTAs[C]//Gallium Arsenide and Other Semiconductor Application Symposium. Paris: IEEE, 2013: 597-600.

[7] BERA S C, KUMAR V, SINGH S, et al. Temperature behavior and compensation of diode-based pre-distortion linearizer[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2013, 23(4): 211-213.

[8] ALLEN K, ROGER D. Characteristics and modeling of passive MESFETs for non-linear control applications[C]// Microwave Symposium Digest. San Diego, USA: IEEE, 1994: 437-440.

[9] 胡欣, 王剛, 王自成, 等. 一種場(chǎng)效應(yīng)管預(yù)失真電路對(duì)改善行波管非線性的作用[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2011, 33(4): 951-955.

HU Xin, WANG Gang, WANG Zi-cheng, et al. Improvement of TWT nonlinearity with a field effect transistor predistortion circuit[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2011, 33(4): 951-955.

[10] ADEL A, SALEH M. Frequency-independent and frequency-dependent nonlinear models of TWT amplifiers [J]. IEEE Transactions on Communications, 1981, 29(11): 1715-1720.

[11] ELDAR Y C. Universal weighted MSE improvement of the least-squares estimator[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2008, 56(5): 1788-1800.

[12] VILLEMAZET J F, PERREL M, BROUSSE D, et al. New wide band advanced predistortion lineariser for space applications[C]//Microwave Conference. Munich, Germany: IEEE, 2013: 44-47.

編 輯 稅 紅

New Broadband TWT Amplifier Linearizer Design

CHEN Chang-wei, CAO Yong, and QIN Kai-yu

(School of Aeronautics and Astronautics, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 611731)

The modern satellite communication uses non-constant envelope digital modulation techniques and thus demands for the high efficiency, wideband linear high-power amplifiers. The travelling wave tube (TWT) amplifier is widely used in digital wireless communication systems because of its high power efficiency and broadband, but its strong nonlinear characteristic generates intermodulation distortion, which degrades the data quality of transmitted signal and causes interference in adjacent channels. The current techniques such as baseband prediction and feedforward technique cannot achieve wideband greater than 1 GHz, and they are too complex to be used on satellite. This paper presents a broadband predistortion TWT linearizer. A frequency bandwidth of 1.2 GHz has been demonstrated with a K-band TWTA between 19.8 GHz and 21.0 GHz. The measurement result shows that the linearizer delivers about 2 dB to 5 dB of gain expansion and 20-50 degrees phase shift expansion. And the cascaded LTWTA shows good nonlinearity improvement of 17.8 dB at 6 dB input power back off point.

analog predistortion; broadbandlinearizer; intermodulation distortion; travelling wave tube amplifier

TN722.7

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2017.06.007

2016-03-07；

2017-04-26

國(guó)家自然科學(xué)基金(61305092)

陳長(zhǎng)偉(1977-)，男，博士生，主要從事功率放大器線性化方面的研究.