CN113114124A - 一种空间行波管宽频带可调线性化器 - Google Patents
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Abstract
本发明的一个实施例公开了一种用于行波管的可调线性化器。该线性化器包括第一功率分配器、第一和第二非线性支路、以及第二功率分配器。第一功率分配器用于将射频输入信号功分为第一支路信号和第二支路信号；第一和第二非线性支路分别包括微带耦合电桥结构，用于提供具有不同传输参数的第一和第二非线性信号；第二功率分配器用于合成所述第一和第二非线性信号并输出合成信号。本发明提供的线性化器可以根据不同行波管的非线性差异对射频信号的幅度和相位灵活适配，还具有工作频率高，频带宽，非线性强，频带内性能稳定的优点，可适用于卫星通信等领域的空间行波管的线性化。
Description
技术领域
本发明涉及功率放大器技术领域。更具体地，涉及一种空间行波管宽频带可调线性化器。
背景技术
行波管功率放大器(TWTA)具有高功率高效率的优点，在用于卫星通信时，对通信***有着很大的影响。实际应用时，功率放大器在饱和点附近有很强的非线性，该非线性会影响通信质量，限制了TWTA的高功率输出与效率的提高。因此通过线性化技术改善其饱和区的非线性，提高其性能有着重要意义。
现如今国内相关线性化技术大多集中在Ku到Ka波段，且线性化瞬时频带带宽较窄，一般在2GHz或以内，无法为较宽频带的TWTA提供稳定的线性化。Q/V波段行波管的非线性相较低频段更强，需要更强的非线性补偿。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于空间行波管的宽频带可调线性化器，以解决现有技术存在的技术问题。
为达到上述目的，本发明提供一种用于行波管的可调线性化器，包括：
功率分配器，用于将接收到的射频输入信号功分为第一支路信号和第二支路信号；
第一非线性支路，包括第一微带耦合电桥结构，用于输出对第一支路信号调节的第一非线性信号；
第二非线性支路，包括第二微带耦合电桥结构，用于输出对第二支路信号调节的第二非线性信号；和
逆向功率分配器，用于合成所述第一非线性信号和所述第二非线性信号输出合成信号，
其中所述第一微带耦合电桥结构不同于所述第二微带耦合电桥结构以使第二非线性信号具有不同于第一非线性信号的传输参数。
优选地，所述第一非线性支路进一步包括第一和第二肖特基二极管，所述第一微带耦合电桥结构的直通端和耦合端分别通过第一肖特基二极管和第二肖特基二极管接地；
所述第二非线性支路进一步包括第三和第四肖特基二极管，所述第二微带耦合电桥结构的直通端和耦合端分别通过第三肖特基二极管和第四肖特基二极管接地。
优选地，所述第二微带耦合电桥结构的直通端微带线长度和耦合端微带线长度分别长于所述第一微带耦合电桥结构的直通端微带线长度和耦合端微带线长度。
优选地，所述第一微带耦合电桥结构和第二微带耦合电桥结构分别为切比雪夫式三分支定向耦合电桥。
优选地，所述第一非线性支路进一步包括第一微带接地结构和第二微带接地结构，所述第一肖特基二极管和第二肖特基二极管分别通过第一微带接地结构和第二微带结构接地；
所述第二非线性支路进一步包括第三微带接地结构和第四微带接地结构，所述第三肖特基二极管和第四肖特基二极管分别通过第三微带接地结构和第四微带结构接地。
优选地，第一、第二、第三和第四微带接地结构分别为扇形微带接地结构。
优选地，所述第一非线性支路进一步包括位于第一微带耦合电桥输入端的第一扇形微带直流偏置结构；
所述第二非线性支路进一步包括位于第二微带耦合电桥输入端的第二扇形微带直流偏置结构。
优选地，所述第一微带耦合电桥包括第一开路枝节微带线；所述第二微带耦合电桥包括第二开路枝节微带线。
优选地，所述第一功率分配器包括第一微带端和第二微带端，以及设置在其间的第一隔离电阻；
所述第二功率分配器包括第三微带端和第四微带端，以及设置在其间的第二隔离电阻。
优选地，所述线性化器进一步包括分别设置在第一功率分配器和微带耦合电桥结构之间的隔直电容结构和微带耦合电桥结构和第二功率分配器之间的隔直电容结构。
本发明的有益效果如下：
本发明采用预失真微带结构，在第一和第二两个不同的非线性支路中分别利用切比雪夫式三分支电桥，并结合双路合成结构，设计出瞬时频带带宽达4GHz，有着较强非线性的线性化器。本发明提供的线性化器不仅可以灵活调节信号的幅度和相位，使得线性化器可以根据不同行波管的非线性差异灵活适配，还具有工作频率高，频带宽，非线性强，频带内性能稳定的优点，可适用于卫星通信等领域的空间行波管的线性化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出线性化器级联行波管结构示意图。
图2示出图1所示级联行波管中线性化技术原理图。
图3示出根据本发明实施例的线性化器框图。
图4示出根据本发明实施例的线性化器结构图。
图5示出根据本发明实施例的线性化器原理图。
图6A和6B示出根据本发明一个实例的增益变化示意图。
图7A和7B示出根据本发明另一实例的增益变化示意图。
图8A和8B示出根据本发明另一个实例仿真结果的示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明的线性化器以模拟预失真技术为基础进行设计。该线性化器与行波管总体级联结构如图1所示，级联结构包括对信号进行放大的前端放大器、前端衰减器、线性化器、后端衰减器、后端放大器和行波管。前端衰减器与放大器用于调节线性化器与矢量网络分析仪级联的测试范围，后端衰减器与放大器是为了调节线性化器的输出功率与行波管输入功率相对应。线性化器用于对将输入行波管信号提供非线性，以改善经行波管放大的信号的性能。线性化器对TWTA的线性化原理如图2所示，线性化器根据TWTA的非线性特性对将被放大的信号提供预失真，经预失真的信号经TWTA放大后，得到相位和幅度特征随顺损耗增加线性特征良好的输出信号。
下面参照图3说明根据本发明实施例的线性化器的结构。线性化器包括用于将输入射频信号功分为两个支路信号的输入侧功率分配器、具有大体对称结构的用于分别对上支路信号和下支路信号提供传输参数非线性的上支路和下支路、以及合成并输出非线性信号的输出侧功率分配器。上支路和下支路分别包括输入侧隔直电容器、用于输入直流偏压的偏置结构、耦合电桥结构、和输出侧隔直电容器，耦合电桥结构通过肖特基二极管和接地结构接地。下支路在耦合电桥部分具有延长的匹配微带线，由此下支路输出的下支路非线性信号其相位非线性小于上支路非线性信号，其幅度非线性大于上支路非线性信号。
线性化器工作时，射频输入信号自左侧即输入侧功率分配器输入，由功率分配器例如平分为上支路信号和下支路信号。上支路和下支路两路结构分别在各自偏置结构处加入各自的直流偏压，肖特基二极管在直流偏压的作用下，随着射频输入功率的增大呈现非线性。下支路通过延长的匹配微带线和相应匹配的接地结构，实现与上支路不同的传输参数，以此实现与上支路不同的相位和幅度非线性特性。上下支路分别提供的上支路非线性信号和下支路非线性信号由右侧逆向功率分配器输出。该线性化器通过灵活调节上下两支路的直流偏压，可以灵活调节线性化器输出信号的幅度非线性与相位非线性的大小。
下面参考图4说明根据本发明的线性化器的具体结构实现方式。线性化器的射频电路设计采用基片及其上的金属微带结构，金属例如为铜，非线性器件采用肖特基二极管。输入侧功率分配器包括输入端、输出上支路信号的第一输出端和输出下支路信号的第二输出端，第一和第二输出端的金属微带上设置有隔离电阻对上下支路信号提供隔离。相应地，输出侧逆向功率分配器包括上支路的第一输入端和下支路上的第二输入端、以及输出端，第一和第二输入端的金属微带上设置有隔离电阻对上下非线性支路信号提供隔离。上支路也称第一非线性支路依次包括：第一交指隔直电容器、第一扇形偏置结构、第一三分支耦合电桥和第二交指隔直电容，与第一三分支耦合电桥的直通端连接的第一肖特基二极管、与第一三分支电桥的耦合端连接的第二肖特基二极管以及分别和第一肖特基二极管、第二肖特基二极管连接的第一扇形接地和第二扇形接地。
具体的，所述第一交指隔直电容的第一端与所述功率分配器的第一输出端相连接；所述第一交指隔直电容的第二端与所述第一扇形偏置的第一端相连接；所述第一扇形偏置的第二端与所述第一三分支电桥的输入端相连接，所述第一扇形偏置的第三端接收第一直流偏压；所述第一三分支电桥的直通端与所述第一肖特基二极管的第一端相连接；所述第一三分支电桥的耦合端与所述第二肖特基二极管的第一端相连接；第一肖特基二极管的第二端与所述第一扇形接地的第一端相连接，所述第一扇形接地的第二端接地；第二肖特基二极管的第二端与所述第二扇形接地的第一端相连接，所述第二扇形接地的第二端接地；所述第二交指隔直电容的第一端与所述第一三分支电桥的隔离端相连接；所述第二交指隔直电容的第二端与所述逆向功率分配器的第一输入端相连接。
下支路也称第二非线性支路依次包括：第三交指隔直电容、第二扇形偏置结构、第二三分支耦合电桥和第四交指隔直电容，在第二三分支耦合电桥直通端侧和耦合端侧、相比于第一三分支电桥的直通端和耦合端，第二三分支耦合电桥具有延长的匹配微带线、与所述第二三分支电桥的直通端连接的第三肖特基二极管、与所述第二三分支电桥的耦合端连接的第四肖特基二极管以及分别和第三肖特基二极管、第四肖特基二极管连接的第三扇形接地和第四扇形接地。
具体的，所述第三交指隔直电容的第一端与所述功率分配器的第二输出端相连接；所述第三交指隔直电容的第二端与所述第二扇形偏置的第一端相连接；所述第二扇形偏置的第二端与所述第二三分支电桥的输入端相连接，所述第二扇形偏置的第三端接收第二直流偏压；所述第二三分支电桥的直通端与所述第三肖特基二极管的第一端相连接，第二三分支电桥的耦合端与所述第四肖特基二极管的第一端相连接，第三肖特基二极管的第二端与所述第三扇形接地的第一端相连接，所述第三扇形接地的第二端接地；第四肖特基二极管的第二端与所述第四扇形接地的第一端相连接，所述第四扇形接地的第二端接地；所述第四交指隔直电容的第一端与所述第二三分支电桥的隔离端相连接；所述第四交指隔直电容的第二端与所述逆向功率分配器的第二输入端相连接。
通过仿真调节第二非线性支路上的匹配微带线的长度，以及与之匹配的扇形接地结构，可使第二非线性支路实现与第一非线性支路不同的幅度和相位非线性特性。
根据本发明的优选实施例，第一和第二三分支耦合电桥分别采用切比雪夫式三分支定向耦合器结构，作为线性化器预失真电路的主体部分。支路信号自电桥结构输入端(左侧端口)输入，在分别连接肖特基二极管的直通端与耦合端平分，经射频接地结构，再将信号反射回输出端(右侧端口，也即电桥的隔离端)。本发明的非线性支路结构将两个肖特基二极管并联，可产生更强的非线性并均衡两个肖特基二极管的非线性。本发明的非线性支路结构，通过增加耦合器的耦合微带线(即直通端与耦合端的连接微带线)的路径数量，可以一定程度上增加线性化器的工作带宽。可以根据TWTA的工作频带、中心频率以及频带宽度利用切比雪夫修正设计切比雪夫式三分支定向耦合器的各分支微带宽度。经过仿真验证，证明该三分支电桥的工作频带宽度是优于现有的二分支电桥。在相同工作频带内切比雪夫式三分支定向耦合器结构的得到的非线性信号传输方向性更优，功率分配器和逆向功率分配器的两臂不平衡度更小，性能更优。
在本发明实施例的非线性支路电路中，需要对二极管外加直流偏压，同时为了防止射频信号进入直流电源端，需要在馈电处提供射频扼流的功能。因此，本发明采用了微带形式的扇形偏置电路结构实现该功能。扇形偏置电路结构中的扇形短截线相对一般直型短截线频带更宽，相对射频电容不会有额外的寄生参数。
在本发明实施例的非线性支路电路中，采用了微带形式的扇形射频接地结构，该射频接地可以将射频信号与直流信号的接地方式分开，以避免两者相互影响。射频信号通过该射频微带结构满足射频接地要求，而直流信号则通过微带后面的金属化通孔例如图4的八个圆孔接地。
在本实施例中，第一和第二非线性支路结构进一步分别包括开路枝节线，所述开路枝节线与三分支电桥的传输线相连接。在所述三分支电桥的直通端传输线和耦合端传输线旁分别增加微带支节线，电路结构由单线变为T型结。通过匹配优化可以在所需频带内，使T型结构实现相同传输性能的同时减小传输线长度，本发明的结构可以使耦合器传输线长度减小大约0.3mm，相应的总体结构尺寸也得到了缩小。
如上所述，本实施例中第二三分支耦合电桥在直通端侧和耦合端侧、相比于第一三分支电桥的直通端和耦合端具有延长的匹配微带线长度，因而第一非线性支路对支路信号的幅度扩张影响更大，第二非线性支路对支路信号的相位扩张影响较更大。在非线性段取一恒定输入功率点，改变偏压以实现不同的非线性组合。具体的调节原理如下，如图5所示：
射频信号经功率分配器输入并功分为上支路信号V1和下支路信号V2，图中，矢量线的长度代表幅度，矢量线与水平的夹角代表相位。分别通过第一和第二非线性支路的扇形偏置结构施加不同偏压信号V1和V2，两路的非线性信号分别变为V1-1和V2-1，再经输出侧逆向功率分配器合成最终输出信号V3-1。如果继续增大第二非线性支路的偏压V2而第一非线性支路的偏压保持不变，第二非线支路的输出信号由V2-1变为V2-2，非线性变强，此信号与第一非线性支路的非线性信号V1-1经逆向功率分配器合成新的输出信号V3-2。相对之前的输出信号V3-1，新的输出信号V3-2幅度得到了增大，相位几乎不变，由此可实现射频信号幅度扩张的单独调节。同理，本实施例的线性化器可实现相位扩张的单独调节。
下面将参照图2具体描述根据本发明实施例的空间行波管宽频带可调线性化器的实例结构。
在本实例中，线性化器采用软基片微带结构设计，金属为铜。上支路微带耦合电桥结构以及扇形接地结构不同于下支路的微带耦合电桥结构和扇形接地机构，以使上支路非线性信号具有不同于下支路非线性信号的传输参数。如图4所示的下支路中，三分支耦合电路结构的直通端和耦合端在肖特基二极管侧的匹配微带线的长度与上支路相比延长0.62mm，且下支路与上支路匹配不同的尺寸及传输性能的扇形接地。除此之外，上支路和下支路优选具有相同的电路结构。
如图6A和6B所示，改变上支路的偏压V1，对支路信号的相位非线性的改变更大。图7A和7B所示，改变下支路的偏压V2对支路信号的幅度非线性改变更大。因此灵活调节两路偏压可实现幅度非线性与相位非线性的灵活调节。
在本实例中，对本发明提供的线性化器进行仿真验证。
(1)本线性化器非线性仿真结果如图8A和8B所示：
线性化器的输入功率为-20～-5dBm(15dB)的范围，上支路偏压为2.1V，下支路偏压为1.1V，即可在38～42GHz的设计频带内实现7.4dB以上的幅度扩张与80°以上的相位扩张，且小信号增益平坦度ΔG约为±0.6dB，频带内非线性稳定，幅度非线性与相位非线性一定范围内灵活可调。其实体测试结果与仿真结果相近，对TWTA非线性及三阶交调系数改善效果良好。
(2)单TWTA非线性测试
取工作频带在38～42GHz(4GHz)频带性能良好的TWTA进行测试，测试结果如下：
表1 TWTA单体测试
(3)级联线性化器后非线性测试
表2线性化TWTA测试
表1和表2对比可看出，在38～42GHz的设计频带内，单TWTA的幅度压缩在-6.4～-5.6dB，线性化后幅度压缩改善到-3.3～-0.6dB；单TWTA的相位压缩在-63.7°～-34.7°，线性化后相位压缩改善到-6.7°～1.5°。线性化TWTA的幅度压缩与相位压缩相比单TWTA来说十分接近线性，即零压缩，且不同频点的压缩值相差很小。同时，在设计频带内，将三阶交调(饱和点回退3dB)从-13.9～-11.8dB改善到了-19.7～-18.1dB(该值越小，代表交调失真越小，总体性能越好)。该线性化器对TWTA的改善效果良好，可以对TWTA实现比较稳定的宽频带线性化。
本发明采用新型预失真微带结构，切比雪夫式三分支电桥，并结合新型双路合成电路设计出瞬时频带带宽达4GHz，有着较强非线性的线性化器。本发明提供的线性化器不仅幅相灵活可调，使得线性化器可以根据不同行波管的非线性差异灵活适配，还具有较高频率，宽频带，非线性强，频带内性能稳定的优点，可适用于卫星通信等领域的空间行波管的线性化。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种用于行波管的可调线性化器，其特征在于，包括：
功率分配器，用于将接收到的射频输入信号功分为第一支路信号和第二支路信号；
第一非线性支路，包括第一微带耦合电桥结构，用于输出对第一支路信号调节的第一非线性信号；
第二非线性支路，包括第二微带耦合电桥结构，用于输出对第二支路信号调节的第二非线性信号；和
逆向功率分配器，用于合成所述第一非线性信号和所述第二非线性信号并输出合成信号，
其中所述第一微带耦合电桥结构不同于所述第二微带耦合电桥结构以使第二非线性信号具有不同于第一非线性信号的传输参数。
2.根据权利要求1所述的线性化器，其特征在于，
所述第一非线性支路进一步包括第一和第二肖特基二极管，所述第一微带耦合电桥结构的直通端和耦合端分别通过第一肖特基二极管和第二肖特基二极管接地；
所述第二非线性支路进一步包括第三和第四肖特基二极管，所述第二微带耦合电桥结构的直通端和耦合端分别通过第三肖特基二极管和第四肖特基二极管接地。
3.根据权利要求2所述线性化器，其特征在于，所述第二微带耦合电桥结构的直通端微带线长度和耦合端微带线长度分别长于所述第一微带耦合电桥结构的直通端微带线长度和耦合端微带线长度。
4.根据权利要求1所述的线性化器，其特征在于，所述第一微带耦合电桥结构和第二微带耦合电桥结构分别为切比雪夫式三分支定向耦合电桥。
5.根据权利要求2所述的线性化器，其特征在于，
所述第一非线性支路进一步包括第一微带接地结构和第二微带接地结构，所述第一肖特基二极管和第二肖特基二极管分别通过第一微带接地结构和第二微带结构接地；
所述第二非线性支路进一步包括第三微带接地结构和第四微带接地结构，所述第三肖特基二极管和第四肖特基二极管分别通过第三微带接地结构和第四微带结构接地。
6.根据权利要求2所述的线性化器，其特征在于，第一、第二、第三和第四微带接地结构分别为扇形微带接地结构。
7.根据权利要求2所述线性化器，其特征在于，
所述第一非线性支路进一步包括位于第一微带耦合电桥输入端的第一扇形微带直流偏置结构；
所述第二非线性支路进一步包括位于第二微带耦合电桥输入端的第二扇形微带直流偏置结构。
8.根据权利要求1所述线性化器，其特征在于，
所述第一微带耦合电桥包括第一开路枝节微带线；
所述第二微带耦合电桥包括第二开路枝节微带线。
9.根据权利要求1所述线性化器，其特征在于，
所述第一功率分配器包括第一微带端和第二微带端，以及设置在其间的第一隔离电阻；
所述第二功率分配器包括第三微带端和第四微带端，以及设置在其间的第二隔离电阻。
10.根据权利要求9所述线性化器，其特征在于，所述线性化器进一步包括分别设置在第一功率分配器和微带耦合电桥结构之间的隔直电容结构和微带耦合电桥结构和第二功率分配器之间的隔直电容结构。
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