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一种用于预失真线性化器的宽带匹配技术

汪永飞 韩培胜 胡卿 陈欣鹏 周东方

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一种用于预失真线性化器的宽带匹配技术

    作者简介: 汪永飞(1986-),男,博士,从事微波电路理论与技术研究;18618102902@163.com.
  • 基金项目: 国家核高基重大科技专项(201501010101-003)
  • 中图分类号: TN830.6

Wideband matching technology used for predistortion linearization

  • CLC number: TN830.6

  • 摘要: 由于放大链路的增益波动以及不同频点之间非线性特性的差异,预失真器难以在不同的频点同时实现非线性特性匹配,即令整个频带内不同频点的线性度指标同时满足要求。由于预失真器和放大器之间的非线性失配,放大器在某些频点的非线性特性还会恶化。本文从线性化器与预失真器的宽带匹配出发,讨论了预失真线性化器与行波管放大器宽带匹配的条件以及非线性失配所带来的影响,当增益失配误差不大于1 dB时,在行波管放大器自身的三阶交调值不大于40 dB的非线性动态范围内,三阶交调下降幅度最大值为4.1 dB;通过采用级联增益补偿电路的方式,降低链路增益波动,实现预失真器和放大器的非线性匹配,真正拓展预失真线性化器的工作带宽。
  • 图 1  预失真线性化模型

    Fig. 1  Theoretical model of predistortion linearizer

    图 2  三阶交调下降值与增益波动误差的关系

    Fig. 2  Relationship between third-order intermodulation degradation and gain error

    图 3  某行波管放大器的AM/AM特性曲线

    Fig. 3  Curves of AM/AM characteristic of TWTA

    图 4  预失真器和行波管放大器不能良好匹配时,LTWTA的AM/AM特性曲线

    Fig. 4  Curves of AM/AM characteristic of LTWTA when PD and TWTA is not well matched

    图 5  行波管放大器的幅频特性曲线

    Fig. 5  Amplitude-frequency characteristic of TWTA

    图 6  预失真线性化器的幅频特性和相频特性

    Fig. 6  The amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of PD

    图 7  行波管放大器线性化前后的增益和相位特性

    Fig. 7  Gain and phase characteristics of TWTA and LTWTA at there frequencies

    图 8  行波管放大器线性化前后的载波三阶交调比改善量

    Fig. 8  C/IM3 improvement of TWTA with predistortion linearization

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-24
  • 录用日期:  2019-08-15
  • 网络出版日期:  2019-11-28
  • 刊出日期:  2019-12-01

一种用于预失真线性化器的宽带匹配技术

    作者简介: 汪永飞(1986-),男,博士,从事微波电路理论与技术研究;18618102902@163.com
  • 1. 信息工程大学,郑州 450001
  • 2. 北方计算研究所,北京 100161
  • 3. 陆军炮兵防空兵学院 士官学校, 沈阳 110000

摘要: 由于放大链路的增益波动以及不同频点之间非线性特性的差异,预失真器难以在不同的频点同时实现非线性特性匹配,即令整个频带内不同频点的线性度指标同时满足要求。由于预失真器和放大器之间的非线性失配,放大器在某些频点的非线性特性还会恶化。本文从线性化器与预失真器的宽带匹配出发,讨论了预失真线性化器与行波管放大器宽带匹配的条件以及非线性失配所带来的影响,当增益失配误差不大于1 dB时,在行波管放大器自身的三阶交调值不大于40 dB的非线性动态范围内,三阶交调下降幅度最大值为4.1 dB;通过采用级联增益补偿电路的方式,降低链路增益波动,实现预失真器和放大器的非线性匹配,真正拓展预失真线性化器的工作带宽。

English Abstract

  • 线性化是一种通过系统级的方法解决放大器的失真问题的技术。在行波管放大器的非线性补偿中,线性化技术并非通过改变行波管放大器的内部结构从而减小其非线性失真分量的产生,而是在线性化器非线性失真存在的前提下,将行波管放大器视为放大系统的一个组成部分,通过外加线性化器的方法,提高整个放大系统的线性度指标。这个线性放大系统由线性化器和行波管放大器以及调节组件构成,称为线性化行波管放大器(LTWTA)。能够提高行波管放大器线性度的技术有很多,在众多技术中,预失真技术具有较宽的工作带宽[1-2]

    基于DSP的数字预失真和基于非线性器件的模拟预失真是实现预失真线性化技术的两种主要手段[3-11]。然而,在宽带应用中,数字预失真却具有非常明显的劣势,除了成本高昂、功率消耗大、工作带宽窄之外,限制数字预失真技术应用于宽带预失真技术的主要原因在于,当行波管的非线性特性随着频率发生改变,数字预失真无法进行相应的调整,提供合适的非线性特性补偿。模拟预失真具有能够产生复数传输函数的优势,这令其在指定的工作频带内更好地拟合行波管放大器所需要的非线性特性,从而为行波管放大器带来较佳的线性度改善。

    模拟预失真技术能够在较宽的工作频带内提供放大器所需的非线性特性[12-14]。但是由于链路的增益波动以及不同频点之间非线性特性的差异,预失真器难以在不同的频点同时实现非线性特性匹配,即令整个频带内不同频点的线性度指标同时满足要求。更甚的,由于预失真器和放大器之间非线性失配,放大器在某些频点的非线性特性还会恶化。本文从线性化器与预失真器的宽带匹配出发,主要讨论预失真线性化器与行波管放大器宽带匹配的条件以及非线性失配所带来的影响,并对宽带预失真技术展开研究。

    • 预失真器工作带宽宽、功率消耗低、可以作为独立部件工作的特点是其能够广泛应用于微波毫米波频段的最大优势,其工作原理见图1

      图  1  预失真线性化模型

      Figure 1.  Theoretical model of predistortion linearizer

      预失真器的工作原理是工作频带内传输特性与拟优化放大器相反,这种相反同时体现在幅度和相位上。预失真器的增益与行波管放大器的关系为

      $\left[ {{G_{\rm{P}}}\left( {{P_{{\rm{inP}}}}} \right) - {G_{{\rm{P}},{\rm{ss}}}}} \right] - [{G_{\rm{T}}}\left( {{P_{{\rm{inP}}}} + {G_{\rm{P}}}\left( {{P_{{\rm{inP}}}}} \right)} \right) - {G_{{\rm{T}},{\rm{ss}}}}] = {\rm{0(dB)}}$

      (1)

      式中:G表示增益;下标P,T分别表示预失真器和行波管放大器;下标ss表示线性小信号;下标inP则表示输入端;${G_{{\rm{P}},{\rm{ss}}}}$, ${G_{{\rm{T}},{\rm{ss}}}}$是预失真器和行波管放大器的小信号增益;${G_{\rm{P}}}\left( {{P_{{\rm{inP}}}}} \right)$, ${G_{\rm{T}}}\left( {{P_{{\rm{inP}}}} + {G_{\rm{P}}}\left( {{P_{{\rm{inP}}}}} \right)} \right)$则是预失真器和行波管放大器的增益相对于各自输入功率的函数。在具体的输入功率下,行波管放大器的增益压缩量即为预失真器的增益的扩张量。

      预失真器的相位与行波管放大器相位的关系为

      ${\theta _{\rm{P}}}({P_{{\rm{inP}}}}) - {\theta _{{\rm{P}},{\rm{ss}}}} = - [{\theta _{\rm{T}}}({P_{{\rm{inP}}}} + {G_{\rm{P}}}({P_{{\rm{inP}}}})) - {\theta _{{\rm{T}},{\rm{ss}}}}]$

      (2)

      行波管放大器的相移随着输入功率增加时的变化规律需要视情况而定,但是当行波管放大器的相位改变量即为预失真器的相位改变量时则仍然适用。只有当式(1),(2)同时得到满足时,预失真器改善行波管放大器的线性度才具有最佳的效果。需要指出的是,式(1),(2)中的变量是预失真器(行波管放大器)的输入信号功率,当行波管放大器是窄带系统时,其非线性随着频率的改变是很小的,但是在宽带系统中,行波管放大器的AM/AM和AM/PM特性均会随着频率发生变化。因此,在公式(1)和(2)中,线性化器的AM/AM和AM/PM特性也应当随着频率发生改变,此时公式(1)和(2)中${G_{\rm{P}}}\left( {{P_{{\rm{inP}}}}} \right)$,${\theta _{\rm{P}}}({P_{{\rm{inP}}}})$应当改为${G_{\rm{P}}}\left( {{P_{{\rm{inP}}}},f} \right)$,${\theta _{\rm{P}}}\left( {{P_{{\rm{inP}}}},f} \right)$

    • 在宽带条件中,行波管放大器的小信号增益和相移也是影响预失真器工作性能的重要因素。当预失真器和行波管放大器级联时,预失真器发挥最佳性能的条件是,预失真器的插入并未改变行波管放大器的饱和点的工作状态,即

      $\left\{ \begin{array}{l} {P^{{\rm{sat}}}_{{\rm{in}}{{\rm{T}}}}} = P_{{\rm{inP}} + {\rm{T}}}^{{\rm{sat}}}\\ P_{{\rm{outT}}}^{{\rm{sat}}} = P_{{\rm{outP}} + {\rm{T}}}^{{\rm{sat}}} \end{array} \right.$

      (3)

      式中:$P_{}^{{\rm{sat}}}$表示饱和点的功率;下标inT,inP+T分别表示TWTA和LTWTA的输入端,outT,outP+T则表示TWTA和LTWTA的输出端。

      将公式(3)和(1)联立,若在TWTA的饱和点,预失真器的输入功率PinP和增益GPPinP)之和即TWTA的输入功率无法令TWTA达到饱和输出,即

      ${P_{{\rm{inP}}}} + {G_{\rm{P}}}({p_{{\rm{inP}}}}) \ne P_{{{\rm{inT}}}}^{{\rm{sat}}}$

      (4)

      为了保证预失真器与行波管放大器的良好配合,需要在二者之间接入增益调节模块,增益值为${G_{\rm{b}}}$,则放大链路的增益应满足如下关系

      ${P_{{\rm{inP}}}} + {G_{\rm{P}}}({P_{{\rm{inP}}}}) + {G_{\rm{b}}} + {G_{\rm{T}}}({P_{{\rm{inP}}}} + {G_{\rm{P}}}({P_{{\rm{inP}}}}) + {G_{\rm{b}}}) = {P_{\rm{outT}}}$

      (5)

      GT(•)为TWTA的增益,当行波管放大器饱和时,则有

      $P_{{{\rm{inP}}}}^{{\rm{sat}}} + {G_{\rm{P}}}(P_{{{\rm{inP}}}}^{{\rm{sat}}}) = P_{{\rm{outP}}}^{{\rm{sat}}}$

      (6)

      $P_{{\rm{outP}}}^{{\rm{sat}}} + {G_{\rm{b}}} = P_{{\rm{inT}}}^{{\rm{sat}}}$

      (7)

      $P_{{\rm{inT}}}^{{\rm{sat}}} + G_{\rm{T}}^{{\rm{sat}}}\left( {P_{{\rm{inT}}}^{{\rm{sat}}}} \right) = P_{\rm{outT}}^{{\rm{sat}}}$

      (8)

      根据公式(5),有

      $P_{{{\rm{inP}}}}^{{\rm{sat}}} + {G_{\rm{P}}}(P_{{{\rm{inP}}}}^{{\rm{sat}}}) + {G_{\rm{b}}} + {G_{\rm{T}}}(p_{{{\rm{inP}}}}^{{\rm{sat}}} + {G_{\rm{P}}}(P_{{{\rm{inP}}}}^{{\rm{sat}}}) + {G_{\rm{b}}}) = P_{{\rm{outT}}}^{{\rm{sat}}}$

      (9)

      $\Delta G$表示饱和点增益和小信号增益的差,则

      ${G_{\rm{P}}}(P_{{{\rm{inP}}}}^{{\rm{sat}}}) = {G_{{\rm{P}},{\rm{ss}}}} + \Delta G$

      (10)

      $G_{\rm{T}}^{{\rm{sat}}}\left( {P_{{\rm{inT}}}^{{\rm{sat}}}} \right) = {G_{{\rm{T}},{\rm{ss}}}} - \Delta G$

      (11)

      所以,有

      $P_{{{\rm{inP}}}}^{{\rm{sat}}} + \left[ {{G_{{\rm{P}},{\rm{ss}}}} + \Delta G} \right] + {G_{\rm{b}}} + \left[ {{G_{{\rm{T}},{\rm{ss}}}} - \Delta G} \right] = P_{{\rm{outT}}}^{{\rm{sat}}}$

      (12)

      联立式(12)和式(3),可得

      $P_{{\operatorname{inT} }}^{{\rm{sat}}} + \left[ {{G_{{\rm{P}},{\rm{ss}}}} + \Delta G} \right] + {G_{\rm{b}}} + + {G_{\rm{b}}} + \left[ {{G_{{\rm{T}},{\rm{ss}}}} - \Delta G} \right] = P_{{\rm{outT}}}^{{\rm{sat}}}$

      (13)

      $P_{{\operatorname{inT} }}^{{\rm{sat}}} + {G_{{\rm{P}},{\rm{ss}}}} + {G_{\rm{b}}} + {G_{{\rm{T}},{\rm{ss}}}} = P_{{\rm{outT}}}^{{\rm{sat}}}$

      $G_{\rm{T}}^{{\rm{sat}}}\left( {P_{{\rm{inT}}}^{{\rm{sat}}}} \right) = P_{{\rm{outT}}}^{{\rm{sat}}} - P_{{\operatorname{inT} }}^{{\rm{sat}}}$

      (14)

      ${G_{\rm{b}}} = P_{{\rm{outT}}}^{{\rm{sat}}} - P_{{\rm{inT}}}^{{\rm{sat}}} - {G_{{\rm{T}},{\rm{ss}}}} - {G_{{\rm{P}},{\rm{ss}}}}$

      (15)

      $P_{{\rm{inT}}}^{{\rm{sat}}} = P_{{{\rm{inP}}}}^{{\rm{sat}}} + {G_{\rm{P}}}(P_{{{\rm{inP}}}}^{{\rm{sat}}}) + {G_{\rm{b}}}$

      (16)

      所以

      ${G_{\rm{b}}} = G_{\rm{T}}^{{\rm{sat}}}\left( {P_{{\rm{inT}}}^{{\rm{sat}}}} \right) - {G_{{\rm{T}},{\rm{ss}}}} - {G_{{\rm{P}},{\rm{ss}}}}$

      (17)

      公式(17)表明,增益调节模块的增益值与预失真器和行波管放大器均有关系。如果行波管放大器在工作频带内存在增益波动,则${G_{\rm{b}}}$也应随之调整。即

      ${G_{\rm{b}}}(f) = G_{\rm{T}}^{{\rm{sat}}}\left( {P_{{\rm{inT}}}^{{\rm{sat}}},f} \right) - {G_{{\rm{T}},{\rm{ss}}}}(f) - {G_{{\rm{P}},{\rm{ss}}}}(f)$

      (18)
    • 当输入信号的幅度为A0时,假设预失真器与线性化器之间良好匹配,满足式(1),此时行波管放大器的增益为${G_{\rm{T}}}({A_0})$,行波管放大器自身的三阶交调为${M_3}({A_0})$。则预失真产生的三阶交调补偿分量为

      ${B_{{A_0}}} = \frac{{{M_3}({A_0})}}{{{G_{\rm{T}}}({A_0})}} $

      (19)

      由于增益调节模块失配$\Delta {G_{\rm{b}}}$,因而在相同的输入信号下,行波管放大器的增益为${G_{\rm{T}}}(A_0')$,此时行波管放大器自身三阶交调为${M_3}(A_0')$。则有

      $\Delta {G_{\rm{b}}} = {G_{\rm{P}}}(A_{_0}') - {G_{\rm{P}}}({A_0})$

      (20)

      ${\mathit{\Delta}}_{{\rm{IM3}}} = {B_{{A_0}}} = \frac{{{M_3}({A_0})}}{{{G_{\rm{T}}}({A_0})}}{G_{\rm{T}}}(A_0') - {M_3}(A_{_0}')$

      (21)

      式中:${\mathit{\Delta}}_{{\rm{IM3}}}$表示由于增益调节模块失配误差导致的三阶交调分量改变值。式中(20)表示增益波动值等价于预失真器在$A_{_0}'$${A_0}$两个值之间的增益差;

      根据公式(21)可以计算出三阶交调下降值与增益调节模块失配误差之间的关系,详见图2。可以看出,三阶交调下降值与行波管放大器自身的非线性程度有关,非线性越严重,增益调节模块失配导致的线性度下降越严重。当增益模块失配误差不大于1 dB时,在行波管放大器自身的三阶交调值不大于40 dB的非线性动态范围内,三阶交调下降幅度最大值为4.1 dB。

      图  2  三阶交调下降值与增益波动误差的关系

      Figure 2.  Relationship between third-order intermodulation degradation and gain error

    • 图3给出了行波管放大器的三个工作频点的AM/AM特性曲线,可以看出:该行波管放大器的小信号增益在三个频点并不相同;三个频点的AM/AM转换特性也不相同,其1 dB压缩点和饱和点具有很大差异。

      图  3  某行波管放大器的AM/AM特性曲线

      Figure 3.  Curves of AM/AM characteristic of TWTA

      图4给出了预失真器和行波管放大器不能良好匹配时,LTWTA的AM/AM特性曲线,可以看出,在等功率信号驱动下,当增益调节模块的增益值为常数时,行波管放大器在下边频处的线性化改善效果明显,而在中心频点和上边频,行波管放大器和预失真器出现失配。

      图  4  预失真器和行波管放大器不能良好匹配时,LTWTA的AM/AM特性曲线

      Figure 4.  Curves of AM/AM characteristic of LTWTA when PD and TWTA is not well matched

      本文所需要匹配行波管放大器的幅频特性曲线见图5。该行波管放大器在工作频带范围(12.92~13.42 GHz)内的饱和点增益波动在1 dB以内,其在下边频12.92 GHz以及两个增益波动点13.24, 13.33 GHz的增益压缩曲线见图3

      图  5  行波管放大器的幅频特性曲线

      Figure 5.  Amplitude-frequency characteristic of TWTA

      该预失真器在12.92~13.42 GHz的工作频带内,增益波动不超过1 dB,具有5.2 dB的增益和45°(如图6所示)的相位扩张能力,可以根据行波管线性化器的需求进行调整。

      图  6  预失真线性化器的幅频特性和相频特性

      Figure 6.  The amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of PD

      与行波管线性化器的联测时,分别测量了前文所述三个频点的增益和相位非线性特性,结果见图7,可以看出,由于采用了增益均衡器,预失真器和行波管线性化器在不同的频点能够实现良好匹配,1 dB压缩点均向饱和功率点靠近,改善值不小于4 dB,相移压缩量从30°左右减小到不超过10°。当进行双音测试时,在整个频带内的载波三阶交调比均有较大程度的改善,图8给出了整个频带范围内的载波三阶交调比的改善值,可以看出,在500 MHz的工作频带内,载波三阶交调比最大改善量为3.5 dB。

      图  7  行波管放大器线性化前后的增益和相位特性

      Figure 7.  Gain and phase characteristics of TWTA and LTWTA at there frequencies

      图  8  行波管放大器线性化前后的载波三阶交调比改善量

      Figure 8.  C/IM3 improvement of TWTA with predistortion linearization

    • 本文从线性化器与预失真器的宽带匹配出发,讨论了预失真线性化器与行波管放大器宽带匹配的条件以及非线性失配所带来的影响,并通过级联增益补偿电路的方式,降低链路增益波动,实现预失真器和放大器的宽带非线性匹配。与行波管放大器的级联测试表明,采用本文提出的方法进行增益调节,能够改善预失真线性化器的工作带宽,且令行波管放大器在工作频带内的1 dB压缩点改善不小于4 dB,非线性相移不大于10°,载波三阶交调比指标最大改善量为3.5 dB。

参考文献 (14)

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