前饋超線性技術(shù)在星用固放中的應(yīng)用

摘要 前饋技術(shù)是一種能有效改善固放線性度指標(biāo)的方法。為滿足星用固放對(duì)線性度指標(biāo)越來(lái)越高的要求，文中以某前饋超線性星用固放為例，介紹了前饋超線性技術(shù)在星用固放中的應(yīng)用。從前饋超線性技術(shù)工作原理、固放推動(dòng)放大器指標(biāo)分配、主功率放大器指標(biāo)分配、輔助功率放大器指標(biāo)分配、矢量調(diào)制器及自適應(yīng)電路選用幾個(gè)方面對(duì)放大器進(jìn)行了分析。實(shí)測(cè)結(jié)果證明，星用固放通過(guò)引入前饋超線性技術(shù)，三階交調(diào)系數(shù)指標(biāo)<-50 dBc，相對(duì)于傳統(tǒng)固放線性度指標(biāo)改善30 dB以上。
關(guān)鍵詞 前饋超線性；三階交調(diào)系數(shù)；星用固放

    現(xiàn)代衛(wèi)星通信具有以下特點(diǎn)：衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)量越來(lái)越大；頻譜資源緊張，通信信道越來(lái)越窄；通信保密性要求越來(lái)越高；多載波及包絡(luò)時(shí)變的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。當(dāng)射頻固放工作在大信號(hào)或多信號(hào)時(shí)，其幅度和相位特性的非線性會(huì)引起信號(hào)失真，產(chǎn)生互調(diào)，從而影響通信質(zhì)量。圍繞著如何減小這種互調(diào)產(chǎn)物，保證信號(hào)質(zhì)量的問(wèn)題，對(duì)衛(wèi)星通信、數(shù)傳發(fā)射機(jī)的核心部件-星用固放的線性度提出了越來(lái)越高的要求。
    目前我國(guó)現(xiàn)有的衛(wèi)星通信系統(tǒng)為獲得高線性，固放多采用傳統(tǒng)的功率回退的辦法，雖然電路簡(jiǎn)單，但功率放大器的線性度改善是通過(guò)犧牲系統(tǒng)工作效率和固放的輸出功率獲得的，線性化指標(biāo)也較差，對(duì)于衛(wèi)星通信系統(tǒng)工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)缺點(diǎn)多、弊端大，衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)于超線性星用固放的需求越來(lái)越迫切。本文以某超線性星用固放為例，介紹前饋超線性技術(shù)在星用同放中的應(yīng)用。

1 工作原理
    前饋系統(tǒng)工作原理如圖1所示，由環(huán)1信號(hào)抵消環(huán)和環(huán)2失真信號(hào)抵消環(huán)組成，環(huán)1實(shí)現(xiàn)失真信號(hào)提取功能，環(huán)2實(shí)現(xiàn)失真信號(hào)抵消功能。輸入射頻信號(hào)通過(guò)功分器分兩路進(jìn)入環(huán)1，一路進(jìn)入主功率放大器進(jìn)行射頻放大，由于射頻放大器固有的非線性效應(yīng)，主功率放大器輸出信號(hào)包含有失真分量；一路信號(hào)調(diào)整相位幅度后作為參考支路，與主功率放大器輸出耦合出的信號(hào)進(jìn)行疊加，通過(guò)調(diào)整參考支路的相位幅度，使得參考支路信號(hào)與主功率放大器輸出耦合出的信號(hào)相位相反幅度相等，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)抵消，環(huán)1的下支路輸出信號(hào)只剩下失真信號(hào)。環(huán)1下支路得到的失真信號(hào)進(jìn)入環(huán)2輔助功率放大器進(jìn)行失真信號(hào)放大，進(jìn)入耦合器與上支路主功率放大器放大輸出的信號(hào)進(jìn)行疊加，通過(guò)調(diào)整上支路主功率放大器輸出信號(hào)的相位延時(shí)，使得兩支路的失真信號(hào)相位相反，通過(guò)調(diào)整輔助功率放大器的增益，使得兩支路失真信號(hào)幅度相等，從而實(shí)現(xiàn)失真信號(hào)抵消，在系統(tǒng)的最終輸出中得到放大的無(wú)失真信號(hào)。

 
2 前饋超線性星用固放設(shè)計(jì)
    本方案以一個(gè)UHF工作頻段、輸出功率為25 W的星用固放引入前饋超線性技術(shù)，通過(guò)改善功放線性度的實(shí)例介紹前饋超線性技術(shù)在星用固放中的應(yīng)用。前饋超線性星用固放的原理框圖如圖2所示。

2．1 推動(dòng)放大器
    推動(dòng)放大采用兩級(jí)放大，輸入和輸出都設(shè)計(jì)有隔離器以保證駐波，兩級(jí)放大級(jí)間加帶通濾波器，對(duì)小信號(hào)進(jìn)行濾波，以保證最終輸出的信號(hào)頻譜純凈，選用的第二級(jí)功率管1 dB壓縮點(diǎn)功率較大，處于完全線性的工作狀態(tài)，保證足夠的功率回退，實(shí)現(xiàn)高線性。

    設(shè)定雙音測(cè)試信號(hào)頻率為f1=f0MHz，f1=(f0+10)MHz，對(duì)推動(dòng)放大進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3所示，推動(dòng)放大三階交調(diào)系數(shù)IM3<-30 dBc。推動(dòng)放大最終實(shí)現(xiàn)指標(biāo)：1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率≥30 dBm；三階交調(diào)系數(shù)IM3≤-30 dBc(輸出功率24 dBm時(shí))；小信號(hào)增益≥20 dB。
2．2 主功率放大器
    主功率放大主要功能是完成對(duì)信號(hào)的功率放大，實(shí)現(xiàn)大功率輸出。主功率放大采用兩級(jí)放大，輸入端加隔離器，輸出端加環(huán)行器加大功率負(fù)載，以保證輸入輸出駐波。

    設(shè)定雙音測(cè)試信號(hào)頻率為f1=f0 MHz，f1=(f0+1)MHz，對(duì)主功率放大進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示，主功率放大三階交調(diào)系數(shù)IM3<-22 dBc。主功率放大最終實(shí)現(xiàn)指標(biāo)：1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率≥44 dBm；三階交調(diào)系數(shù)IM3≤-20 dBc@P-1db；信號(hào)增益≥20 dB。
2．3 輔助功率放大器
    輔助功率放大器的主要功能是完成對(duì)失真信號(hào)的放大，與主路信號(hào)中的失真信號(hào)幅度相等，相位相反，以抵消主路信號(hào)的失真，從而實(shí)現(xiàn)高線性輸出。輔助功率放大采用兩級(jí)功率管放大，最終實(shí)現(xiàn)以下指標(biāo)1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率≥37 dBm；三階交調(diào)分量≤-20 dBc@P-1 dB；小信號(hào)增益≥30 dB。  
2．4 矢量調(diào)制器及自適應(yīng)電路
    矢量調(diào)制器即衰減器和相移器，在前饋系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)幅度和相位的精確控制，前饋系統(tǒng)無(wú)論是信號(hào)抵消還是失真信號(hào)抵消，均需通過(guò)矢量調(diào)制器的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)兩支路相位相反幅度相等。
    前饋功率放大器在工作條件變化時(shí)，電路的參數(shù)變化無(wú)法保持一致，從而造成放大器線性度的惡化，致使其穩(wěn)定性差。因此為保證良好的線性化效果，必須附加一定的自適應(yīng)電路。自適應(yīng)前饋技術(shù)一般有3種反饋策略，即導(dǎo)頻信號(hào)法、相關(guān)檢測(cè)法和能量最小法。最小功率檢測(cè)法電路相對(duì)簡(jiǎn)單，且不會(huì)引入新的失真信號(hào)。最小功率檢測(cè)法通過(guò)調(diào)節(jié)矢量調(diào)制器的控制系數(shù)，使提取的失真信號(hào)能量最小化，以達(dá)到使非線性失真信號(hào)最小化的目的。最小功率檢測(cè)法自適應(yīng)電路原理框圖如圖5所示。

    圖2中輸入信號(hào)為耦合器4的輸入，輸出信號(hào)為耦合器3的輸出。輸入耦合信號(hào)先與輸出耦合信號(hào)進(jìn)行混頻，再經(jīng)帶通濾波器濾出失真信號(hào)，用檢波管檢波、檢波電平送入控制電路，通過(guò)調(diào)整控制電壓，控制矢量調(diào)制器。
2．5 實(shí)測(cè)結(jié)果
    前饋超線性星用固放的線性度測(cè)試結(jié)果如圖6所示，固放在單音信號(hào)輸出41 dBm，即雙音信號(hào)輸出44dBm時(shí)，三階交調(diào)系數(shù)IM3<-50dBc。一般情況下，固放在1 dB壓縮點(diǎn)輸出時(shí)三階交調(diào)系數(shù)指標(biāo)約為-20 dBc，本固放使用前饋超線性技術(shù)后，三階交調(diào)系數(shù)指標(biāo)相對(duì)于傳統(tǒng)固放的改善在30 dB以上。

3 結(jié)束語(yǔ)
    通過(guò)實(shí)例介紹了前饋超線性技術(shù)在星用固放中的應(yīng)用，星用固放通過(guò)引入前饋超線性技術(shù)，三階交調(diào)系數(shù)指標(biāo)改善30 dB以上，滿足星用固放對(duì)線性度指標(biāo)的要求。