微波線性功放的關(guān)鍵技術(shù)研究

微波線性功放的關(guān)鍵技術(shù)研究
微波功率器放大器的非線性問(wèn)題，在很多運(yùn)用領(lǐng)域內(nèi)都是值得重視的問(wèn)題，例如衛(wèi)星通信頻分多址系統(tǒng)（FDMA）的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中的功率放大器，一般來(lái)說(shuō)都要放大多個(gè)地址的載波（幾個(gè)、十幾個(gè)甚至上百個(gè)載波），它處于多個(gè)載波工作狀態(tài)，如果此時(shí)功率放大器工作在飽和附近，就會(huì)因?yàn)榉糯笃鞯?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/非線性">非線性產(chǎn)生互調(diào)分量而引起失真。因此，放大器的線性化引起了極大的關(guān)注。在低頻頻段內(nèi)，要改善放大器的線性，最常用的辦法就是采用負(fù)反饋技術(shù)，這是因?yàn)樵诘皖l頻段內(nèi)，放大器因其固有時(shí)延而引起的信號(hào)相移很小，這個(gè)相移對(duì)負(fù)反饋放大器的影響在較寬的頻帶內(nèi)是不明顯的。在微波頻段內(nèi)，放大器的時(shí)延效應(yīng)已經(jīng)明顯了，如果采用負(fù)反饋來(lái)改善放大器線性只能使放大器在非常窄的頻帶內(nèi)能穩(wěn)定工作。因此，微波晶體管放大器要改善線性度，必須要采用其他的措施。
較經(jīng)常采用的線性化措施之一就是補(bǔ)償（back---off）技術(shù)，所謂補(bǔ)償就是降低輸入功率，使放大器工作點(diǎn)離飽和點(diǎn)遠(yuǎn)一點(diǎn)，工作在如圖所示一曲線OA段范圍內(nèi)這一段的pout---pin曲線線性度，由此看出，補(bǔ)償就是用降低輸出功率的方法來(lái)減少非線性失真。這種方法簡(jiǎn)單，能使放大器得到較高的線性度，但是由于晶體管放大器直流工作狀態(tài)不變，放大器的功率相應(yīng)降低了，同時(shí)晶體管本身也“大材小用”，其能力沒(méi)有充分地發(fā)揮出來(lái)，當(dāng)需要大的功率輸出時(shí)，就需要使用能輸出更大功率的晶體管，這時(shí)器件也就提出了更高的要求。補(bǔ)償技術(shù)的這些缺點(diǎn)，限制了它的廣泛作用。

圖一、晶體管放大曲線

要想既要得到較大的輸出功率又要保證有較高的線性度，在微波晶體管功率放大器中，除了選擇性能良好的晶體管，合理地選擇晶體管的工作狀態(tài)外，還必須采用有效的線性化措施。目前較為引起關(guān)注的線性化措施有預(yù)失真（Predistortion）技術(shù)和前反饋（Feed--for--word）技術(shù)，下面介紹這兩種技術(shù)。
1、 預(yù)失真技術(shù)
預(yù)失真技術(shù)就是在微波晶體管放大器前面接入一個(gè)線性器，用線性器的失真特性來(lái)補(bǔ)償放大器的失真。圖二是預(yù)失真技術(shù)的方框圖及補(bǔ)償放大器非線性的原理說(shuō)明。圖二a是預(yù)失真線性器的輸入輸出曲線示意圖。圖二b是微波晶體管放大器的輸入輸出曲線示意圖。圖中可以看出，經(jīng)過(guò)預(yù)失真線性器的輸出信號(hào)再進(jìn)入放大器進(jìn)行放大，從而補(bǔ)償了放大器的非線性特性，使放大器線性度提高。
預(yù)失真線性器的結(jié)構(gòu)有多種結(jié)構(gòu)，圖三就是其中的一種，輸入信號(hào)先經(jīng)過(guò)一個(gè)3dB耦合器分成兩相位差90度的信號(hào)，一路經(jīng)具有可調(diào)相位衰減器的線性支路，另一路經(jīng)過(guò)由兩個(gè)反向并聯(lián)微波二極管組成的“非線性支路”，然后再經(jīng)過(guò)一個(gè)3dB耦合器相加合成輸出。

圖二、預(yù)失真技術(shù)電路組合及原理說(shuō)明

經(jīng)過(guò)“線性支路”的信號(hào)隨輸入信號(hào)的增加而線性增加，經(jīng)過(guò)“非線性支路”的信號(hào)的增加不呈現(xiàn)線性度化，根據(jù)微波二極管非線性特性，輸入信號(hào)小時(shí)，二極管衰減大，輸入信號(hào)增加時(shí)，二極管小，這樣具有90度相位差的兩路信號(hào)在輸入3dB耦合器合成時(shí)，能獲得圖中的曲線特性。

圖三 一種預(yù)失真線性器電路

2、 前饋技術(shù)


圖四、前饋電路原理圖及各點(diǎn)頻譜圖

前饋電路的基本工作原理可由圖四中的電路組合框圖及頻譜圖加以說(shuō)明。前饋電路由四個(gè)定向耦合器（C1、C2、C3、C4）、兩個(gè)移相器（δ1＋微調(diào)移相器I、δ2＋微調(diào)移相器II）、一個(gè)可調(diào)衰減器，一個(gè)主放大器G1，一個(gè)輔助放大器G2組成。其中G1是需要提高線性度的放大器。
輸入為頻率為F1＋F2的信號(hào)，其頻譜圖為1，經(jīng)過(guò)定向耦合器分為上下兩支路輸入，上支路信號(hào)由放大器G1放大，由于放大器的非線性，使其輸出產(chǎn)生新的頻率分量，例如三階和五階互調(diào)分量，其頻譜圖為2，該輸出經(jīng)定向耦合器C2分為兩路，一路經(jīng)移相δ2＋微調(diào)移相器II進(jìn)入定向耦合器C4，另一路經(jīng)衰減器進(jìn)入定向耦合器C3。由于這兩路都是線性支路，因此進(jìn)入定向耦合器C3，C4的信號(hào)頻譜均為2，輸入端經(jīng)定向耦合器C1，后進(jìn)入下支路的信號(hào)經(jīng)移相器δ1＋微調(diào)移相器I進(jìn)入定向耦合器C3，由于該支路為線性支路，因此其頻譜圖仍為1，調(diào)節(jié)衰減器和微調(diào)移相器I，使進(jìn)入定向耦合器C3的兩路信號(hào)頻譜中的F1,F2頻率信號(hào)互相抵消，C3輸出信號(hào)的頻譜圖為3，它只有三階和五階互調(diào)成分，該信號(hào)進(jìn)入放大器G2，由于G2僅對(duì)小信號(hào)放大，認(rèn)為是處于線性放大，因而G2輸出信號(hào)的頻譜為3，調(diào)節(jié)G2增益及微調(diào)移相器II，使進(jìn)入定向耦合器C4的三階、五階互調(diào)成分一一對(duì)應(yīng)抵消，結(jié)果G4的輸出僅有F1、F2頻率成分，其頻譜圖為4。對(duì)照輸入、輸出頻譜圖1和4，可知道整個(gè)放大器線性度極大地提高了。
其中的可變衰減器可用PIN管組成的電調(diào)衰減器，控制PIN管的篇置電路，可以使衰減器在0―20dB范圍內(nèi)連續(xù)變化。微調(diào)移相器是由變?nèi)荻?jí)管與3dB電橋組成的模擬式移相器，連續(xù)改變變?nèi)荻?jí)管上的偏置電壓，可使移相器輸出相位相對(duì)于輸入信號(hào)相位變化140度。
為了保證通信發(fā)射機(jī)輸出功率適宜、頻率滿足要求且穩(wěn)定的射頻通信信號(hào)，在射頻功率放大電路中通常采用較復(fù)雜的信號(hào)檢測(cè)及控制電路，它們?cè)谖⒖刂破鹘y(tǒng)一協(xié)調(diào)下互相配合工作。由于射頻功率放大器的工作頻率高、功率大、元器件工作在極限邊緣，故對(duì)它進(jìn)行監(jiān)測(cè)和保護(hù)至關(guān)重要?，F(xiàn)代通信設(shè)備在射頻功率放大電路中廣泛采用微控制器來(lái)檢測(cè)、調(diào)整、控制電路的工作狀態(tài)。圖五為微控制器控制功放電路框圖。它主要完成功率等級(jí)控制，自動(dòng)電平控制，天線開(kāi)路保護(hù)，負(fù)載失配保護(hù)，溫度檢測(cè)，收/發(fā)轉(zhuǎn)換以及輸入、輸出功率指示，電源電壓欠壓指示，故障指示及告警等功能。通過(guò)正反功率檢測(cè)、電流檢測(cè)、負(fù)載靜態(tài)檢測(cè)及溫度檢測(cè)，將功放電路的工作狀態(tài)信息經(jīng)前向通道送入微控制器，由微控制器分析處理后經(jīng)后向通道對(duì)功放中的相應(yīng)電路進(jìn)行控制調(diào)整，保證功率放大器始終工作在良好的工作狀態(tài)。