Аналоговый предыскажающий линеаризатор на диодах Шоттки для бортовых СВЧ-усилителей мощности

Отличительная особенность нашего времени — непрерывно возрастающая потребность в передаче больших объемов информации. При этом необходимо удовлетворять современным требованиям по высокой спектральной эффективности и энергетике канала связи. В ретрансляторах спутниковых систем передачи информации [1] используются формирователи СВЧ-сигналов с такими сложными видами модуляции несущего колебания, как многоуровневая фазовая манипуляция, кодоамплитудная модуляция и мультиплексная передача на ортогональных несущих. Новые виды модуляции накладывают жесткие требования на линейность радиопередающего устройства. Компромиссным выходом из противоречия между энергетической и спектральной эффективностью, с одной стороны, и соблюдением требований электромагнитной совместимости — с другой, является перевод активного элемента усилителя мощности (УМ) в линейный режим с недоиспользованием его по мощности до 10 дБ. Дополнительные требования по минимизации массы и энергопотребления для бортовой спутниковой аппаратуры заставляют использовать те или иные схемы линеаризации УМ.

Цифровые предыскажающие линеаризаторы включаются в тракт формирования модулирующего сигнала и требуют усложнения узлов модуляции радиопередающего устройства. В условиях, когда связанные с изменением схемы и конструкции усилителя мощности технические решения недопустимы, используются более простые и широкополосные аналоговые способы [2, 3].

Предлагаемый аналоговый предыскажающий линеаризатор (АПЛ) на диодах Шоттки с ферритовым циркулятором позволяет снизить уровень интермодуляционных искажений (ИМИ) третьего и пятого порядка и увеличить энергетическую эффективность УМ СВЧ-диапазона. На рис. 1 представлена структурная схема линеаризированного УМ. В ней используются: ФЦ — ферритовый Y‑циркулятор; ПЛ1‑ПЛ4 — микрополосковые согласующие линии с волновым сопротивлением Z_всоответствующей физической длиной L_i и шириной s_i; R_н — активное сопротивление нагрузки; Е_см — источник постоянного напряжения смещения диодов, сопротивление которого для СВЧ-токов пренебрежимо мало благодаря блокировочному конденсатору С_бл. Используются корректирующие быстродействующие диоды с барьером Шоттки VD1 и VD2, обладающие несимметричной экспоненциальной вольтамперной характеристикой.

Рис. 1. Структурная схема выходного каскада усилителя мощности УМ с аналоговым предыскажающим линеаризатором АПЛ

При низком уровне мощности входного сигнала дифференциальное сопротивление диодов VD1 и VD2 велико и не влияет на согласование порта 3 циркулятора с нагрузкой R_н. При этом практически вся, отраженная от порта 2, мощность будет поглощаться в R_н, и амплитудное предыскажение выходного сигнала не происходит. С ростом входной мощности сигнала u_вх(t) увеличивается уровень сигнала на порте 3 за счет обратного прохождения между портами 1 и 3, а также поступление на диоды волны, отраженной от порта 2. При этом сопротивление диодов VD1–VD2 уменьшается, что приводит к рассогласованию порта 3 и увеличению отраженной мощности, поступающей на входной порт 1, а, следовательно, и к предыскажающему увеличению мощности, поступающей на вход УМ через порт 2.

Рассмотрим более подробно, как формируется предыскажение в АПЛ. Для этого запишем ток, протекающий через пару одинаковых антипараллельных диодов, в виде:

где I_S — обратный ток насыщения диодов. Коэффициент δ = q/kT, где q — заряд электрона; k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура.

Выражение (1) можно разложить в ряд Тейлора по степеням δu_вх(t) и получить:

Ограничиваясь кубическим членом (2), получаем выражение для мгновенной нелинейной проводимости диодов в следующем виде:

После согласования линейной части проводимости диодов с малосигнальным значением Y₀, выражение (3) можно переписать в виде:

где b — постоянный коэффициент.

Отражаться будет только та часть мощности, которая определяется вторым членом выражения (4). Напряжение на выходе циркулятора получает предыскажение, пропорциональное кубу напряжения u_вх(t):

где B — коэффициент. Выражение (5) показывает, что в первом приближении на выходе АПЛ присутствуют искажения третьего порядка, противофазные составляющим, возникающим в самом УМ, и в сумме уровень интермодуляционных искажений 3‑го порядка понизится. При учете высших членов степенного разложения на выходе АПЛ присутствуют искажения и высших порядков, согласно выражению (2), то есть будут уменьшаться и ИМИ более высокого порядка.

Для моделирования УМ, линеаризированного при помощи АПЛ, и количественной оценки уровня ИМИ был использован вычислительный пакет Applied Wave Research (AWR) версии Visual System Simulator (VSS). В качестве модели УМ выбраны амплитудные характеристики усилителя на ЛБВ модели TH4300 С производства Thales Group [4] диапазона 15 ГГц. Паспортные характеристики АМ/АМ и АМ/ФМ представлены на рис. 2.

Рис. 2. Характеристики преобразований АМ/АМ и АМ/ФМ для ЛБВ модели TH4300С

С целью учета реальных рабочих параметров закона распределения амплитуд входного сигнала [5] и уточнения количественных значений уровня ИМИ в качестве входного использован сигнал с 4‑уровневой фазовой манипуляцией ФМ4 по псевдослучайному закону, в котором, для выполнения нормативов электромагнитной совместимости и формирования компактного сплошного спектра шириной 160 МГц, применено сглаживание фронтов манипуляции фазы при помощи фильтра Найквиста [6] типа «корень квадратный из приподнятого косинуса» c параметром скругления α = 0,35. Количественная оценка уровня ИМИ выполнялась по критерию мощности в соседнем канале Adjacent Channel Power Ratio (ACPR).

Параметры СВЧ-тракта АПЛ, связанного с портом 3 на рис. 1, при помощи подбора значений ширины s_i и длины L_iполосковых линий, сопротивления нагрузки R_н, характеристик диодов VD1, VD2 и напряжения смещения Е_см, выбирались с целью минимизации и достижения примерного равенства уровней ИМИ 3‑го и 5‑го порядков. Результирующие спектральные характеристики выходного сигнала УМ представлены на рис. 3. При моделировании использовались следующие параметры элементов схемы: Е_см = –0,7 В; R_н = 90 Ом; L₁ = 3,9 мм; s₁ = 1,9 мм; L₂ = 2,2 мм; s₂ = 0,4 мм; L₃ = 3,9 мм; s₃ = 0,9 мм; L₄ = 1,2 мм; s₄ = 0,4 мм.

Из рассмотрения рис. 3 видно, что при усилении в УМ на ЛБВ широкополосного сигнала с коррекцией нелинейности с помощью АПЛ достигается снижение суммарного уровня ИМИ на 12 дБ с улучшением компактности сплошного спектра усиливаемого сигнала. Выходная мощность рассмотренного усилительного прибора была на 2 дБ ниже предельной, являющейся паспортной для режима насыщения при синусоидальном входном сигнале.

Рис. 3. Спектральная плотность мощности на выходе УМ на ЛБВ без АПЛ (красная линия) и с АПЛ (синяя линия)

Удалось также снизить на несколько децибел уровень ИМИ 5‑го и более высоких порядков в частотных полосах, удаленных от границ выделенной полосы частот, что улучшает характеристики электромагнитной совместимости спутникового ретранслятора.

В работе исследована схема аналогового предыскажающего линеаризатора на основе Y‑циркулятора с диодами Шоттки в опорном плече. Преимуществами данной схемы является возможность простой и малогабаритной технической реализации без изменения конструкции усилительного прибора или модулирующих каскадов радиопередающего устройства. Оценка достигаемого технического эффекта выполнена при помощи тестового модулированного сигнала со статистическими характеристиками, совпадающими с рабочим режимом. Уровень получаемой средней выходной мощности в широкой полосе частот незначительно отличается от предельной паспортной, установленной для одночастотного сигнала при насыщении, обеспечивающей высокую энергетическую эффективность (КПД). Пониженный уровень паразитных составляющих спектра излучаемого сигнала удовлетворяет жестким нормативам ЭМС.