CN112019181B - 一种极高频宽带线性化器设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种极高频宽带线性化器设计方法。所述线性化器包括3dB定向耦合器、非线性负载和匹配网络，所述设计方法包括：步骤1、给定线性化器在不同频率处所需的增益补偿量和相位补偿量；步骤2、通过测量得到在不同输入功率下不同频率处的非线性负载的阻抗值，并将所述非线性负载的阻抗值转化为非线性负载的导纳值；步骤3、根据所述非线性负载的导纳值，通过优化方法得到匹配网络在满足步骤1给定的增益补偿量和相位补偿量的条件下所需的端口阻抗值；步骤4、根据所述端口阻抗值设计匹配网络。本发明首次给出了在给定不同频率处增益和相位补偿量的线性化器的设计方法，弥补了之前设计方法不能够对每个频率进行补偿的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及微波技术领域，尤其涉及一种极高频宽带线性化器设计方法。
背景技术
近年来，随着空间频谱资源争夺加速、空间电磁环境日益复杂，军事和政府卫星通信需求持续增长。但现有的Ku波段和Ka波段卫星通信系统已经不能满足当今人们对通信质量的要求。选取更高的频段进行通信以获得更高的容量、设计更优的卫星通信系统成为学者们研究的方向。更高频段的探索主要涉及Ka波段以外的极高频波段，即Q/V波段(约40-75GHz)和W波段(75-100GHz)。由于极高频波段大气衰减和自由空间路径损耗非常明显，这就会对器件和工艺的要求极高。功率放大器作为卫星转发器中至关重要的模块，决定了信号可以在自由空间中的传播距离和质量。为了得到较好的信号质量，功率放大器通常需要将输出功率回退。但这样会使得功率放大器的效率降低，进一步阻碍卫星的小型化和轻量化。
线性化技术能够拓宽功率放大器的线性工作区间，大幅降低其输出功率回退量，使功率放大器在保证输出信号质量的同时仍工作在高效率的状态。由于功率放大器的非线性特性在极高频波段不仅与输入功率有关，而且与频率有关，这就使得当前极高频宽带线性化器的设计变得困难。D.Zhang et al.Predistortion Linearizer for Wideband AM/PMCancelation with Left-Handed Delay Line[J].IEEE Microwave&WirelessComponents Letters.2017,27(9):794-796.该文献仅仅给出了线性化器在不同频率处的相位补偿能力，并没有涉及到不同频率处的增益补偿能力，且该电路的设计结构复杂。
并且，目前尚未出现极高频宽带线性化器的设计方法，所以对于其设计方法的研究能够有效应对未来卫星发展所遇到的高频段大气衰减及非线性失真问题，有助于未来卫星的小型化和轻量化，能够为我国卫星的进一步发展提供有力支撑。
发明内容
针对现有的线性化器设计方法存在的不能够对每个频率进行增益补偿的问题，以及缺乏极高频宽带线性化器的设计方法的问题，本发明提供一种极高频宽带线性化器设计方法。
本发明提供的一种极高频宽带线性化器设计方法，所述线性化器包括3dB定向耦合器、非线性负载和匹配网络，所述设计方法包括：
步骤1、给定线性化器在不同频率处所需的增益补偿量和相位补偿量；
步骤2、通过测量得到在不同输入功率下不同频率处的非线性负载的阻抗值，并将所述非线性负载的阻抗值转化为非线性负载的导纳值；
步骤3、根据所述非线性负载的导纳值，通过优化方法得到匹配网络在满足步骤1给定的增益补偿量和相位补偿量的条件下所需的端口阻抗值；
步骤4、根据所述端口阻抗值设计匹配网络。
进一步地，步骤1具体为：
根据在不同频率和功率处测得的功率放大器的增益和相位曲线，确定线性化器在不同频率处的增益补偿量和相位补偿量。
进一步地，步骤3包括：
设定匹配网络的传输矩阵为
按照式(2)求解匹配网络的参数A、B、C和D：
其中，a和b分别为步骤1给定的增益补偿量和相位补偿量，IL为系统的插入损耗，Z0为3dB定向耦合器耦合端的端口阻抗值，*为共轭运算，Gs和Bs为非线性负载的导纳值，Gsh和Bsh为非线性负载在最大输入功率下的导纳值，Gsl和Bsl为非线性负载在最小输入功率下的导纳值，Γh和Γl分别为反射系数在最大输入功率下的值和在最小输入功率下的值，ΦΓh和ΦΓl分别表示反射系数在最大输入功率下的相位值和在最小输入功率下的相位值。
进一步地，步骤3还包括：
根据匹配网络的参数按照式(3)计算得到匹配网络的端口阻抗值Zopt：
进一步地，步骤4包括：
在设计匹配网络时，选取特定匹配网络结构，并采用式(4)作为匹配网络的目标函数：
其中，λi为波数，Zopt(λi)为不同频率下步骤3得到的匹配网络的端口阻抗值，Zin(λi)为不同频率下特定匹配网络结构下的端口阻抗值，N表示所需要匹配的频率数目。
本发明的有益效果：
1、首次给出了在给定不同频率处增益补偿量和相位补偿量的线性化器的设计方法，弥补了之前设计方法不能够对每个频率进行增益补偿的缺陷，本发明方法为线性化器的自动化设计提供了理论基础；
2、本发明采用的电路结构简单，设计流程清晰；
3、本发明采用的电路为模拟电路，具有体积小，成本低，带宽宽和性能稳定等优点；
4、本发明方法不受限于具体的工作频率，是一种普适性的设计方法。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种极高频宽带线性化器设计方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的线性化器的电路结构图；
图3为本发明实施例提供的混合T型匹配网络的电路结构图；
图4为本发明实施例提供的采用本发明设计方法所设计的一种Q/V波段(46-52GHz)的线性化器电路图；
图5为本发明实施例提供的一种Q/V波段(46-52GHz)的线性化器的增益补偿量测试图；
图6为本发明实施例提供的一种Q/V波段(46-52GHz)的线性化器的相位补偿量测试图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供一种极高频宽带线性化器设计方法，所述线性化器包括3dB定向耦合器、非线性负载和匹配网络，所述设计方法包括以下步骤：
S101、给定线性化器在不同频率处所需的增益补偿量和相位补偿量；
S102、通过测量得到在不同输入功率下不同频率处的非线性负载的阻抗值，并将所述非线性负载的阻抗值转化为非线性负载的导纳值；
S103、根据所述非线性负载的导纳值，通过优化方法得到匹配网络在满足步骤1给定的增益补偿量和相位补偿量的条件下所需的端口阻抗值；
S104、根据所述端口阻抗值设计匹配网络。
实施例2
在实施例1的基础上，本发明实施例还提供一种极高频宽带线性化器设计方法，所述线性化器包括3dB定向耦合器、非线性负载和匹配网络，所述设计方法包括以下步骤：
S201、根据在不同频率和输入功率处测得的功率放大器的增益和相位曲线，确定线性化器在不同频率处的增益补偿量和相位补偿量；
具体地，在确定增益补偿量和相位补偿量时，一般需要满足采用该线性化器进行线性化后功率放大器的增益压缩小于1dB，相位变化小于10°。
S202、通过测量得到在不同输入功率下不同频率处的非线性负载的阻抗值，并将所述非线性负载的阻抗值转化为非线性负载的导纳值；
具体地，将非线性负载的阻抗值转化为非线性负载的导纳值的公式如式(1)所示：
Zs＝1/(Gs+jBs) (1)
其中，Zs为非线性负载的阻抗值，Gs、Bs为非线性负载的导纳值。
S203、设定匹配网络的传输矩阵为
按照式(2)求解匹配网络的参数A、B、C和D：
其中，a和b分别为步骤1给定的增益补偿量和相位补偿量，约束条件AD-BC＝1是当匹配网络为互易网络时所得到的约束条件，IL为线性化器的插入损耗，Z0为3dB定向耦合器耦合端的端口阻抗值，*为共轭运算，Gs和Bs为非线性负载的导纳值，Gsh和Bsh为非线性负载在最大输入功率下的导纳值，Gsl和Bsl为非线性负载在最小输入功率下的导纳值，Γh和Γl分别为反射系数在最大输入功率下的值和在最小输入功率下的值，ΦΓh和ΦΓl分别表示反射系数在最大输入功率下的相位值和在最小输入功率下的相位值。
S204、根据匹配网络的参数按照式(3)计算得到匹配网络的端口阻抗值Zopt：
S205、在设计匹配网络时，选取特定匹配网络结构，并采用式(4)作为匹配网络的目标函数：
其中，λi为波数，Zopt(λi)为不同频率下步骤S204得到的匹配网络的端口阻抗值，Zin(λi)为不同频率下特定匹配网络结构下的端口阻抗值，N表示所需要匹配的频率数目。
根据式(4)所示的目标函数可以获得满足给定增益和相位补偿量的匹配网络，由此就可以得到整体线性化器的设计参数。
实施例3
在本实施例中，以在Q/V波段(46-52GHz)设计一款线性化器为例，该电路基板采用相对介电常数为2.2、厚度为10mil的Rogers5880基板。进一步阐述本发明所提出的极高频宽带线性化器设计方法。本发明实施例所采用的线性化器的电路结构图如图2所示。
本实施例的Q/V波段(46-52GHz)的线性化器设计方法包括以下步骤：
1)给定线性化器在不同频率处所需的增益补偿量和相位补偿量：
根据在不同频率和功率处测得的功率放大器的增益和相位曲线，确定所需线性化器不同频率处的增益补偿量ΔG和相位补偿量△Φ，如表1所示：
表1功率放大器所需的增益和相位补偿量及计算得到的端口阻抗值
2)通过测量获得在不同输入功率下不同频率处的非线性负载的阻抗值Zs，并将其转化为计算所需的导纳值，存入计算机中；
3)根据步骤1)和步骤2)得到的相关信息，通过优化方法求出不同频率处所需的匹配网络的端口阻抗值Zopt，计算结果如表1所示。
4)根据计算得到的端口阻抗值设计匹配网络：
本实施例中选取混合T型匹配网络作为匹配网络结构，其示意图如图3所示，其传输矩阵可以表示为公式(5)：
然后其端口阻抗值可以表示为公式(6)：
最后该匹配网络的参数可以根据公式(7)所示的目标函数求得：
最终设计的Q/V波段(46-52GHz)的线性化器电路图如图4所示。图4中，“/”前后的参数分别为微带线的宽度和长度，例如“0.84/1.5”表示微带线的宽度为0.84mm，长度为1.5mm。经过实测，该线性化器的增益补偿量在46、48、50和52GHz处分别为3.58、3.67、4.03和4.19dB，非线性性能良好，满足使用要求；该线性化器的相位补偿量在46、48、50和52GHz处分别为35°、36.5°、42.5°和55°，非线性性能良好，满足使用要求。该Q/V波段(46-52GHz)的线性化器增益相位补偿量测试图分别如图5和图6所示；
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (3)
1.一种极高频宽带线性化器设计方法，其特征在于，所述线性化器包括3dB定向耦合器、非线性负载和匹配网络，所述设计方法包括：
步骤1、给定线性化器在不同频率处所需的增益补偿量和相位补偿量；
步骤2、通过测量得到在不同输入功率下不同频率处的非线性负载的阻抗值，并将所述非线性负载的阻抗值转化为非线性负载的导纳值；
步骤3、根据所述非线性负载的导纳值，通过优化方法得到匹配网络在满足步骤1给定的增益补偿量和相位补偿量的条件下所需的端口阻抗值；具体包括：
设定匹配网络的传输矩阵为
按照式(2)求解匹配网络的参数A、B、C和D：
其中，a和b分别为步骤1给定的增益补偿量和相位补偿量，IL为线性化器的插入损耗，Z0为3dB定向耦合器耦合端的端口阻抗值，*为共轭运算，Gs和Bs为非线性负载的导纳值，Gsh和Bsh为非线性负载在最大输入功率下的导纳值，Gsl和Bsl为非线性负载在最小输入功率下的导纳值，Γh和Γl分别为反射系数在最大输入功率下的值和在最小输入功率下的值，
和
分别表示反射系数在最大输入功率下的相位值和在最小输入功率下的相位值；
根据匹配网络的参数按照式(3)计算得到匹配网络的端口阻抗值Zopt：
步骤4、根据所述端口阻抗值设计匹配网络。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1具体为：
根据在不同频率和输入功率处测得的功率放大器的增益和相位曲线，确定线性化器在不同频率处的增益补偿量和相位补偿量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4包括：
在设计匹配网络时，选取特定匹配网络结构，并采用式(4)作为匹配网络的目标函数：
其中，λi为波数，Zopt(λi)为不同频率下步骤3得到的匹配网络的端口阻抗值，Zin(λi)为不同频率下特定匹配网络结构下的端口阻抗值，N表示所需要匹配的频率数目。
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Address after: 450000 Science Avenue 62, Zhengzhou High-tech Zone, Henan Province Patentee after: Information Engineering University of the Chinese People's Liberation Army Cyberspace Force Country or region after: China Address before: No. 62 Science Avenue, High tech Zone, Zhengzhou City, Henan Province Patentee before: Information Engineering University of Strategic Support Force,PLA Country or region before: China |