（电子科学与技术专业论文）空间行波管用线性化器设计.pdf

一 塑璺坐坠 一 _ _ - _ - - l - _ l - _ _ _ _ _ _ _ _ - l _ - _ - _ l _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ ，_ _ 一 a b s t r a c t e l e c t r o n i ct e c h n o l o g i e sh a sb e e nd e v e l o p i n gv e r yr a p i d l yn o w a d a y s ，a n d e l e c t r o n i c c o m m u n i c a t ea n ds i g n a lt r a n s m i tb e h a v i o r sa r ep l a y i n ga m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e i nt h i st e c h n o l o g yt r e n d i no r d e rt oo b t a i nm o r ee f f e c t i v et r a n s m i s s i o nr e s u l ta n dg o o d u s i n go fl i m i t e ds p e c t n t mr e s o u r c e s ，t r a n s m i t t e r s w h i c hb a s e do nh i g hl i n e a r i t y m o d u l a t i o nt e c h n i q u e sa r et h eo n l ys o l u t i o n h o w e v e rt h ep o w e ra m p l i f i e r su s e dm 仃翟m 疵t t e r sa r et h ek e yc o m p o n e n tw h i c hp r o d u c e sm o s to ft h en o n l i n e a r i t i e so ft h e w h o l ee l e c t r o n i cs y s t e m s t h ew a yt oc o n s t r u c tl i n e a r i z e dp o w e ra m p l i f i e r sh a sb e e n c e r t a i n l vt u r ni n t oc r i t i c a lt e c h n o l o g yi ni n d u s t r yo ft h ew h o l ew o r l d r e l a t i v e r e s e a r c h i n gw o r ko fp al i n e a r i z i n gi nd o m e s t i ci s s t i l lv e r yp o o rw h e nc o m p a r e dw i t h c o u n t e r p a r to fw e s td e v e l o p e dc o u n t r i e s ( e g s t u d y i n gh i s t o r ya n d r e s e a r c ho u t p u t s ) b e c a u s eo ft h e s er e a s o n s ，ic h o s et oc a r r yo nr e s e a r c h e si nd e v i c et y p ep r e d i s t o r t i o n l i n e a r i z e r sw h i c hi sd e s i g n e df o rs a t e l l i t e s1 1 w ta m p l i f i e ru s i n g i nt h i sp a p e r , f i r s t l yig i v et h ew h o l ep i c t u r e so f p o w e ra m p l i f i e r s ，a n dt h e np a y l o t s o fa t t e n t i o ni np o p u l a rl i n e a r i z i n gt e c h n o l o g i e s ，a n df i n a l l yc h o s ep r e - d i s t o r t i o na sm y b a s i cd e s i g ns o l u t i o n t h e nig i v es y s t e m a t i cr e s e a r c h e so nt h r e ek i n d so ft y p i c a l d e s i g n sw h i c hh a v eb e e nr e p o r t e dr a m b l i n gb e f o r e ，a n dd r a wo u tt h el a w t h a tad e s i g n e r c a n 代；f i c rt o b a s e do nt h es a m el a w , id e s i g n e da n e wl i n e a r i z e rw h i c hh a sab e r e rr e s u l t i ng a i nc u r v ea n dp h a s ec u r v ei ns i m u l a t i o n d e v i c e t y p e ，p r e d i s t o r t i o n ，l i n e a r i z e r , g a i n c o m p e n s a t i o n ，p h a s e c o m p e n s a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特雯i i j ) ；r i 以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：旌垫日期：1 d 。年j 月如日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：遗垫 导师签名： e t 期：7 , f r o 年厂月加曰 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着全球电子行业的不断发展，紧密、高效、稳定的通信联系越来越具有重 要的意义。但凡涉及到通信，存在微波信号的发射与检测，就必然涉及到功率放 大器( p a ：p o w e r a m p l i f i e r ) 。如何提高功放的效率自然也就成为关键问题之一。 而线性化技术是目前的实际条件下，能达到p a 效能优化的有力措施之，这也是 开展线性化相关研究工作最根本、最核心的意义所在。本章首先探讨了实施线性 化的原因、意义与目的，接着简要追溯了线性化技术相关方法的产生和发展历程， 随后对国内外的研究状况进行了统计和分析，可以看出开展相关研究的紧迫性与 现实性。在本章的末尾，扼要阐述了项目的相关研究工作与成果，及论文的基本 结构。 1 2研究意义及发展现状 从1 8 8 7 年，英国皇家科学院讨论会首次发表汤姆森( j j t l l o m s o n ) 关于“电 子概念的第一篇论文开始；基于麦克斯韦( j a m e sc l e r km a x w e l l ) 电磁理论的电 子行业才开始进入真正可操作意义上的蓬勃发展期。虽然早在1 8 3 7 年，美国人莫 尔斯( s a m u e lf i n l e y b r e e s em o r s e ) 就已发明电报，实现人类第一次利用电信号进 行信息传递。但是受限于当时没有办法对电信号进行有效调制和放大，电话与无 线通信并没有得到普及与应用。这样的状况，一直持续n - 十世纪初，弗莱斯特 ( l e ed ef o r e s t ) 发明了真空三极管，实现了对电信号的首次放大，第一次实现了 现今微波功率放大器具备的放大功能。 在接下来的历史发展中，功放具有越来越重要的地位。最初的电真空器件仅 仅应用于广播电台。但是随着各种结构和原理的电真空器件不断涌现，功率和效 能的不断提高，例如三极管、速调管、阴极射线管、磁控管、行波管等等，相关 的电子应用行业在不断的进行着拓展：二次世界大战首开应用雷达进行远距离探 测的先河；上世纪4 0 年代美国开始试播电视f “播；1 9 6 2 年行波管更是被应用在中 继通信的“电星 上。在种种的创新电子应用中，都有着真空功率放大器件的身 电子科技大学硕士学位论文 影。 与此同时，在二十世纪中叶前后，业界在半导体材料中取得的惊人研究成果， 以及制造工艺上的突破，开始有能力制造，如金属半导体二极管、硅双极晶体管、 砷化镓金属半导体场效应管、雪崩二极管等多种类的半导体器件。伴随着半导体 技术的飞速发展，采用微波平面传输线和蚀刻沉淀等技术的微波集成电路( m i c ： m i c r o w a v ei n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 制造，以及单片集成电路( m m i c ：m o n o l i 山i c m i c r o w a v ei n t e g r a t e dc i r c u i t ) 制造，更是进一步推动着固态功率放大器的蓬勃发展。 因为半导体器件固有的小体积、轻重量、低成本、高可靠的诸多优点，固态功率 放大器从诞生之日开始，就迅速的替代、拓展了曾经只使用真空功率放大器件的 各种场合。 电子行业百余年来，始终保持飞速的发展：从最初简单的远距离信息传递， 到如今自动化的获取、采集各种信息信号，乃至各种复杂的电子系统，功率放大 器件都在其中肩负着重要的作用。无论是民用，还是军用，又或者科研，各行各 业都在全面的电子化。 然而，如果展望未来的行业发展趋势，我们可以看到：电磁波自从被人们发 现并加利用以来，频谱资源越来越趋向于饱和，特别是在较低端的频率范围，余 下的可用频谱资源已经越来越少。但现实情况是，人们越来越追求高速、大容量 的数据传输率( 即便是军事的对抗中，也有着同样的需求) 。为了在有限的频谱中， 容纳更多的信道，避免越来越密的信道间互相干扰，就只能采用频谱利用效果更 好的技术。各种各样的调制技术应运而生，例如正交调幅调制技术( q a m ： q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 、正交相移键控( q p s k ：q u a d r a t u r ep h a s es h i f t k e y i n g ) 等。从本质上来说，这些技术都是要求线性的发射机。而对于发射机来 说，功放正是其中关键的瓶颈部件。整个系统的非线性就主要是由功放产生、引 入，并放大。如果不加以控制，极端情况下，整个系统都会失去效能。 此外，如果从如今应用最为广泛的电子领域无线通信领域来看，各种移 动的无线终端，如果能改善功放部件的非线性失真情况，或者纠正功放饱和条件 下的增益压缩。哪怕是很小的一、两个d b 的改善，就意味着功耗的降低，对利用 电池供电的的移动终端增加持续工作时间，绝对是大有裨益。对于各种星载或者 凌空平台中的应用而言，线性化技术也具备同样的现实意义。 总之，在当今的各种电子应用中，只要涉及到对电信号的检测和放大，就不 能没有微波功率放大器。不管是针对微波小信号的放大器，还是针对微波功率的 功放，它们都是要对目标信号进行放大。深入研究线性化技术，利用它来纠正功 2 第一章绪论 放的非线性失真，对改善器件和系统的效能，是具有非常重要的现实意义。 1 2 1 国外研究进展 对功放性能进行改善的线性化技术研究，其实早在上世纪功放出现后的十多 年就已开始：最早是由美国贝尔实验室的布莱克( h a r o l ds b l a c k ) 在1 9 2 5 年的注 册专利中提出的前馈技术，但是受限于当时实际的操作和工艺能力不足，并没有 取得很好的实际效果。后来，他又提出了相对简单的负反馈技术概念并申请专利， 在功放的设计中取得了一定的效果【l 捌。 最初的线性化研究，因为当时功放器件本身的设计、加工制造能力都还很粗 糙，有巨大的潜力可以挖掘，故对线性化技术的研究明显关注不够，往往仅是某 项研究过程中的附带收获。不过线性化技术的演化依然在不断继续着。 在上世纪五十年代，麦克唐纳德( m a cd o n a l d ) 提出用某种能产生与三极管 非线性特性相反输出的器件或电路，来补偿管子本身非线性失真的设想口】。这可以 看作是预失真技术探索的初步开始。随后，进入上世纪七k 十年代，以库玛( k u m a r m ) 和野岛( t n o j i m a ) 为代表的研究人员，开始了对预失真技术的进一步探索， 并且取得了一定的实际效果 4 - 副。 在1 9 7 4 年，考克斯( c o xd c ) 提出了非线性器件法，设想通过把非恒包络 的信号变换成恒包的络信号，然后再通过非线性的放大设备，以期回避不同信号 激励状态下带来的失真 6 1 。 在接下来的发展中，贝特曼( a b a t e m a n ) 在1 9 9 2 年，又发表了有些类似非 线性器件法的技术构想。该线性化技术主要区别与考克斯思路的地方，是在对恒 定包络信号的分离上。贝特曼回避了不易实现的信号分离器，转而采用两个反馈 环节来实现对信号的分离【7 】。 从上个世纪八十年代开始，经历九十年代的发展，直至上个世纪末，国际上 对线性化技术的研究可谓是风生水起。各种各样的构想和设计不断被提出，各种 已有线性化技术间更是出现了融合，乃至某些完全不同的技术、硬件问也开始出 现了融合：比如前馈和预失真技术的结合，又例如自适应技术同线性化技术的广 泛结合，再如引入d s p 、单片机等自动处理技术1 8 - 9 】。 在国际上，可以说线性化技术的发展，已经伴随功放的发展走过了漫漫八十 多年的长路。各种构想、原理、设计，在逐步的发展过程中，已经取得了相当的 研究成果。仅仅根据i e e e 上收录的相关资料来看，国外关于功放线性化器的研究， 电子科技大学硕士学位论文 目前已经进入了比较成熟的阶段。 国际上，最早的研究在上世纪二、三十年代即已开始，上世纪八、九十年代 进入蓬勃的发展期，在新世纪的近些年，对线性化的研究已经达到了相当水准的 高度：无论是理论，还是设计，又或者加工制造上。不少的线性化器方案已经获 取了专利，有不少方案，甚至已经集成到功放的模块设计中，将他们的电子核心 器件的制造能力推到了一个相当高的水准。 在这里，需要提一提的是，日本在线性化相关技术的研究上取得的成就非常 值得注意： 1 9 6 7 年，纳拉亚南( n a r a y a n a ns ) 在贝尔系统技术期刊上发文，提出用沃尔 泰勒级数( v o l t e r r as e r i e s ) 对晶体管的非线性特征进行分析【m 】。随后在1 9 7 9 年， 日本人佐藤( s a t o h ) 便提出基于此方法分析的，用二极管搭建的，适用于行波管 功放的线性化器设计。此后，并木( n a m i k i y ) 等人在正交调幅调制的条件下，对 这种线性化技术的效能进行了研究。接下来，在1 9 8 4 年，日本人野岛( n 0 j i m a ) 又用二极管成功的构建出了一种三阶模拟预失真线性化电路，并应用到移动电话 的固态功放系统中。 日本三菱集团，光电及微波系统实验室的中山正敏( m a s a t o s h i n a k a y a m a ) 等 人，在1 9 9 5 年发表“用于微波功率放大器的新型幅度和相位线性化技术 j ；， 将器件的范围扩展到了场效应管。 而同样是日本三菱集团信息技术研发中心的久山内( k a z u h i s ay a m a u c h i ) 等 人，在1 9 9 7 年发表“一种基于平行二极管的微波用小型线性化器”【1 2 1 ；，在2 0 0 0 年进一步发表“一种基于平行二极管的具有1 8 g h z 带宽的m m i c 线性化器j ： 新近于2 0 0 6 年还发表了“用于b 类功放的串接反向平行二极管线性化器，【1 4 1 。同 属于三菱集团的研究者小仓( s o g u r a ) 等人，也在1 9 9 7 年就发表了“一种星载 用袖珍型宽带场效应线性化器 【”】。 日本n e c 集团，半导体设备部的加里侯( g a r yh a u ) 、武乙西村( t a k e s h ib n i s h i m u r a ) 直高岩田( n a o t a k a1 w a m ) 等人组成的研究小组，也曾在2 0 0 1 年发表 “基于预失真技术的宽带高效线性化手持c d m a 功放 【1 6 】； 总结国际上已进行的相关研究工作可以发现：美国在相关的技术方面始终处 于先驱者地位，各种新概念，新技术的提出层出不穷；而日本紧随其后，大量的 吸收消化了相关原理和技术，借力自己在半导体技术和精密制造上的优势，获得 了不少实际成果；此外参与到研究中的各种国际研究机构和人员，也取得了相当 的研究成果，不少成果已经转化为实用的专利技术和方案，甚至有不少已经开始 4 第一章绪论 整合到相关电子系统中。就整体情况而言，国外在线性化器的器件和电路集成化、 小型化、精细加工上取得的成就让人瞩目。从研究的趋势来看，国际上相关的研 究工作正在继续往纵深方向深入，各类自适应技术、自动控制技术同线性化技术 的融合研究也在进一步的探索中。 1 2 2 国内研究进展 国内的研究，因整个电子行业的起步较晚：在上个世纪五六十年代，建国后 才开始逐步开始建立电子行业。其中涉及到线性化技术的研究更是少之又少。甚 至可以说，几乎没有：一直到上个世纪末才有零星的研究报告出现。 嚣 爨 篷 杖 1 蕞： l 8l l i ll l i l l 一；l 一i l l l谨 彦 ；l一|一 1 量 一g 一1 ! 。固。目目。l 1 一 如 1。自 雩$ 旁挚挛s 亨旁挛窜擎守 时闸 图l l 国内研究发表文献数量 根据c n 的公开的文献资料检索结果制成的数据图如上，从中可以看出， 国内的相关研究具有以下特点： 首先，起步非常晚。在接近上世纪九十年代的末期，才开始有研究单位和人 员对功放线性化技术进行关注【1 7 j 引。并且最初也基本局限于国内相关电子行业中 研究所的资料翻译和原理阐述。进入2 0 0 2 年、2 0 0 3 年以后相关的发表文献才开始 逐渐增多，直到最近几年，线性化器的研究才开始有逐渐被关注的态势。 根据检索到的文献发表情况来看，国内进行了线性化器研究的单位和机构很 多：科研单位主要有中电集团二十九所i i 钆2 n 、中电集团五十四所【2 2 2 3 1 、中电集团 十三所【2 4 1 、五零四研究所【2 5 2 6 1 等；各高等院校中，主要有电子科技大学 2 7 - 2 9 】、两 绚 如 加 o f 电子科技大学硕士学位论文 安电子科技大学【3 0 - 3 2 、同济大学 3 3 - 3 4 1 、东南大学等【3 删；国内的不少电子企业， 例如中兴、华为【明等也有开展相关的线性化技术研究 但是从已发表的文献看，国内的研究主要集中在文献的翻译和基本原理的阐 述上，实际研究线性化器和制造的单位较少；同时，相关的研究中，除了少部分 机构和院校，大多研究工作不具有连贯性；在已报告的文献中，研究的方向和系 统性也相当不完整，不同设计间的比对和归纳更是几乎没有。对比国际上全方位 的研究工作( 不仅有理论，而且有加工：不仅涉及某一种技术，还在该技术下进 一步细分和比对；不仅搭建电路，还详细比对了相关的器件、电路) ，目前国内的 相关研究可以说是相当的稚嫩和不完善。从下图可以明显的看出国内外在线性化 研究投入上的巨大落差。 + 国内相关文献数精_ 卜阑外相关文献数最 罄 罐 裂 簏 议 杈 ：g _ - 0 八厂 ， ? l 卜 n l ， ， 一r p 擎擎擎孛挛擎$ 擎擎萨梦守荸擎萨 时闻 图l - 2 国、内外研究文献数量对比研究 对比国内外相关研究文献的发表情况，可以看出我国的相关研究亟待加强和 补充。图1 2 中国外的数据，还仅仅是截取作者收集到数据中1 9 8 0 年以后的文献 发表量。事实上，国外在1 9 8 0 年以前就已经展开了不少研究工作并取得了成果， 而国内整个8 0 年代都没有任何研究。国内外研究状况的差异，可谓是十分巨大。 1 3 论文的主要研究内容及章节安排 在课题研究中，作者收集、查阅了大量的相关文献资料，深入研究了常见的 6 o 0 o o o d 咖 曩至 伽 蝴 | | m 第一章绪论 各种功放线性化技术，在充分调研的基础上结合项目背景，针对预失真器件型线 性化技术开展了深入的研究工作。 论文研究工作的特色与创新之处： ( 1 ) 提出了基于预失真技术的，器件型线性化器概念。 ( 2 ) 系统的对三种不同结构的器件型线性化器进行了研究：相比以往零散 的线性化器设计，深入研究了三种不同结构间性能差异及原因。 ( 3 ) 根据三种不同线性化器设计仿真结果得出的差异结论，提出了具有指 导意义的器件型线性化器设计思路。 ( 4 ) 依靠本文中总结出的设计思想，设计了一种新型的基于预失真技术的 器件型线性化器结构，获得了较好的预期效果。 本文内容和章节安排如下： 首先回顾了应用于功率放大器的相关线性化技术发展历史，接着分析国内外 的研究现状，阐明课题研究的意义和目的。第二章，从微波功率放大器的分析入 手，针对行波管功率放大器的项目背景特点，对行波管功放进行了重点研究。第 三章，着力解决对功放非线性问题的建模与分析，引出本文所关注的非线性指标 和评判标准。在接下来的第四章中，对各种线性化技术进行了系统的阐述和研究， 并给出了选择预失真器件型线性化技术作为基础方案的原因与分析。在进行了这 些工作的基础上，第五章详述了所研究的三利- 典型线性化器结构，不同于以往的 零散发表，本论文针对不同结构的仿真结果进行了系统研究，得出了对预失真器 件型线性化器的研究具有指导意义的结论，还据此设计了一种创新的线性化器结 构，并获得了不错的预期效果。在全文的最后，对已经开展的研究中有用的经验 和结论进行了总结，并对研究工作中的不足进行了归纳。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章微波功率放大器 要进行微波功率放大器的线性化研究与设计，就不能不对功放的相关特性与 理论进行研究。在进行具体的项目研究和设计时，必须先正确理解微波功率放大 器的相关概念，明了研究的应用背景和问题所在，才能做到有的放矢。所以在这 一章中，主要关注微波功率放大器，特别针对行波管放大器进行了深入研究。 2 2 微波功率放大器的分类 微波功率放大器从产生到现在，已经走过了近百年的发展历史，但是基本的 分类主要是两大类：半导体放大器与真空电子放大器。 不论是半导体放大器，还是真空电子放大器，两者的目的都是对微波信号实 施放大。从发展的进程上来说，真空电子放大器件出现的历史较半导体放大器早： 在上个世纪初就已出现。真空电子放大器件依靠的放大机理有多种，但是本质上， 都是电子运行在近乎真空的状态下，利用带电粒子在电极间运动时产生的某种效 应，实现对微波能量的放大【3 8 l 。而半导体放大器，则不再是基于真空中高速运动 的电子，转而利用半导体器件中不同的载流子运动规律，通过一定的方式实现对 微弱信号的检测与放大。 两种不同种类的功放种类，因为工作机理不同，在性能表现上也存在差异： 真空电子放大器，因为电子在真空状态下运动，能达到很高的能量级别，获得很 高的速度，因而可以获得很大的功率，在高功率应用中具有明显优势。半导体放 大器，因为利用的是半导体中载流子运动的电特性。在微观层面上，半导体器件 中的带电粒子始终无法摆脱在“密集”环境中穿梭的情况，故一般输出功率较小， 在中小功率应用场合具有优势。两者的性能可以说各有千秋，相互问互补的发展 也是将来的趋势之一( 例如微波功率模块) 。 从下图，我们可以很直观的看到两者不同的应用领域和范围： 芝 静 雷 露 k l y 真空器件 _ 、 、心 g r 、c 蠢心j 、 、g y r o t w t 11 - 、一 ni t w tq ) s i t s i b j t 。、e s f e 、3、二 、 固体器件 。 “l 、 i m p a t i t 、 、 g u n n 1 0 2 2 1 固态功率放大器 l1 0 1 0 01 0 0 0 频率g h z 图2 1 功放的不同性能对比【3 9 l 固态功率放大器s s p a ( s o l i d s t a t ep o w e ra m p l i f i e r ) ，是一种采用半导体材 料和工艺制成的放大器。从上图中可以看出，在低频率、低功率的应用场合，半 导体放大器件已经几乎完全取代了真空电子器件。 根据导电机制上的不同，固态功放还可以进一步分为单极型和双极型器件。 如果器件在工作中，只有单一的多数载流子参与到运动中，器件就是单极型( 如 常见的场效应管) 。如果工作过程中，器件中多数载流子和少数载流子是共同参与 运动，则称为双极型器件( 一般以p n 结为工作基础的二极管和三极管，均是双极 性器件) 。 倘若按照半导体的工作效应进行划分，又可划分为利用结型效应工作的器件 ( 变容二极管、肖特基二极管、隧道二极管、雪崩渡越时间二极管等) ；利用体效 应工作的转移电子器件( 耿氏器件等) p 引。 从二十世纪中叶开始，基于半导体技术制作出来的固态功率放大器优势明显： 具有良好的体积、质量尺寸比。尺寸上可以做到非常小，集成度可以相当高。此 外，因结构简单、也就具有相应较佳的稳定性。在低频率和低功率场合，已经非 9 妒 小 舻 m 舻 啦 o h 心 妒舻舻埘妒 烀 m 。矿俨 ii 电子科拉大学硕士学位论文 常广泛的应用在电子行业的各种产品中：在通信传输、雷达探测、测量分析、军 事对抗中，具有非常重要的应用价值。半导体器件虽具有以上的优势，但因电子 无法摆脱在半导体中运动规律，载流子不可避免的会产生碰撞及其它效应，在功 率的输出上也就有了天然的限制。虽然通过采用功率合成技术，可以在一定程度 上弥补这样的缺陷，但是当系统中的器件数量逐渐变多后( 例如，当采用成千上 万的半导体功放器件时) ，系统的复杂度明显增加，稳定性也会明显降低，还伴随 着庞大的散热问题，这些问题都限制了半导体放大器在高功率、高频率上的进一 步应用。 22 2 行波管放大器 因为项目研究的应用背景是基于星载行波管应用，故从下文开始主要关注 真空电子功放中的行波管。 行波管放大器盯1 a ( t r a v e l i n gw a v et u b ea m p l i f i e r ) ，是真空电子放大 器件中的一种。在1 9 4 3 年，由英国研究者康福纳尔( k o m p f n e r ) 首先发明行波管， 因为功率输出好，当时主要用来改善雷达的探测能力。后来在1 9 5 2 年，行波管被 首次应用到中继通信中。在接下来的发展中，行波管的应用进一步繁荣和扩大， 广泛的在雷达系统、电子对抗系统、通信系统中应用，1 9 6 2 年更是进一步被运用 到星载通信中。在目前的电子行业中，行波管依然占据着举足轻重的地位特别 是在直播卫星、大功率电子对抗、微波功率模块等应用巾，具有相当关键的作用。 电子i 抢融聚侮系统 收照收 嘲2 - 2 行波管实物结构示意削 第二章微波功率放大器 行波管实物结构示意图如上，主要有五大结构部分： 电子枪：提供满足行波管工作所需尺寸和密度的电流，并将电子加 速到只比慢波结构中电磁波速度稍快一点的部件。 磁聚焦系统：通过利用磁力，对电子进行约束，避免电荷问排斥力 导致发散的部件。 慢波结构：将电磁波的相速度降低到和电子运动速度基本相同提 供电子和电场相互作用的场所，进行能量交换的关键部件。 输入输出装置：信号的输入口与输出口，常见的形式有同轴结构的 接口和波导结构的接口。 收集极：将己和电磁场交换了能量的电子进行收集的部件。 电子从电子枪发射出以后，会穿过相当长的慢波结构，并且在慢波结构中， 同电磁场进行足够的相互作用。通过恰当的设计，可以使略快于慢波结构中电磁 波行进速度的电子，处于适当的减速场中。这时，电子不断交出能量，电磁波得 到能量也就实现了电磁波的放大。行波管中，因为电子和电磁波的互作用时间 较长，可以获得相当高的增益；同时，因为没有谐振腔的限制，工作带宽也不再 非常受限。 融场疑醯器 图2 - 3 行被管结构示意图t 3 9 j 行波管放大器的种类也有不少，关键的区分就在慢波结构的实现上。 最常见的螺旋线行波管具有非常宽的带宽但是由于散热和自激振荡，功 率一般不高，脉冲功率常在l o k w 以下，平均功率更是小于l k w 。另一种典型的 行波管是采用耦合腔行波管，其慢波结构由全金属构成，散热性能极好，工作电 压也相当高故输出功率很大，但是带宽比较窄。此外，还有环杆和环圈行波管， 电子科技大学硕士学位论文 作为改进型设计，其输出功率要高出螺旋线行波管不少，但是依然受限于环杆和 环圈的散热能力，且带宽要窄一点。 因为行波管的工作原理是基于管中电子与波的不断相互作用，随着互作用过 程持续的进行，电子不仅会发生群聚，而且还会因为交出能量，自身速度不断降 低。此外，因为空间电荷间相互的斥力存在，会有越来越多的电子因为相位的滞 后，不断的拖后，落入加速场中。宏观上，当这样的被加速电子多到一定程度时， 电子注获得的能量大于交出的能量，此时，管子就会进入到所谓的“饱和 状态， 行波管的放大作用也就不再继续维持，出现了跌落 4 0 j 。为了获得尽可能大的放大 效果，信号应远离线路的这一工作状态。对这种天然的缺陷，除了通过相应的管 体设计技术进行改良外( 如修正慢波结构的节距等) ，通过线性化技术进行纠正是 非常有效的方法之一。 2 3 微波功率放大器的指标 要想衡量微波功率放大器的性能如何，就必然需要一些指标和参数来评判。 下面针对行波管放大器的相关参数进行简要介绍： 2 3 1 工作频率与带宽： 行波管放大器能够正常稳定工作，满足各项指标的频率，即是工作频率。 而行波管的带宽，一般是瞬时带宽，也就是指在其余条件不变的情况下，也 不对管子做任何调整的情况下，能够满足相应技术指标的工作频率范围。在具有 超宽带性能的螺旋线行波管中，还使用倍频程来衡量管子的带宽。某管子如果最 高工作频率同最低工作频率之间的比为2 。：l ，那么就称其达到n 个倍频程。 2 3 2 增益 行波管的增益定义如下，其中，是管子的输出功率，最是管子的输入功率： 强川g 引 沼 在实际的应用中，还常常用到以下几种情况的增益进行评判： 小信号增益：也就是前文提到的功放没有处于饱和状态，是处于线性 放大的情况时，输出远远小于饱和状态时获得的功率； 1 2 第二章微波功率放大器 额定功率增益：在指定输出功率情况时的增益： 饱和增益：通常指在输出达到饱和时的增益，不过一般难以精确测量； 2 3 3 输出功率 这是行波管的一个基本衡量指标，通常是指管子在饱和工作状况下的输出功 率( 基波输出功率) 。有时也指在近似线性状态时，管子能够提供的功率。这也就 了引出了增益压缩i d b 输出功率的概念，见下文。 2 3 4l d b 压缩点输出功率 图2 - 4l d b 压缩点输出功率【4 1 l 行波管放大器有一个工作的线性功率范围，在这个区域内，行波管的输出功 率同输入功率之间呈线性关系。一般来说，在线性的小信号功率时，获得的增益 比较理想。实际功放在输入功率逐渐增大的过程中，其输出功率也就不再随之线 性地增大，得到的功率往往小于线性情况下所预计的值。l d b 压缩点输出功率，也 就是指当增益下降到比线性时少l d b 时的输出功率。 当系统只存在一个频率的输入信号时，令输入信号为：色= , 4 c o s ( a t ，应用三 阶幂级数进行分析： e o = 向q + 也+ 屯穹 ( 2 2 ) 将假设的单音信号代入，有： e o = k l 彳c o s c o t + k z a 2 c o s 2 倒+ k 3 a 3 c o s 3 0 a t 电子科技大学硕士学位论文 = k 2 a 2 + 魄彳+ 言岛彳3 ) c o s 耐+ l k e a 2c o s 2 研+ 丢岛彳3 c o s 3 耐( 2 - 3 ) 从公式( 2 3 ) 可以看出，在单音的情况下，输出的信号量中，不仅包含了基 波分量，还出现了直流分量、二次谐波分量、三次谐波分量。 功放的增益可由上式中基波分量的增益表示： g ：2 。l 。g k l a 1 + i 3 r l f i a 3 ：2 。1 0 9 ( 向+ 三岛彳，) ( 2 - 4 ) 而功放的线性增益则可定义为： g o ：2 0 1 0 9 等：2 0 l 。g ( 毛) ( 2 - 5 ) 则，l d b 压缩点增益可以写为： gi越=g0-l(2-6) 2 3 5 三阶交调截断点( i p 3 ) 三阶交调截断点在分析应用e e 非常有用，是司量度三阶互调失真的指标。三 阶交调截断点与输入功率完全无关，仅仅由系统自身的非线性造成，可以良好的 对非线性情况进行度量。通常在产品手册上，可以查找到p l 。b ，由它可以估计出玛 的对应值。 对于多载波信号的情况，这里以双载波信号为例，当输入信号是包含两个频 率的载波时：= a c o s c 强t + a c o s c o ， 采取类似第2 3 4 节中单载波信号的分析，有： 气= 墨( c o s q f + c o s 哆f ) + 如彳2 ( c o s c o l t + c o s c 0 2 t 2 + k 3 a 3 ( c o s c o l t + c o s c 0 2 t ) 3 ( 2 - 7 ) = 乞彳2 + 红彳2c o s ( q 一哆弦+ ( k l a + 三岛彳3 ) c 。s 皑f + ( 毛彳+ i 9k 3 彳) c 。s 哆f + 3 岛a 3c o s ( 2 c 0 2 一q 弦+ 3 k 3 a 3c o s ( 2 0 喁一哆弘+ k , a 2c o s ( c 碣+ q ) f + 三岛彳2c o s 2 铂f + l k 2 a 2 c o s 2 锡f + 3 q a 3c o s ( 2 q + q v + q a 3c o s ( q + 2 c 0 2 ) f + 言乜彳3c 。s 3 q f + 4 k 3 a 3 c o s 3 珊2 ， ( 2 8 ) 从公式( 2 8 ) 可以看出，双载波信号的输入情况时，输出信号量在单音载波 的基础上，还出现了两个频率信号的线性组合交调分量( e p ，类似朋q + 刀鸭的 1 4 第二章微波功率放大器 各种组合输出，册+ 厅= 几就是对应的几阶交调分量。例如2 q q 、q _ + 2 c 0 2 就是 三阶交调分量) 。交调分量随着阶数的增加，幅度( 也就是式中的系数) 会迅速减 小，故式中的高阶项通常可以忽略不计。除三阶交调分量的2 1 0 t 1 0 2 和c o t - 2 c 0 2 外， 其余低阶项因为落在带外也可以忽略不计，所以上述两种三阶交调组合成为功放 最主要的非线性分量。 如果在图示中，把主信号国的频率功率曲线向后延伸，同时把三阶互调信号 2 c o t c 0 2 的频率功率曲线也进行相应延伸，得到的交点就是三阶截断点，如图2 5 所示： 尼 信 鼍 、 铸 雷 吉| 簿 图2 - 5 三阶截断点不意图 由公式( 2 8 ) 可知，三阶交调分量的信号功率增加率是载波信号功率增加率 的三倍：载波信号每增加l d b ，三阶交调的功率就会对应增加3 d b ，如果描绘在图 中，两条曲线的交点是确定的，不会随着输入电平的改变而改变，因而它就成为 了一个相当有意义的概念，可由下式进行估计： 易3 = 日扭+ 1 0 6 3 d b m ( 2 9 ) 冀2 吨咱) = ) 一2 3 ( 2 - 1 0 ) 2 3 6 谐波 在前文的第2 3 4 节中，已经对谐波信号的产生进行了简单的数学分析。因为 行波管，特别是螺旋线行波管的宽带特性，输入在工作频带低端的信号，谐波频 率就会自然产生，并且正好落在管子的工作频带内。此谐波频率会再进一步激励 起谐波电磁场。最终，谐波电磁场和电子注互作用，等于实际上放大了谐波信号， 电子科技大学硕士学位论文 最终导致管子的输出中，谐波的成分大大增加，输出的基波功率也就出现了下降。 对此现象，可以通过改善设计，或者采用谐波注入的方式来予以解决。 1 6 第三章功放的非线性问题及建模 3 1 引言 第三章功放的非线性问题及建模 在上一章节中，已经对功率放大器，特别是行波管放大器进行了简要介绍。 从本章开始，将着重对功放，特别是m 的非线性问题进行研究与分析，并推 导出在接下来的设计中所依赖的线性化器评判标准增益和相位曲线标准。 3 2 行波管非线性的表现与机理探究 通常来说，放大器是工作在大信号状态，或者说，被驱动到l d b 压缩点附近工 作。在这种近乎饱和的工作状态下，行波管放大器往往表现出比较强的非线性， 导致输出产生失真的原因主要有交调失真、谐波失真、幅度调制转移失真、调幅 调相转移失真等，在多载波情况下，三阶交调失真还会引发较更严重的非线性失 真，这些失真都导致了输出的非线性。行波管放大器的非线性主要表现包括幅度 非线性( a m a m ) 和相位非线性( a m p m ) 。 3 2 1 幅度调制转移失真( a m a m ) 理想状态的功放，本应具备线性的放大关系，对应的增益情况应该表现出线 性特性，与输入信号的幅度变化无关，可以用函数表达如下： 厂( f ) = g x ，( f ) ( 3 - 1 ) 然而在真实的功放系统中，输出功率与输入功率之间的关系却并不能总保持 线性，总是会表现出一定的非线性( 弱非线性或强非线性) 。当输入功率增大到某 种程度时，进一步增加输入功率，输出功率并不会成比例的增加，反而还表现出 一定程度的功率压缩。也就是说，前面公式中的放大比例g ，在输入r ( t ) 增加的情 况下，反而出现了一定程度的减小( 参见图2 - 4 ) 。 产生幅度调制转换失真的原因在于行波管工作在饱和状态时，电子群聚的状 况恶化，不再继续向场交出自己的能量，甚至还从场中汲取能量。此种情况直接 导致了输出功率表现为输出增加的非线性。 3 2 2 调幅调相转移失真( a m p m ) 电子科技大学硕士学位论文 当行波管输入功率变化的时候，不仅仅是它的输出功率存在着非线性的情况， 管子的输出相位也会发生一定程度的非线性畸变，这种现象就称为调幅调相转换 ( 如图3 1 所示) 。 输入功翠( d b m ) 图3 - 1 行波管相位与输入功率的关系【3 9 l 行波管之所以有调幅调相转换情况的出现，原因主要是因为行波管的相移是 随电子速度减小而增加的：当输入功率不大时，电子交出的能量相对较少，速度 变化不大，相应的相移也就不明显，故图3 1 中相位曲线的开始部分变化比较平 缓。但是当输入功率增大到某一程度，电子交出的能量开始迅速增大，电子的减 速也相当明显，故管子的相移也就明显增大，也就导致输出相位的减小。此时， 也就表现出了相当剧烈的调幅一调相转移失真。 3 2 3 行波管非线性表现的探究 对行波管的放大机理进行深入分析，可以发现互作用过程才是产生非线性的 关键，而行波管中的互作用过程可分为三个过程： 1 ) 电磁场对电子的作用过程，造成了电子的加速、减速效果。 2 ) 已经群聚的电子注在慢波结构中激励起高频场的过程。 3 ) 电子注本身的群聚过程，形成空间上密度不一电子注的过程。 在不考虑相对论效应的情况下，电子受到电磁场的影响，产生加速、减速的 过程，可以视作线性过程，故第一种情况可以不考虑；而对于行波管的慢波结构 来说，因为其中并没有填充非线性的介质，也不会有非线性的现象产生，所以第 二种作用过程带来的影响也可以忽略。 现在我们来着重关注电子注本身的群聚过程： 当输入信号还很小的时候，在电子注的群聚过程中，能够施加的密度调制显 然较小，形成的交变电流比起标准的正弦波形差异并不算太大，这个时候，管子 是可以视为工作在线性区域的。但是当输入信号逐渐推高的时候，行波管中电子 第三章功放的非线性问题及建模 注的交变分量虽然在飘移刚开始的阶段接近于正弦波形，但是在输出段，由于电 子注已经发生了强烈的群聚变化，相应的交变分量也不再是标准的正弦波形，于 是谐波分量开始出现，表现出一定的非线性。如果再进一步增大输入信号，电子 在群聚时，会产生“过群聚 ，出现非常强烈的超越现象，相应得到的电子注交变 分量开始变的十分复杂，管子进入到极强的非线性工作状态。 现在针对群聚的过程，进步分析行波管输出增益产生变化的原因。电子在 管中的位置表示如图3 2 。 l ) 图3 - 2 电子群聚关系示意副3 9 l 在正常情况下，群聚发生在图中所示c 点，并且因为群聚在这一点的电子块， 速度略微比场速度超前一点，整体落入前方最强的减速场乙砀中，电磁场得到能 量，被放大。在输入的信号较小时，群聚块基本处于这一减速场中，能量逐渐被 交出，速度逐渐降低。 当输入的信