張文梁，馮曉東

(1.中華通信系統(tǒng)有限責任公司河北分公司，河北 石家莊 050081；2.裝備發(fā)展部軍事代表局駐石家莊地區(qū)軍事代表室，河北 石家莊 050081)

短波高線性前饋放大器的設計

張文梁1，馮曉東2

(1.中華通信系統(tǒng)有限責任公司河北分公司，河北 石家莊 050081；2.裝備發(fā)展部軍事代表局駐石家莊地區(qū)軍事代表室，河北 石家莊 050081)

提出了一種采用前饋線性化技術的短波放大器設計方法，介紹了前饋線性化技術的基本原理，研究了該方法在放大器設計中的應用，探討了在工程實現(xiàn)中存在的問題及解決辦法，使用仿真軟件ADS構建電路模型，對放大器進行了仿真及優(yōu)化設計，制作了一個短波高線性前饋放大器樣件，對樣件進行了指標測試并與主放大器進行對比，詳細分析了測試結果，驗證了這種方法的可行性。

前饋；短波；放大器；交調

0 引 言

隨著短波通信技術的發(fā)展，線性調制技術得到了越來越多的應用，對發(fā)射接收系統(tǒng)的線性度要求也相應提高。短波通信工作頻帶為1.5～30 MHz，頻帶內信號的二三階分量處于帶內，無法用濾波等手段濾除，因此設備中放大器線性度的優(yōu)劣很大程度上就決定了整個通信系統(tǒng)性能的好壞。

近年來關于放大器線性化技術的研究工作多集中于功率放大器，對于小信號放大器的線性化研究不多。而實際上隨著短波接收前端對三階截點值(OIP3)與二階截點值(OIP2)等指標的要求日益提高，考慮到功耗、體積、成本、系統(tǒng)可靠性等因素，對高線性小信號放大器的研制變得日益迫切。

目前常用的線性化技術有功率回退(Power backoff)、預失真(Pre-distortion)、負反饋(Feedback)、非線性器件法(LINC)、前饋(Feed-forward)等[1]。考慮到實際需要的小信號、低功耗、寬帶等特性需求，采用前饋方法是較好的選擇。

1 短波前饋放大器方案設計

設計一種小信號放大器，利用前饋線性化技術設計外圍電路，大幅提高放大器本身的OIP3與OIP2等指標，具有寬帶、大動態(tài)、低功耗的特點。

1.1 整體方案設計

短波前饋放大器采用基本的前饋放大器方案，包含2個環(huán)路：交調提取環(huán)路和交調抵消環(huán)路。交調提取環(huán)路抵消環(huán)路中的原始輸入信號，只剩下交調信號；交調抵消環(huán)路是為了將主放大器生成的交調信號與由輔助放大器放大后的交調信號相消，從而只剩下主信號[2]。方案原理框圖如圖1所示。

前饋放大器的基本設計思路是將2個環(huán)路的幅度A和相位φ精確匹配，其中相位匹配還要考慮補償放大器時延帶來的相位變化，即：

(1)

式中：ωτ為傳輸時延造成的相位差，是色散的；φ′為非色散的固定相移。

1.2 主輔放大器的選取

位于第1個環(huán)路中的主功率放大器類型的選擇主要是從輸出功率、輸出信號的線性度及其工作效率等方面來考察的。

一般硅金屬氧化物半導體場效應晶體管MOSFET是設計射頻功率放大器比較理想的功率管，而橫向雙擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)管又以其具有的高增益、高駐波比、高瞬時峰值功率、高增益平坦度、負溫度系數等優(yōu)良特性，當之無愧地成為設計前饋功率放大器中主功率放大器的最佳選擇[3]。

位于第2個環(huán)路中的輔助放大器的要求是它要有更高的線性度及更好的寬帶特性，從而使它能線性地放大主功率放大器的非線性失真信號，而不再為電路帶來其它的失真。為了達此目的，通常會讓晶體管工作在甲類狀態(tài)下。雖然硅雙極型晶體管和砷化鎵金屬半導體場效應晶體管(MESFET)都可以用來構成輔助放大器，但兩者相比較而言，砷化鎵場效應管的增益及其增益平坦度、效率、線性度，甚至包括熱穩(wěn)定性，都要比雙極型晶體管好；因此，在多數情況下，更偏向于選擇工作在甲類狀態(tài)下的砷化鎵場效應管作為輔助放大器。

1.3 幅度和相位匹配條件

幅度和相位匹配是整個方案中最關鍵的部分[4]。假設輸入信號為Vin(t)，經主放大器的輸出信號為VA1(t)，Ve(t)為主放產生的誤差信號，則：

(2)

耦合器1將一部分主放大器的輸出耦合出來與原始信號相消，耦合系數為1/CC1時的耦合電壓Vsub1(t)和另一路原始信號經過時延網絡1時的電壓Vsub2(t)為：

(3)

(4)

Vsub1(t)與Vsub2(t)通過反向分路器合成抵消主信號，則可得到交調提取環(huán)路幅度和相位匹配的條件有：

(5)

(6)

式中：n為任意整數。

同理，可以推導出交調抵消環(huán)路幅度和相位匹配的條件有：

(7)

考慮兩環(huán)路的幅度匹配條件，對于所選擇的主放大器HE315、輔助放大器HEM364B，所對應的增益分別為A1=20 dB，A2=33 dB，考慮幅度匹配條件，設計耦合度C1=20 dB，C2=10 dB。

考慮兩環(huán)路的相位匹配條件，選擇的主放大器HE315內部是平衡放大器結構，輸出信號反相，則有φA1=π，輔助放大器φA2=0，雙孔磁環(huán)繞制的耦合器1與耦合器2，主通路相移φC1=0，φC2=0，耦合支路相移φC1′=π，φC2′=π，需要使τT1=τA1和τT2=τA2才能滿足相位匹配條件。

1.4 時延網絡的設計

時延網絡主要采用時延線實現(xiàn)：可以采用同軸電纜或集總傳輸線，采用同軸電纜，長度為：

(8)

為避免集總元件本身動態(tài)影響整個電路，圖1中時延網絡2采用同軸電纜形式的時延線。而為了減小整個電路體積，時延網絡1可以采用集總傳輸線形式的時延線。根據經典的傳輸線理論[5]，電路如圖2所示。

即使采用集總傳輸線的試驗網絡模式，為了時延可以調節(jié)，也應當預留同軸電纜的位置。

2 關鍵技術及需要解決的問題

2.1 關鍵技術

前饋線性化技術是前饋放大器的關鍵技術。整個前饋的系統(tǒng)由誤差信號提取環(huán)路和誤差校正環(huán)路組成。在誤差提取環(huán)路中，將主信號完全抵消，僅僅剩余互調信號；在誤差校正環(huán)路中，抵消互調信號，完成信號的線性化功能。

2.2 需解決的問題

影響前饋系統(tǒng)性能的主要因素在于：兩環(huán)路中參與抵消的兩信號幅度和相位的不一致性。此外，工程實現(xiàn)中面臨如下的問題：

(1) 信號的功率越小，對消要求的幅度和相位的準確度就越高，微小的幅度或相位波動就會對信號對消產生較大的擾動。

(2) 由于主放的輸出功率較大，增益較高，對于輔助放大器而言，在留有衰減調節(jié)余量10dB的情況下，輔助放大器的增益非常高。若采用多級級聯(lián)的方式，容易自激，工程上實現(xiàn)很困難。

為了減少工程實現(xiàn)的難度，可以在參考通路上加一誤差放大器，提高耦合器C2的耦合度，從而提高誤差提取信號的幅度，也可以緩解輔助放大器的增益壓力。

3 短波前饋放大器的電路仿真

選用HE315型放大器(增益G=20 dB)作為主放大器，HEM364B型放大器(增益G=33 dB)為輔助放大器，采用雙孔磁芯設計耦合器，考慮幅度匹配條件，設計耦合器C1的耦合度為20 dB,耦合器C2的耦合度為10 dB。

按照上述條件，在ADS軟件中構建電路模型進行仿真[6-7]，仿真結果如圖3所示。

4 性能測試與結果分析

工程上，按照此方案與電路仿真的元器件選取實際制作了一個樣件，并使用IFR2042型信號源與8563ET型頻譜儀對輸出IP2、IP3進行了測試，結果如下。

4.1 測試結果

與HE315對比，測試結果如表1所示。

表1 樣件測試結果對比

由測試結果可以看出，通過前饋線性化技術，將HEM315型放大器的二階截點值提升了20 dBm，三階截點值提升了15 dBm。由此可見，前饋線性化技術應用起到了預期的效果，能夠大幅提升小信號放大器的線性化程度。

4.2 工程實現(xiàn)與調試的難點

工程實現(xiàn)中的難點在于兩環(huán)路中參與抵消的兩信號幅度和相位與主信號的高度一致性問題。同時，這也是理論實現(xiàn)的關鍵問題。設計時，預留斷點，可以將交調提取環(huán)路與交調抵消環(huán)路由電路中單獨提取出來進行調試，以此消除調試中2個環(huán)路間的相互影響。

在時延網絡后增加同軸電纜，通過調整電纜的長度調整時延以及相位；在電路中預留衰減器位置，通過調整衰減器來調整兩路信號的幅度。實際調試中證明，通過以上2種方法，能夠得到幅度相等、相位相反的預期效果。

5 結束語

設計了使用前饋線性化技術實現(xiàn)的短波高線性放大器，電路具有低功耗、寬帶、大動態(tài)、高線性等優(yōu)點。對電路進行了仿真和樣件制作，測試表明通過該方法設計的放大器能夠大幅提高線性化程度，達到理想預期。同時，該方法能夠廣泛應用于短波放大器的研制中。

[1] 波扎.微波工程基礎[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社,2006.

[2] 王坦.短波通信系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2008.

[3] GREBENNIKOV A.射頻與微波功率放大器設計[M].張玉興，趙宏飛譯.北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[4] WOLFGANG J R.Hoefer Microwave Circuit Modeling Using Electromagnetic Field Simulation[M].Norwood,Massachusetts,USA:Artech House,2003.

[5] 黃玉蘭.電磁場與微波技術[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[6] 黃玉蘭.ADS射頻電路設計基礎與典型應用[M].北京：人民郵電出版社,2010.

[7] 張敏.CST微波工作室用戶全書[M].成都：電子科技大學出版社,2004.

2017全國復雜環(huán)境下雷達設計、干擾及防護學術交流大會征文通知

現(xiàn)代戰(zhàn)爭是在復雜環(huán)境下的信息戰(zhàn)，雷達作為信息戰(zhàn)的眼睛，其效能的發(fā)揮直接決定戰(zhàn)爭的勝負天平，在復雜電磁環(huán)境中，既要求我們的“眼睛”可以看得遠、看得清、看得準、看得快，還要保護好“眼睛”不被欺騙和傷害。隨著雷達新體制、新技術的不斷出現(xiàn)，干擾手段也得到了促進和提升，新的干擾技術和干擾戰(zhàn)術也已成為當前裝備技術中最活躍的領域之一。隨著雷達干擾和防護技術的相互交融，專業(yè)研發(fā)人員對干擾、防護的相互了解和新技術的需求越來越迫切?；谶@種形勢，中國電子學會擬于2017年6月24～25日在北京舉辦2017全國復雜環(huán)境下雷達設計、干擾及防護學術交流大會。有關會議事宜及征文內容如下：

一、大會主席：呂躍廣院士；大會執(zhí)行主席：高梅國，趙國慶，吳道慶。

二、征文內容(不僅限如下內容)：1)復雜信號環(huán)境下雷達設計、干擾及抗干擾新理論、新技術、新方法;2)雷達系統(tǒng)抗干擾設計;3)雷達抗干擾新體制及其技術;4)認知雷達技術與認知雷達抗干擾技術;5)MIMO雷達及其技術;6)無源雷達及其技術;7)雷達主瓣干擾及抗干擾技術;8)分布式協(xié)同技術;9)壓縮感知技術在電子偵察接收中的應用;10)微波光子技術在雷達中的應用;11)大數據分析在雷達中的應用;12)復雜信號環(huán)境深度分析技術;13)干擾信號自適應優(yōu)化技術;14)新體制雷達及復雜電磁環(huán)境下的適應性技術;15)雷達系統(tǒng)的建模仿真與信號模擬技術。

三、交流形式：特邀專家報告和論文交流相結合。

四、征文要求：

1.論文必須是未公開發(fā)表的論文，保密級別為“公開”，不得涉及國家秘密，并通過所在單位保密審查。

2.論文要求論點明確，論據充分，論述簡練，引證準確，數據圖表清晰，一般不超過6 000字，4頁以內，摘要200～300字，關鍵詞3～6個。請大家務必按以下格式要求編排論文：

·論文題目(2號黑體居中)。

·作者姓名(4號宋體居中，多個作者之間用逗號分隔)。

·單位，城市名及郵編(5號宋體居中)。

·摘要(5號宋體居左，加黑):摘要內容(5號楷體，緊接冒號后排列)。

·關鍵詞(5號宋體居左，加黑)：關鍵詞內容(5號楷體，緊接冒號后排列，各關鍵詞之間用分號分隔)。

1一級標題(用小4號黑體頂格排，按1、2、3……編排)；

1.1二級標題(用5號黑體頂格排，按1.1、2.1、3.1……編排)；

1.1.1三級標題(用5號楷體頂格排，按1.1.1、2.1.1、3.1.1……編排)。

·內容(5號宋體)。

·參考文獻(5號黑體):參考文獻內容(小5號宋體)。

3.論文一律用Word編排，使用Word自帶的公式編輯器編排公式。A4紙版面，通欄排，無頁眉。版芯尺寸：高×寬=238 mm×168 mm，每頁按42字×42行排版。

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5.文章請注明第一作者聯(lián)系方式(包括通信地址、郵政編碼、聯(lián)系電話(手機)、郵件地址)及單位、職稱等個人信息。請作者提交該論文的單位保密審查單(原件或掃描版)。

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7.征文截止日期：2017年5月31日。

五、論文評選：優(yōu)秀論文將被推薦至中國電子學會《電子學報》、《現(xiàn)代雷達》、《雷達學報》、《信號處理》、《雷達科學與技術》、《太赫茲科學與電子信息學報》、《電波科學學報》、《火控雷達》、《航天雷達》、《電子對抗》、《通信對抗》、《航天電子對抗》、《艦船電子對抗》、《中國電子科學研究院學報》、《飛航導彈》、《戰(zhàn)術導彈技術》、《兵工自動化》、《空軍預警學院學報》等期刊發(fā)表。另外會議將印制論文集，錄用的論文全部刊登在本屆大會論文集中，并推薦給有關論文收藏機構，除非作者特殊聲明，其論文將視為已同意授權推薦。為了提高會議質量，所有錄用論文的作者須注冊后參與會議交流，不參會交流的論文將無資格參與優(yōu)秀論文的評選。

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Design of Short Wave High linear Feed-forward Amplifier

ZHANG Wen-liang1，F(xiàn)ENG Xiao-dong2

(1.China Communications System CO.,LTD.Hebei Branch,Shijiazhang 050081,China;2.Military Representative Office of Equipment Development Department in Shijiazhuang,050081,China)

This paper presents a design method of short wave amplifier using feed forward linearization technique,introduces the basic principle of feed-forward linearization technique,studies the application of this method to amplifier design,discusses the existing problems and solutions in the engineering realization,uses simulation software ADS to build circuit model,performs the simulation and optimization design to the amplifier,makes a short wave high linear feed-forward amplifier sample,tests the sample indexes and compares it with main amplifier,analyzes the test results in detail,verifies the feasibility of this method.

feed-forward;short wave;amplifier;cross modulation

2016-09-06

TN722

A

CN32-1413(2017)01-0112-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.01.025