氮化镓功率放大器功率增益非线性的预失真电路设计

周二风

摘   要：提供一种可实现氮化镓（GaN）功率放大器功率增益非线性预失真校正电路，克服了现有的氮化镓功率放大器的功率增益非线性或线性输出功率低的问题，使其在功率增益特性方面与砷化镓（GaAS）功放性能相似。该预失真电路具有性能优越、通用性强和灵活性好等特点。

关键词：氮化镓功率放大器;预失真;功率增益非线性

中国分类号：TN95       文献标志码：A

0 引言

在微波通信设备中、大功率放大器是发射系统中核心部件，目前常用的功放芯片类型以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）和氮化镓（GaN）为主要类型。随着通信、数字电视、卫星定位、航空航天、雷达和电子对抗等技术的发展，微波系统对功放的要求越来越高，更低的功耗、更高的稳定性、更小的体积、更高的线性度要求是功放追求的目标，也是系统对功放提出的发展的方向。GaAs类型的功放已无法满足系统高线性度与低功耗的需求，因此采用GaN材料的高功率放大器得以快速发展，其与相同量级的GaAs芯片相比，具有更大的输出功率，更好的频率特性，更高的可靠性，更高的耐高温特性，更高的击穿电压，更高的效率和热导率优越等特点，特别适合于需要同时满足大功率和小型化及低功耗的应用领域。

然而GaN功率放大器具有功率增益软压缩/非线性特性，其很难满足客户要求的功率增益线性度要求。

笔者提供一种可实现GaN功率放大器功率增益非线性预失真校正电路，克服现有技术中的GaN功率放大器具有的功率增益非线性问题，提升GaN功率放大器的线性输出功率，使其在功率增益特性与GaAs性能相似，该预失真校正电路具有性能优越、通用性强和灵活性好等特点。

1 微波功率放大器功率增益特性定义

功率增益G=PL/Pin，即耗散在负载ZL的功率与传输到二端口网络的输入端功率之比，二端口微波功率放大器网络如图1所示。该文在输入和输出端都与二端口共轭匹配状态下陈述。

1.1 砷化镓功率放大器的功率增益特性

GaAs功率放大器的功率增益在小信号输入时，随输入信号的增大呈现线性特性-即输入输出同比例变化，接近P-1 dB或饱和功率点时功率增益才出现压缩，特性曲线一般如图2所示，为便于对比，图2采用具有相同输出功率的GaAs和GaN功放芯片绘制其功率增益特性曲线。

1.2 氮化镓微波功率放大器功率增益特性

GaN功率放大器的功率增益在小信号输入时，其随输入功率的增大就已呈现功率压缩特性（此处称为软压缩-即输入功率增加1 dB，输出功率增加小于1 dB，约0.7 dB），而接近饱和功率点时功率增益与GaAs功率放大器基本一致。氮化镓功率放大器的功率增益非线性或线性输出功率低，工程中使用该类型功率放大器在发射链路系统中P-1dB将不能满足要求。

2 功率增益预失真电路工作原理

2.1 电路组成

在射频链路中，氮化镓功率放大器功率增益非线性预失真校正电路，包括砷化镓驱动功率放大器、微带定向耦合器、射频模拟衰减器、氮化镓高功率放大器、隔离滤波器、功率检波温补电路、射频功率检波电路、差分运算放大器和射随器;砷化镓驱动功率放大器、微带定向耦合器、射频模拟衰减器、氮化镓高功率放大器和隔离滤波器依次相连，构成射频微波发射链路;微带定向耦合器还与射频功率检波电路、差分运算放大器以及射随器，且射随器与射频模拟衰减器相连，从而构成氮化镓功率放大器功率增益校正链路; 功率检波温补电路、射频功率检波电路以及所述差分运算放大器依次相连构成高低温检波电路误差补偿电路，其电路组成框图如图2所示。

2.2 电路工作原理

微波射频信号从砷化镓驱动功率放大器（U1）输入，流经射频微波发射链路直至射频信号输出端口;砷化镓驱动功率放大器（U1）对射频输入信号进行中功率放大，且让其工作在增益线性区，其输出功率经过微带定向耦合器（U2），实现对砷化镓驱动功率放大器（U1）输出微波功率的耦合取样功能，耦合功率经过射频功率检波电路（U7）转换为功率检波电压（Vd）。

大功率放大器在高低温环境中工作，其射频功率检波电路输出的检波电压（Vd）存在温度漂移特性，故需要配备功率检波温补电路（U6）和差分运算放大器（U8）补偿Vd的温漂，差分放大器输出的电压为Vb，Vb经过电压射随器（U9）再次穩定和带载能力后产生射频模拟衰减器控制电压Vt，由Vt电压驱动射频模拟衰减器，使得射频模拟衰减器（U3）的衰减特性呈现与氮化镓高功率功率放大器（U4）功率增益相同的特性，从而实现射频链路中氮化镓功率放大器的功率增益压缩校正。

总之，使用射频功率检波电路采集砷化镓驱动功率放大器的功率曲线，结合氮化镓高功率功率放大器功率曲线软压缩特性，然后通过差分运算放大器（U8）的运算（针对多厂家的氮化镓功放可调整U8中的R1进而调整控制电压斜率-即功率增益校正斜率），产生射频模拟衰减器控制电压进而修正氮化镓功率放大器功率增益压缩，提高功率放大器的功率增益线性度。

隔离滤波器（U5）实现对功率放大器谐波抑制和功率反向隔离，保护氮化镓高功率放大器（U4）不被反射功率烧坏。

3 电路测试与结果分析

该电路使用到卫星通信Ku 波段150 W功率放大器发射系统链路中（150 W高功率末级功率放大器模块采用氮化镓功放芯片进行功率合成），该电路使用前后功率增益测试结果对比如表1和图3所示。

从表1测试结果可看出，修正前Ku 波段150 W功率放大器的线性输出功率P-1 dB约为47.4 dBm，其不满足产品要求的P-1 dB≥51.8 dBm，而使用功率增益预失真校正电路后其P-1 dB约为52.8 dBm，其线性输出功率得到明显提升，满足产品要求。

4 结论

经实际微波射频功放系统功率增益测试，采用该电路校正后，射频链路中氮化镓功率放大器的功率增益压缩曲线如图5所示，其线性输出功率得到有效显著提升。

参考文献

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