前馈超线性技术在星用固放中的应用

摘要 前馈技术是一种能有效改善固放线性度指标的方法。为满足星用固放对线性度指标越来越高的要求，文中以某前馈超线性星用固放为例，介绍了前馈超线性技术在星用固放中的应用。从前馈超线性技术工作原理、固放推动放大器指标分配、主功率放大器指标分配、辅助功率放大器指标分配、矢量调制器及自适应电路选用几个方面对放大器进行了分析。实测结果证明，星用固放通过引入前馈超线性技术，三阶交调系数指标<-50 dBc，相对于传统固放线性度指标改善30 dB以上。
关键词 前馈超线性；三阶交调系数；星用固放

    现代卫星通信具有以下特点：卫星通信数据量越来越大；频谱资源紧张，通信信道越来越窄；通信保密性要求越来越高；多载波及包络时变的数字调制系统应用越来越广泛。当射频固放工作在大信号或多信号时，其幅度和相位特性的非线性会引起信号失真，产生互调，从而影响通信质量。围绕着如何减小这种互调产物，保证信号质量的问题，对卫星通信、数传发射机的核心部件-星用固放的线性度提出了越来越高的要求。
    目前我国现有的卫星通信系统为获得高线性，固放多采用传统的功率回退的办法，虽然电路简单，但功率放大器的线性度改善是通过牺牲系统工作效率和固放的输出功率获得的，线性化指标也较差，对于卫星通信系统工程应用来说缺点多、弊端大，卫星通信系统对于超线性星用固放的需求越来越迫切。本文以某超线性星用固放为例，介绍前馈超线性技术在星用同放中的应用。

1 工作原理
    前馈系统工作原理如图1所示，由环1信号抵消环和环2失真信号抵消环组成，环1实现失真信号提取功能，环2实现失真信号抵消功能。输入射频信号通过功分器分两路进入环1，一路进入主功率放大器进行射频放大，由于射频放大器固有的非线性效应，主功率放大器输出信号包含有失真分量；一路信号调整相位幅度后作为参考支路，与主功率放大器输出耦合出的信号进行叠加，通过调整参考支路的相位幅度，使得参考支路信号与主功率放大器输出耦合出的信号相位相反幅度相等，从而实现信号抵消，环1的下支路输出信号只剩下失真信号。环1下支路得到的失真信号进入环2辅助功率放大器进行失真信号放大，进入耦合器与上支路主功率放大器放大输出的信号进行叠加，通过调整上支路主功率放大器输出信号的相位延时，使得两支路的失真信号相位相反，通过调整辅助功率放大器的增益，使得两支路失真信号幅度相等，从而实现失真信号抵消，在系统的最终输出中得到放大的无失真信号。

 
2 前馈超线性星用固放设计
    本方案以一个UHF工作频段、输出功率为25 W的星用固放引入前馈超线性技术，通过改善功放线性度的实例介绍前馈超线性技术在星用固放中的应用。前馈超线性星用固放的原理框图如图2所示。

2．1 推动放大器
    推动放大采用两级放大，输入和输出都设计有隔离器以保证驻波，两级放大级间加带通滤波器，对小信号进行滤波，以保证最终输出的信号频谱纯净，选用的第二级功率管1 dB压缩点功率较大，处于完全线性的工作状态，保证足够的功率回退，实现高线性。

    设定双音测试信号频率为f1=f0MHz，f1=(f0+10)MHz，对推动放大进行仿真，仿真结果如图3所示，推动放大三阶交调系数IM3<-30 dBc。推动放大最终实现指标：1 dB压缩点输出功率≥30 dBm；三阶交调系数IM3≤-30 dBc(输出功率24 dBm时)；小信号增益≥20 dB。
2．2 主功率放大器
    主功率放大主要功能是完成对信号的功率放大，实现大功率输出。主功率放大采用两级放大，输入端加隔离器，输出端加环行器加大功率负载，以保证输入输出驻波。

    设定双音测试信号频率为f1=f0 MHz，f1=(f0+1)MHz，对主功率放大进行仿真，仿真结果如图4所示，主功率放大三阶交调系数IM3<-22 dBc。主功率放大最终实现指标：1 dB压缩点输出功率≥44 dBm；三阶交调系数IM3≤-20 dBc@P-1db；信号增益≥20 dB。
2．3 辅助功率放大器
    辅助功率放大器的主要功能是完成对失真信号的放大，与主路信号中的失真信号幅度相等，相位相反，以抵消主路信号的失真，从而实现高线性输出。辅助功率放大采用两级功率管放大，最终实现以下指标1 dB压缩点输出功率≥37 dBm；三阶交调分量≤-20 dBc@P-1 dB；小信号增益≥30 dB。  
2．4 矢量调制器及自适应电路
    矢量调制器即衰减器和相移器，在前馈系统中实现对信号幅度和相位的精确控制，前馈系统无论是信号抵消还是失真信号抵消，均需通过矢量调制器的调整来实现两支路相位相反幅度相等。
    前馈功率放大器在工作条件变化时，电路的参数变化无法保持一致，从而造成放大器线性度的恶化，致使其稳定性差。因此为保证良好的线性化效果，必须附加一定的自适应电路。自适应前馈技术一般有3种反馈策略，即导频信号法、相关检测法和能量最小法。最小功率检测法电路相对简单，且不会引入新的失真信号。最小功率检测法通过调节矢量调制器的控制系数，使提取的失真信号能量最小化，以达到使非线性失真信号最小化的目的。最小功率检测法自适应电路原理框图如图5所示。

    图2中输入信号为耦合器4的输入，输出信号为耦合器3的输出。输入耦合信号先与输出耦合信号进行混频，再经带通滤波器滤出失真信号，用检波管检波、检波电平送入控制电路，通过调整控制电压，控制矢量调制器。
2．5 实测结果
    前馈超线性星用固放的线性度测试结果如图6所示，固放在单音信号输出41 dBm，即双音信号输出44dBm时，三阶交调系数IM3<-50dBc。一般情况下，固放在1 dB压缩点输出时三阶交调系数指标约为-20 dBc，本固放使用前馈超线性技术后，三阶交调系数指标相对于传统固放的改善在30 dB以上。

3 结束语
    通过实例介绍了前馈超线性技术在星用固放中的应用，星用固放通过引入前馈超线性技术，三阶交调系数指标改善30 dB以上，满足星用固放对线性度指标的要求。