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随着电子对抗技术的发展，精确干扰、灵巧干扰已经是电子对抗主流技术之一，电子对抗系统精确干扰的成功应用很大程度上取决于发射功率的线性化特性[1]。电子对抗发射通道的线性化特性主要受其末端的高功率放大器压缩程度影响，常用的GaAs、GaN固态功率放大器高功率输出时存在严重的非线性失真特性[2]。因此，为实现电子对抗系统的精确干扰，必须解决固态功率放大器高功率输出时非线性化问题。
对于超宽带固态功放幅度线性化，主要采用模拟预失真技术。模拟预失真技术主要有反射型并联肖特基二极管、反射型串联肖特基二极管等技术[3-6]。以上技术利用了肖特基二极管检波特性及偏置反馈电路实现预失真性能，对大信号存在“削波”的可能，会产生很多高次谐波信号；同时该技术对偏置电路稳定性要求较高，还存在输入输出驻波较差的缺点。
本文基于PIN二极管开发了一款超宽带桥T型模拟线性化器，利用微波功率对PIN管微波阻抗的调制特性，实现微波信号幅度扩张和相位压缩特性。和传统基于肖特基二极管的线性化器相比，该线性化器具备偏置电路简单、不存在大信号“削波”可能和输入输出驻波性能良好等优点。该电路结构能够实现在0.8～2 GHz频率范围内增益扩张5 dB、相位压缩18°的预失真特性，并具备良好的宽带驻波特性。
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桥T型模拟线性化器电路由T型衰减器和PIN二极管并联组成，其中T型衰减器主要实现线性化器的阻抗近似匹配，改善输入输出驻波，具体电路结构见图1。
图 1 桥T型模拟线性化器电路结构图
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在PIN二极管非导通(零偏置或正偏置)状态下，其微波阻抗随PIN二极管加载的射频功率增大而减小[7-8]。本文中的桥T型模拟线性化器正是利用PIN二极管的微波阻抗受射频功率调制这一特性而实现幅度扩张和相位压缩。
如图1所示，当端口1输入射频小信号时，PIN管为高阻抗状态，可视为开路，模拟线性化器插损为T型衰减器的插损。随着射频信号功率的增大，PIN管的微波阻抗逐渐减小，桥T型模拟线性化器插损也逐渐减小，从而实现线性化器的幅度扩张特性。相位压缩特性的说明相对复杂，下面通过理论推导详细说明桥T型模拟线性化器实现幅度扩张和相位压缩的原理。
为简化分析，零偏置和正偏置状态下，PIN二极管等效电路[9-10]如图2所示。
图 2 PIN二极管零偏置或正向偏置状态下的微波等效电路图
整个桥T型模拟线性化器的等效电路见图3。
图 3 桥T型模拟线性化器等效电路图
结合等效电路，由基尔霍夫电压定律可知方程：
$$\left( {\frac{{{V_2}}}{{{R_L}}} - \frac{{{V_1} - {V_2}}}{Z}} \right){R_1} + {V_2} = {V_0}$$ (1) $$\left( {\frac{{{V_0}}}{{{R_0}}} + \frac{{{V_2}}}{{{V_L}}} - \frac{{{V_1}{\rm{ - }}{V_2}}}{Z}} \right){R_1} = {V_1} - {V_0}$$ (2) 将式(1)与式(2)联立，令
${R_L} = {R_1} = {Z_0}$ ，求解得：$$ \frac{{{V_2}}}{{{V_1}}} = \frac{{{R_0} + \dfrac{{R_1^2 + 2{R_1}{R_0}}}{Z}}}{{2{R_1} + 3{R_0} + \dfrac{{R_1^2 + 2{R_1}{R_0}}}{Z}}} $$ (3) 式中，Z为PIN二极管的等效阻抗，Z0为系统参考特性阻抗，将
$Z{ = }{{1} / {{(}Y{ +{\rm j}}\omega C{)}}}$ 代入式(3)，得到该网络的传输系数为：$$ {S_{21}} = \frac{{\dfrac{{{R_0}}}{{{R_1}}} + (2{R_0} + {R_1})(Y + {\rm j}\omega C)}}{{2 + \dfrac{{3{R_0}}}{{{R_1}}} + (2{R_0} + {R_1})(Y + {\rm j}\omega C)}} $$ (4) 式中，Y为PIN二极管并联等效电阻的导纳；C为并联等效的电容。
由S21的表达式可知，当射频信号较小时，PIN二极管的等效导纳较小，桥T型模拟线性化器的插损主要由T型衰减器的电阻R0和R1决定。随射频功率的增加，PIN二极管的等效导纳逐步增大，S21的幅度也逐步增加，因而实现幅度扩张的功能。
由式(4)可知，S21的相位表达式为：
$$ \angle {S_{21}} ={ {\rm {tg}}^{ - 1}}\frac{{\dfrac{{2\omega C}}{{{R_1} + 2{R_0}}}}}{{\left[ {\dfrac{{{R_0}}}{{{R_1}({R_1} + 2{R_0})}} + Y} \right]\left[ {\dfrac{{2{R_1} + {R_0}}}{{{R_1}({R_1} + 2{R_0})}} + Y} \right]}} $$ (5) 随PIN二极管加载射频功率的增大，零偏或正偏状态下PIN管微波等效电路中的电阻导纳Y逐渐增大，而电容C逐渐减小，因此可以实现相位压缩的功能。
综上分析，随PIN二极管加载射频功率的增大，零偏或正偏状态下PIN管微波等效电路中的电阻R和电容C逐渐减小，桥T型模拟线性化器可以实现幅度扩张和相位压缩的预失真特性。
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在实际的系统应用中，某微波宽带综合系统需要0.8～2 GHz带宽模拟线性化器，要求幅度扩张5 dB，相位压缩20°。
根据应用需求，确定T型衰减器部分小信号插损11 dB左右，驻波比2.5左右，因此可以确定
${R_1} = 50\;\Omega $ ，${R_0} = 150\;\Omega $ 。所选PIN二极管参数零偏置条件下并联电容0.2 pF，微波阻抗10 Ω～500 Ω(随加载功率可变)。微波基板选用氧化铝陶瓷，厚度为0.254 mm。按图1所示电路结构，桥T型模拟线性化器的HFSS模型如图4所示。
图 4 模拟线性化器的仿真模型
仿真结果如图5～图7所示，该模拟线性化器在−15～0 dBm激励下，幅度扩张5 dB，相位压缩约7°。其中相位压缩仿真结果与实际需求有一定差距，原因是PIN二极管仿真模型采用的是集总参数模型，与PIN管实际电路存在差距，对相位特性影响较大，可通过后期的实物测试来修正。
图 5 模拟线性化器幅度扩张特性
图 6 模拟线性化器相位压缩特性
图 7 模拟线性化器输入输出驻波特性
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本文采用模拟预失真技术，用PIN二极管试制了一款超宽带桥T型模拟线性化器，验证了此技术的可行性和实用性。文中采用的设计方法可广泛应用在超宽带模拟线性化器设计中，具有一定的工程应用价值。
The Design of an Ultra-Broadband Bridge T Analog Linearizer
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摘要: 该文设计了一种超宽带桥T型模拟线性化器，对其进行了详细的理论分析和模型仿真。该模拟线性化器的核心电路由T型衰减器和PIN二极管构成，可以实现幅度扩张和相位压缩，具有偏置电路简单、输入输出端口驻波良好等优点。结合理论分析和仿真设计，设计制作的0.8～2 GHz桥T型模拟线性化器能够实现幅度扩张约5 dB，相位压缩18°。Abstract: This paper presents the design of an ultra-broadband T-type analog linearizer with detailed analysis and simulation. The proposed structure, which is mainly composed of tee-attenuator and PIN diode, can achieve the amplitude expansion and phase compression. Featuring a simple bias circuit and good return loss of both two ports, the designed linearizer operates in the 0.8 GHz to 2 GHz frequency range. The test results confirm that 5 dB amplitude expansion and 18°phase compression can be achieved respectively in this way.
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Key words:
- analog linearizer /
- PIN diode /
- pre-distortion /
- T-attenuator
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