前饋超線性技術(shù)在星用固放中的應(yīng)用

前饋技術(shù)是一種能有效改善固放線性度指標(biāo)的方法。為滿足星用固放對線性度指標(biāo)越來越高的要求，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)電路選用幾個方面對放大器進(jìn)行了分析。實測結(jié)果證明，星用固放通過引入前饋超線性技術(shù)，三階交調(diào)系數(shù)指標(biāo)<-50 dBc，相對于傳統(tǒng)固放線性度指標(biāo)改善30 dB以上。

現(xiàn)代衛(wèi)星通信具有以下特點：衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)量越來越大；頻譜資源緊張，通信信道越來越窄；通信保密性要求越來越高；多載波及包絡(luò)時變的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛。當(dāng)射頻固放工作在大信號或多信號時，其幅度和相位特性的非線性會引起信號失真，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，保證信號質(zhì)量的問題，對衛(wèi)星通信、數(shù)傳發(fā)射機的核心部件-星用固放的線性度提出了越來越高的要求。

目前我國現(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，雖然電路簡單，但功率放大器的線性度改善是通過犧牲系統(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，對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)工程應(yīng)用來說缺點多、弊端大，衛(wèi)星通信系統(tǒng)對于超線性星用固放的需求越來越迫切。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信號抵消環(huán)和環(huán)2失真信號抵消環(huán)組成，環(huán)1實現(xiàn)失真信號提取功能，環(huán)2實現(xiàn)失真信號抵消功能。輸入射頻信號通過功分器分兩路進(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包含有失真分量；一路信號調(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進(jìn)行疊加，通過調(diào)整參考支路的相位幅度，使得參考支路信號與主功率放大器輸出耦合出的信號相位相反幅度相等，從而實現(xiàn)信號抵消，環(huán)1的下支路輸出信號只剩下失真信號。環(huán)1下支路得到的失真信號進(jìn)入環(huán)2輔助功率放大器進(jìn)行失真信號放大，進(jìn)入耦合器與上支路主功率放大器放大輸出的信號進(jìn)行疊加，通過調(diào)整上支路主功率放大器輸出信號的相位延時，使得兩支路的失真信號相位相反，通過調(diào)整輔助功率放大器的增益，使得兩支路失真信號幅度相等，從而實現(xiàn)失真信號抵消，在系統(tǒng)的最終輸出中得到放大的無失真信號。

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2前饋超線性星用固放設(shè)計

本方案以一個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)，通過改善功放線性度的實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推動放大器

推動放大采用兩級放大，輸入和輸出都設(shè)計有隔離器以保證駐波，兩級放大級間加帶通濾波器，對小信號進(jìn)行濾波，以保證最終輸出的信號頻譜純凈，選用的第二級功率管1 dB壓縮點功率較大，處于完全線性的工作狀態(tài)，保證足夠的功率回退，實現(xiàn)高線性。

設(shè)定雙音測試信號頻率為f1=f0MHz，f1=(f0+10)MHz，對推動放大進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3所示，推動放大三階交調(diào)系數(shù)IM3<-30 dBc。推動放大最終實現(xiàn)指標(biāo)：1 dB壓縮點輸出功率≥30 dBm；三階交調(diào)系數(shù)IM3≤-30 dBc(輸出功率24 dBm時)；小信號增益≥20 dB。


2．2 主功率放大器

主功率放大主要功能是完成對信號的功率放大，實現(xiàn)大功率輸出。主功率放大采用兩級放大，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)定雙音測試信號頻率為f1=f0 MHz，f1=(f0+1)MHz，對主功率放大進(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。主功率放大最終實現(xiàn)指標(biāo)：1 dB壓縮點輸出功率≥44 dBm；三階交調(diào)系數(shù)IM3≤-20 dBc@P-1db；信號增益≥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失真信號的放大，與主路信號中的失真信號幅度相等，相位相反，以抵消主路信號的失真，從而實現(xiàn)高線性輸出。輔助功率放大采用兩級功率管放大，最終實現(xiàn)以下指標(biāo)1 dB壓縮點輸出功率≥37 dBm；三階交調(diào)分量≤-20 dBc@P-1 dB；小信號增益≥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)中實現(xiàn)對信號幅度和相位的精確控制，前饋系統(tǒng)無論是信號抵消還是失真信號抵消，均需通過矢量調(diào)制器的調(diào)整來實現(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，電路的參數(shù)變化無法保持一致，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)頻信號法、相關(guān)檢測法和能量最小法。最小功率檢測法電路相對簡單，且不會引入新的失真信號。最小功率檢測法通過調(diào)節(jié)矢量調(diào)制器的控制系數(shù)，使提取的失真信號能量最小化，以達(dá)到使非線性失真信號最小化的目的。最小功率檢測法自適應(yīng)電路原理框圖如圖5所示。

圖2中輸入信號為耦合器4的輸入，輸出信號為耦合器3的輸出。輸入耦合信號先與輸出耦合信號進(jìn)行混頻，再經(jīng)帶通濾波器濾出失真信號，用檢波管檢波、檢波電平送入控制電路，通過調(diào)整控制電壓，控制矢量調(diào)制器。

2．5 實測結(jié)果

前饋超線性星用固放的線性度測試結(jié)果如圖6所示，固放在單音信號輸出41 dBm，即雙音信號輸出44dBm時，三階交調(diào)系數(shù)IM3<-50dBc。一般情況下，固放在1 dB壓縮點輸出時三階交調(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)相對于傳統(tǒng)固放的改善在30 dB以上。

3 結(jié)束語

通過實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，滿足星用固放對線性度指標(biāo)的要求。

主功率放大主要功能是完成對信號的功率放大，實現(xiàn)大功率輸出。主功率放大采用兩級放大，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。