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題，在很多運用領(lǐng)域內(nèi)都是值得重視的問題，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，一般來說都要放大多個地址的載波（幾個、十幾個甚至上百個載波），它處于多個載波工作狀態(tài)，如果此時功率放大器工作在飽和附近，就會因為放大器的非線性產(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反饋技術(shù)，這是因為在低頻頻段內(nèi)，放大器因其固有時延而引起的信號相移很小，這個相移對負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)，放大器的時延效應已經(jīng)明顯了，如果采用負反饋來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償（back---off）技術(shù)，所謂補償就是降低輸入功率，使放大器工作點離飽和點遠一點，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，補償就是用降低輸出功率的方法來減少非線性失真。這種方法簡單，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，放大器的功率相應降低了，同時晶體管本身也“大材小用”，其能力沒有充分地發(fā)揮出來，當需要大的功率輸出時，就需要使用能輸出更大功率的晶體管，這時器件也就提出了更高的要求。補償技術(shù)的這些缺點，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、 預失真技術(shù)
預失真技術(shù)就是在微波晶體管放大器前面接入一個線性器，用線性器的失真特性來補償放大器的失真。圖二是預失真技術(shù)的方框圖及補償放大器非線性的原理說明。圖二a是預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)過預失真線性器的輸出信號再進入放大器進行放大，從而補償了放大器的非線性特性，使放大器線性度提高。
預失真線性器的結(jié)構(gòu)有多種結(jié)構(gòu)，圖三就是其中的一種，輸入信號先經(jīng)過一個3dB耦合器分成兩相位差90度的信號，一路經(jīng)具有可調(diào)相位衰減器的線性支路，另一路經(jīng)過由兩個反向并聯(lián)微波二極管組成的“非線性支路”，然后再經(jīng)過一個3dB耦合器相加合成輸出。

圖二、預失真技術(shù)電路組合及原理說明

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

圖三 一種預失真線性器電路

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明。前饋電路由四個定向耦合器（C1、C2、C3、C4）、兩個移相器（δ1＋微調(diào)移相器I、δ2＋微調(diào)移相器II）、一個可調(diào)衰減器，一個主放大器G1，一個輔助放大器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，其頻譜圖為1，經(jīng)過定向耦合器分為上下兩支路輸入，上支路信號由放大器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進入定向耦合器C4，另一路經(jīng)衰減器進入定向耦合器C3。由于這兩路都是線性支路，因此進入定向耦合器C3，C4的信號頻譜均為2，輸入端經(jīng)定向耦合器C1，后進入下支路的信號經(jīng)移相器δ1＋微調(diào)移相器I進入定向耦合器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，使進入定向耦合器C3的兩路信號頻譜中的F1,F2頻率信號互相抵消，C3輸出信號的頻譜圖為3，它只有三階和五階互調(diào)成分，該信號進入放大器G2，由于G2僅對小信號放大，認為是處于線性放大，因而G2輸出信號的頻譜為3，調(diào)節(jié)G2增益及微調(diào)移相器II，使進入定向耦合器C4的三階、五階互調(diào)成分一一對應抵消，結(jié)果G4的輸出僅有F1、F2頻率成分，其頻譜圖為4。對照輸入、輸出頻譜圖1和4，可知道整個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壒芘c3dB電橋組成的模擬式移相器，連續(xù)改變變?nèi)荻壒苌系钠秒妷?，可使移相器輸出相位相對于輸入信號相位變?40度。
為了保證通信發(fā)射機輸出功率適宜、頻率滿足要求且穩(wěn)定的射頻通信信號，在射頻功率放大電路中通常采用較復雜的信號檢測及控制電路，它們在微控制器統(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，故對它進行監(jiān)測和保護至關(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檢測、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控制，自動電平控制，天線開路保護，負載失配保護，溫度檢測，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。通過正反功率檢測、電流檢測、負載靜態(tài)檢測及溫度檢測，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)后向通道對功放中的相應電路進行控制調(diào)整，保證功率放大器始終工作在良好的工作狀態(tài)。