王 帥，謝冰一，李春輝，楊建永，申冀湘

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

航天測控高效率線性功率放大器研究

王 帥，謝冰一，李春輝，楊建永，申冀湘

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對航天測控發(fā)射機的GaN末級功率放大器效率得到提升，但線性度往往達不到指標要求的問題。提出了射頻預失真技術(shù)和Doherty技術(shù)相結(jié)合的方法來提高功率放大器的回退效率和線性化指標，給出了射頻預失真的方案設(shè)計，對差分匹配和100 W功率放大器進行了仿真設(shè)計。通過仿真分析和試驗可以發(fā)現(xiàn)，該方法可以改善三階交調(diào)到-47 dBc以下，效率在輸出功率回退6 dB后可以達到45%。

射頻預失真；功率放大器；Doherty功率放大器；差分匹配

Abstract In order to achieve high efficiency and linearity in the GaN power amplifier for aerospace TT&C,a method in combination of RF predistortion and Doherty technology was presented in this paper.The design of RF predistortion was proposed.The simulation of differential impedance match and 100 W power amplifier was introduced.Simulation results and analysis have shown that the proposed amplifier achieves efficiency of 45% at 6 dB back-off from the saturated output power,and IMD3 is improved to -47 dBc.

Key words RF predistortion;power amplifier;Doherty power amplifier;differential impedance match

0 引言

航天測控技術(shù)為各種軌道的人造地球衛(wèi)星、無人試驗飛船、載人飛船、深空探測器的發(fā)射、在軌運行和返回著陸提供測控支持，是整個航天工程中不可或缺的重要組成部分。隨著航天測控技術(shù)的發(fā)展，特別是第三代半導體GaN功率器件的使用，相比較Si基LDMOS器件，效率有了很大提升，但由于GaN的自身特性，線性度指標往往不是很理想，差于同功率的LDMOS功率放大器。在航天測控實際應(yīng)用中，末級功率放大器輸出功率有較大的動態(tài)范圍。在低于額定輸出功率下，傳統(tǒng)的功率放大器的效率將大大降低，每下降6 dB，效率降低一半[1]。

本文針對航天測控功率放大器的實際需求，提出射頻預失真技術(shù)和Doherty技術(shù)相結(jié)合的方法來提高功率放大器的回退效率和線性度指標。三階交調(diào)可以改善到-47 dBc，效率在6 dB回退后可以達到45%。

1 射頻預失真

1.1 射頻預失真原理

預失真的基本原理是在輸入功率信號與功率放大器模塊之間加入預失真模塊，該模塊產(chǎn)生與功放模塊相反的輸入特性，進而改善功放模塊的線性度。預失真技術(shù)按照電路的實現(xiàn)形式分為模擬預失真和數(shù)字預失真2種，按照工作頻率可分為基帶預失真、中頻預失真和射頻預失真[2-4]。本文采用射頻預失真方案，采用模擬電路來實現(xiàn)射頻預失真，其優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)相對簡單，成本低且工作帶寬較寬等，缺點是相對數(shù)字預失真頻譜再生分量改善較少、實際調(diào)試難度較大[5]。

1.2 射頻預失真方案

本文采用了原Scintera公司(Maxim已收購)的射頻預失真芯片SC1894，SC1894芯片是該公司第三代預失真校正芯片，支持的頻率范圍為225～3 800 MHz。該芯片為了減小功率放大器的自身失真，通過功率放大器的輸出信號和輸入信號自適應(yīng)地產(chǎn)生一個優(yōu)化的校正功能。預失真器本質(zhì)上是減小了帶外的功率，SC1894測量功率放大器輸出端反饋回來的射頻模擬信號，通過優(yōu)化誤差函數(shù)來減小帶外功率，從而達到提高線性度的目的[5]。其系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。通過對末級功放的輸出信號進行耦合輸出采樣和數(shù)字化，采樣結(jié)果送給SC1894的數(shù)字電路，經(jīng)過預失真算法計算出波形Volterra Series擴展的因數(shù)修正因子，通過一個雙定向耦合器將經(jīng)過修正的射頻信號送回到射頻路徑中，從而達到校準波形和提高線性度的目的[6-7]。

圖1 SC1894工作原理

整個預失真模塊的設(shè)計包括輸入輸出和反饋的差分匹配網(wǎng)絡(luò)、電源模塊設(shè)計、衰減電路設(shè)計和延時線的調(diào)整設(shè)計。其中最核心的設(shè)計為差分匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

1.3 差分匹配

SC1894的射頻端口為差分形式，差分匹配設(shè)計框圖如圖2所示，通過Mini Circuits公司的巴倫芯片NCS2-222+把單端50 Ω阻抗環(huán)境轉(zhuǎn)換為差分100 Ω環(huán)境，根據(jù)仿真圖3確定SC1894在需要考慮的頻點上的差分阻抗為Zin=33.4-j*15.6，則對應(yīng)的單端阻抗Zinp=Zin/2=16.7-j*7.8。原SC1894和100 Ω之間的差分匹配轉(zhuǎn)換為單端阻抗Zinp=16.7-j*7.8和單端50 Ω的匹配，單端匹配完成后再擴展為差分形式，仿真原理圖和仿真結(jié)果如圖4所示，從仿真結(jié)果中看出，差分匹配良好。

圖2 匹配框圖

圖3 SC1894端口差分阻抗

圖4 差分匹配電路及仿真結(jié)果

2 Doherty技術(shù)

2.1 Doherty原理

Doherty功率放大器電路結(jié)構(gòu)最初是由貝爾實驗室的W.H.Doherty于1936年提出來的。經(jīng)典Doherty結(jié)構(gòu)如圖 5所示[6]，Doherty結(jié)構(gòu)的功率放大器包含2個放大器：主功放和輔助功放，它們之間通過一個1/4波長線來合路輸出，主功放通常偏置在AB類，輸出端串接的1/4波長線起阻抗變換作用，在小功率輸入時，主功放的輸出阻抗為2倍負載阻抗(如果負載為50 Ω，此時為100 Ω)。下方為輔助功率放大器，通常偏置在C類，該輔助放大器的輸入端接入一個1/4波長線來補償2路之間的相位。隨著技術(shù)的發(fā)展，后來又出現(xiàn)了非對稱Doherty放大器和多路Doherty放大器等研究方向。其提高效率的基本原理與經(jīng)典Doherty放大器相同[8-10]。

圖5 Doherty結(jié)構(gòu)

2.2 電路設(shè)計

Doherty功率放大器電路設(shè)計包括偏置電路設(shè)計，單管電路設(shè)計，補償線設(shè)計和功分器設(shè)計[11-12]。

偏置電壓的確定依賴于功率器件轉(zhuǎn)移特性曲線在柵壓的擺動范圍。本設(shè)計選用的功率器件為Cree公司的CGH40120F，其轉(zhuǎn)移特性曲線如圖6所示。CGH40120F的動態(tài)范圍為4 V(-3.34～0.76 V)，因此主功放的偏置電壓初步設(shè)置為-2.34 V(=0.25*4-3.34)，輔助功放的偏置電壓初步設(shè)置為-5.34 V(=-0.5*4-3.34)。

圖6 轉(zhuǎn)移特性曲線

根據(jù)負載牽引系統(tǒng)對CGH40120F進行仿真，得到最大功率下的源端阻抗和負載端阻抗，考慮到設(shè)計的一致性和模型準確性，本文采用開路短截線來代替電容進行匹配設(shè)計[13-15]，具體原理圖如圖7所示，仿真結(jié)果如圖8所示，可以看出滿足100 W的設(shè)計要求，實物如圖9所示，實際測試滿足100 W功率輸出。

圖7 單管設(shè)計仿真原理

圖8 仿真結(jié)果

圖9 單管匹配功放實物

將前面的單管設(shè)計電路在ADS軟件上進行封裝建模，構(gòu)建出典型的Doherty電路，上面為主功放，下面為輔助功放。在主功放和輔助功放輸入輸出分別加入了補償線，補償線的作用是改變主功放和輔助功放在小功率輸入時的阻抗和補償相位[16-18]。

3 測試結(jié)果分析

雙音頻率間隔5 MHz的功放三階交調(diào)測試情況如表1所示。采用SC1894預失真模塊，配置好不同射頻接口的電平和上位機軟件，在4.1.03.08的版本和4.0.05.12版本下得到不同的三階交調(diào)改善。由于射頻預失真模塊是閉環(huán)調(diào)節(jié)，整個調(diào)節(jié)改善是動態(tài)的，所以在頻譜儀上看到三階交調(diào)信號在不斷跳動，表中所示的最差情況為三階交調(diào)頻譜最大時的IMD3值，平均模式指的是把頻譜儀設(shè)置成平均模式下的IMD3讀數(shù)。通過表1結(jié)果可以看出，三階交調(diào)可以改善到-47 dBc以下(4.0.05.12固件版本)。

表1 三階交調(diào)測試結(jié)果

對Doherty電路仿真，電路輸出功率回退6 dB后效率可以達到45%。而平衡式AB類功放在同等功率回退情況下功率附加效率為30%左右，效率提高了15%左右。

4 結(jié)束語

本文對2路Doherty功率放大器進行了仿真設(shè)計，功率附加效率在輸出功率回退6 dB后仍可達到45%，提高了航天測控發(fā)射機功率放大器在輸出功率低于額定功率下的效率。功率放大器在加入射頻預失真模塊后，IMD3可以改善到-47 dBc(指標要求一般為-29 dBc)以下，改善了末級功率放大器的線性度。仿真結(jié)果和實測數(shù)據(jù)可以表明，射頻預失真技術(shù)和Doherty技術(shù)相結(jié)合的方法可以改善放大器的回退效率和線性度指標。

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Research on High-efficiency Linear Power Amplifier for Aerospace TT&C

WANG Shuai，XIE Bing-yi，LI Chun-hui，YANG Jian-yong，SHEN Ji-xiang

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.08.18

王帥，謝冰一，李春輝，等.航天測控高效率線性功率放大器研究[J].無線電工程,2017,47(8):75-78.[WANG Shuai，XIE Bingyi，LI Chunhui，et al.Research on High-efficiency Linear Power Amplifier for Aerospace TT&C[J].Radio Engineering,2017,47(8):75-78.]

2016-10-26

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2013AA122105)。

TN722

A

1003-3106(2017)08-0075-04

王 帥 男，(1985—)，博士，工程師。主要研究方向：RF LDMOS功率器件研究、功率放大器和射頻前端設(shè)計。

解冰一 男，(1986—)，工程師。主要研究方向：微波功率放大器。