微波前饋功率放大技術(shù)

1、微波前饋功率放大技術(shù)微波前饋功率放大技術(shù)吳禮群 錢萬成南京 收稿 收改稿提要 技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了對(duì)高線性!高功率微波放大器的需求 傳統(tǒng)的功率回退應(yīng)用方法存在器件及效率方面的限制 文中分析了前饋技術(shù)提高功放線性度的原理 并給出波段前饋功率放大器實(shí)例 關(guān)鍵詞 前饋功率放大器 線性 微波中圖分類號(hào) 2 2 22 引 言在現(xiàn)代微波 等通信系統(tǒng)均對(duì) 年 月固體電子學(xué)研究與進(jìn)展 反饋型功率放大器多在較低頻率使用 它容易影響放大器的穩(wěn)定性 且有效帶寬窄 前饋型功率放大器技術(shù)復(fù)雜 調(diào)試?yán)щy 能改善交調(diào)性能達(dá) 以上 且對(duì)高次交調(diào)均有改善作用 它適合于線性要求極高的系統(tǒng) 功率放大器的線性對(duì)工作于 類的功率放大器 采

2、用兩路信號(hào)的三階交調(diào)產(chǎn)物來衡量其線性度 當(dāng)頻率分別為 和 的兩路信號(hào)同時(shí)輸入放大器時(shí) 放大器的輸出不僅包含 ! 信號(hào) 還包含了頻率為 ! ! ! , 的互調(diào)分量 稱 為的階數(shù) 互調(diào)分量的相對(duì)幅值取決于放大器的飽和狀態(tài) 在中等飽和電平時(shí) 通常起支配作用的是最接近基音頻率的三階互調(diào)分量 通過對(duì)放大器建立 的斜率隨輸出功率的增加而增加 假設(shè)當(dāng)某放大器輸出電平 時(shí) 相對(duì)幅值為 圖 輸出功率與 關(guān)系 為了達(dá)到 產(chǎn)物低于 則必須將輸出功率回退達(dá) 以上 見圖 同樣 若要求輸出功率電平為時(shí) 低于 則要求該功率放大器具備在輸出功率電平 時(shí) 低于 的能力 設(shè) 工程實(shí)踐證明 選用2 的器件作為末級(jí) 該功放可以保證

3、若系統(tǒng)要求在該發(fā)射功率電平下 其 相對(duì)幅值低于 必須選用2 的功率器件作為末級(jí) 顯然 這樣的要求將導(dǎo)致功率放大器體積過大 在! 及更高的頻段目前尚無法得到該輸出功率電平的固態(tài)功率放大器 前饋放大器模型前饋放大器原理框圖見圖 該放大器由環(huán) !環(huán) 組成 環(huán) 包含輸入功率分配器!主放大器!耦合器!精密衰減器!輸入延遲線和 正交橋 它們完成從輸出信號(hào)中剝離出 信號(hào)的功能 環(huán) 包括輸出延遲線!誤差耦合器!誤差放大器和精密衰減器部分 它們實(shí)現(xiàn)對(duì) 的對(duì)消功能 3 1 三階交調(diào)產(chǎn)物的剝離!對(duì)消前饋放大器能夠改善功率放大器線性的關(guān)鍵在于 信號(hào)的剝離及對(duì)消 為實(shí)現(xiàn)這兩種功能 電路中使用了兩個(gè)耦合器!一個(gè)功分器!一

4、個(gè) 正交橋 理論上 對(duì)任何一種四端口耦合電路 只要保證良好的端口隔離及好的方向性 而無論其耦合度大小!正交與否 均能夠?qū)崿F(xiàn)期 吳禮群等 微波前饋功率放大技術(shù)剝離及對(duì)消 只是不同的電路對(duì)應(yīng)不同的帶寬特性!溫度穩(wěn)定性 圖 前饋放大器原理框圖圖 正交橋 選用 正交橋來說明剝離及對(duì)消原理 其他類型的耦合器也可作類似分析 圖為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 正交耦合橋 設(shè) 端為信號(hào)輸入端 端為直通端 端為正交耦合端 端為隔離端 ! ! ! 端間的電長(zhǎng)度及阻抗符合匹配及良好隔離關(guān)系 端輸入信號(hào)為 其中 代表輸入信號(hào)的頻率 為其幅值 為其相位 則 端信號(hào)為 端信號(hào)為 ! 端輸出信號(hào)相位差為 端無 信號(hào)輸出 端輸入信號(hào)被等幅!正

5、交地分配至 端和 端 同樣 若 端加入信號(hào) 由互易性可知 對(duì)應(yīng)于 端輸入信號(hào) 端有輸出信號(hào) 端有輸出信號(hào) 端無 信號(hào)輸出 端輸入信號(hào)也被等幅!正交地分配至 端和 端 若兩路信號(hào) ! 同時(shí)加入 根據(jù)疊加原理 端輸出信號(hào)為 端輸出信號(hào)為 當(dāng) ! 為非相干信號(hào)時(shí) 式 和式 均沒有可加性 設(shè) ! 相干 其頻率相等 初始相位差固定 當(dāng) 時(shí) 則式 表達(dá)為 式 表達(dá)為 也就是說 當(dāng) 端! 端加入同頻等幅!相位差為 的兩路信號(hào)時(shí) 端! 端將只有一端有信固 體 電 子 學(xué) 研 究 與 進(jìn) 展 卷號(hào)輸出 考慮這樣一種情況 端輸入信號(hào)為 同時(shí) 端有信號(hào) 輸入 和 為不同頻信號(hào) 則由式 !式 可知 端輸出信號(hào)為 端輸

6、出信號(hào)為 此時(shí) 端無 信號(hào)輸出 信號(hào)衰減 輸出 端同時(shí)有信號(hào) ! 輸出 在工程運(yùn)用中 端接匹配負(fù)載 端為信號(hào)輸出端 端輸入信號(hào)等效為純凈的基波輸入 端輸入信號(hào)等效為經(jīng)放大后的基波信號(hào)以及放大電路產(chǎn)生的諧波信號(hào) 由以上分析可知 當(dāng) 正交橋的兩路輸入符合某種關(guān)系時(shí) 諧波將可以被剝離出來 換一個(gè)角度來看 從 端輸出信號(hào)中 可以認(rèn)為 端輸入信號(hào)中的 分量被對(duì)消了 不過在實(shí)際運(yùn)用中 要選好剝離!對(duì)消橋的耦合度 以提高電路效率 降低對(duì)誤差放大器的要求 3 2 主路!誤差放大器在前饋放大系統(tǒng)中 主放大器將基波信號(hào)放大到額定的輸出電平 并因?yàn)榉糯竽芰τ邢抟约胺蔷€性的存在而產(chǎn)生交調(diào)產(chǎn)物 在一定功率輸出電平下放大

7、器所固有的交調(diào)能力由其所選用的功率器件決定 由前所述 剝離及對(duì)消功能的實(shí)現(xiàn)來自耦合橋路兩端輸入信號(hào)間一定的幅度及初始相位關(guān)系 而放大器的 ) 變換將隨飽和程度的深入而迅速加劇 因此在前饋放大系統(tǒng)中 主路!誤差放大器均要滿足一定的線性 包括幅度的線性!相位的線性 同時(shí) 誤差放大器的增益需滿足一定的條件 不考慮傳輸損耗的前提下 其增益值由以下幾個(gè)參數(shù)決定 耦合器的耦合度!誤差耦合器的耦合度!橋的耦合度 圖例中為 以及環(huán) 中精密衰減器的衰減量 3 3 延遲線圖 中包括兩個(gè)相位延遲線 輸出延遲線和輸入延遲線 其電長(zhǎng)度取決于所需的延遲量 圖中 正交橋!對(duì)消誤差耦合器的兩路輸入信號(hào)分別來自于有源放大電路和

8、無源延遲網(wǎng)絡(luò) 剝離!對(duì)消功能的實(shí)現(xiàn)均取決于這兩個(gè)輸入信號(hào)間的幅度和相位關(guān)系 對(duì)于 正交橋 要求 端和 端間的相位差 或表達(dá)為 5 0 為整數(shù) 對(duì)于有源器件 如微波雙極晶體管 其延遲時(shí)間 為 式中 是載流子在基區(qū)的渡越時(shí)間 表示載流子在集電極耗盡層的渡越時(shí)間 和 分別表示發(fā)射極和集電極 期 吳禮群等 微波前饋功率放大技術(shù)延遲線 為傳輸速度 則有 5 器件 延遲線 0 對(duì)于給定的器件和傳輸環(huán)境 !的值均給定 的取值隨的不同而變化 此外 由式 可知 5是角速度的函數(shù) 將 5對(duì)求導(dǎo)可得 5 顯然 當(dāng) 5 時(shí) 對(duì)消及剝離頻帶最寬 也就是說 延遲線的電長(zhǎng)度取決于所選器件的延遲時(shí)間 實(shí)際電路中還應(yīng)考慮器件匹

9、配拓樸的影響 3 4 誤差分析工程應(yīng)用中 一方面有源器件存在幅度及相位特性的非線性 另一方面 幅度及相位特性均會(huì)隨頻率而變化 這使得在寬帶范圍內(nèi)難以嚴(yán)格滿足對(duì)消及剝離條件 此外 溫度也會(huì)使得電路參數(shù)改變 有必要分析當(dāng)幅值和相位關(guān)系存在偏差時(shí) 對(duì)消性能惡化的程度 圖 幅度!相位平衡差與對(duì)消性能的關(guān)系 設(shè) 為兩路信號(hào)幅值的平衡差 為兩路信號(hào)相位的平衡差 圖中 由矢量運(yùn)算可得圖 由圖中可以看出 隨著幅度!相位平衡差的增加 對(duì)消性能迅速惡化 給定環(huán)路的對(duì)消要求 幅度!相位的最大平衡差即可由圖 中直接讀出 實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用前饋技術(shù)制作的波段放大器 其性能測(cè)試結(jié)果見圖 !圖 圖 中 主功率放大器輸出信號(hào)的 為

10、 經(jīng)前饋對(duì)消后 低于 改善 左右 業(yè)已表明 在頻率較低的頻段 如幾百兆赫 前饋放大技術(shù)可以改善交調(diào)性能達(dá) 以上 結(jié)論采用前饋技術(shù)制作的波段放大器 交調(diào)性能改善達(dá)到 以上 從而實(shí)現(xiàn)了大功率!高線性的輸出 它降低了對(duì)功率放大器末級(jí)器件的要求 提高功放的電效率 在多載波!高速度!大容量通信系統(tǒng)中 前饋放大器可以很好的解決鄰近信道干擾 提高系統(tǒng) 值 保證系統(tǒng)工作的有效!可靠性 在前饋放大系統(tǒng)中 要保證幅度!相位的平衡性 這增加了調(diào)試電路的難度 另外由于環(huán)境的變化 有源器件的幅度特性!相位特性均存在漂移 從而影響對(duì)消結(jié)果 采用數(shù)字電路自動(dòng)補(bǔ)固 體 電 子 學(xué) 研 究 與 進(jìn) 展 卷圖 不加前饋時(shí)的交調(diào)性能 圖 加前饋后的交調(diào)性能 償技術(shù) 對(duì)幅度!相位均實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償 并選用好的電路拓樸結(jié)構(gòu) 就可以降低環(huán)境變化的影響 在解決其中的一些難題后 前饋放大器將會(huì)在許多方面獲得應(yīng)用 參考文獻(xiàn) 2 2 3 15 王蘊(yùn)儀 沈楚玉 微波器件與電路 江蘇 江蘇科學(xué)技術(shù)出版社 吳禮群 男 年生 年畢業(yè)于東南大學(xué)無線電工程系 獲學(xué)士學(xué)位 現(xiàn)為南京電子器件研究所助理工程師 目前主要從事各種微波組件的研制 2 2 2 2 2 錢萬成 男 年生 現(xiàn)為南京電子器件研究所高