一種用于K波段空間行波管模擬預(yù)失真電路的設(shè)計方法

劉婷; 蘇小保; 王剛; 趙斌

doi:10.11999/JEIT221181

一種用于K波段空間行波管模擬預(yù)失真電路的設(shè)計方法

doi: 10.11999/JEIT221181

劉婷^{1, 2, ,},
蘇小保^{1, 2},
王剛^{1, 2},
趙斌¹

1.
中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院北京 100190
2.
中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049

詳細(xì)信息

作者簡介:
劉婷：女，助理研究員，研究方向為行波管線性化技術(shù)

蘇小保：男，研究員，研究方向為長壽命高可靠高效率行波管

王剛：男，研究員，研究方向為微波電子信息系統(tǒng)與電路

趙斌：男，研究員，研究方向為微波電子信息系統(tǒng)與電路

通訊作者:
劉婷　liuting003392@aircas.ac.cn

中圖分類號: TN124; TN830.6
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出版歷程
- 收稿日期: 2022-09-08
- 修回日期: 2022-12-20
- 錄用日期: 2022-12-20
- 網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2022-12-23
- 刊出日期: 2023-12-26

A Design Method for Analog Predistortion Circuit of K-band TWT

LIU Ting^{1, 2
, ,},
SU Xiaobao^{1, 2},
WANG Gang^{1, 2},
ZHAO Bin¹

1.
Aerospace Information Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
2.
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

摘要

摘要: 空間行波管(TWT)預(yù)失真電路小型化、輕量化要求使得電路調(diào)試難度變大，迫切需要一種預(yù)失真電路精確仿真及設(shè)計方法來指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計。該文在分析肖特基二極管等效電路模型基礎(chǔ)上選擇二極管MA4E2039作為非線性發(fā)生器件，并建立了MA4E2039的二極管仿真模型。之后通過分析反射式預(yù)失真電路結(jié)構(gòu)，獲得了影響電路性能的關(guān)鍵參數(shù)，并在元器件和版圖聯(lián)合仿真階段對這些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行精確仿真。最后對依據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行加工的預(yù)失真電路進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果和電路實測結(jié)果偏差小于15%，將預(yù)失真電路與K波段行波管放大器級聯(lián)實現(xiàn)在輸入回退4 dB時3階交調(diào)達(dá)到23.77 dBc，實現(xiàn)了行波管的線性化?？梢娫摲椒軌蛴糜谥笇?dǎo)空間行波管預(yù)失真電路設(shè)計，幫助提高產(chǎn)品開發(fā)周期，對于預(yù)失真電路的小型化設(shè)計也有重要指導(dǎo)意義。
- 行波管 /
- 模擬預(yù)失真 /
- 肖特基二極管 /
- 增益及相位擴張
Abstract: The requirement of miniaturization and lightweight of space Travelling Wave Tube (TWT) predistortion circuit makes the circuit debugging more difficult. Therefore, an accurate simulation and design method of predistortion circuit is urgently needed to guide the product design. Based on the analysis of Schottky diode equivalent circuit model, the diode MA4E2039 is selected as a nonlinear generator, and the diode simulation model of MA4E2039 is established. Then, the key parameters affecting the performance of the circuit are obtained by analyzing the structure of the reflective predistortion circuit, and these key parameters are simulated accurately in the co-simulation stage of components and layout. Finally, the pre-distortion circuit processed according to the simulation results is tested, and it is found that the deviation between the simulation results and the measured results is less than 15%. By cascading the predistortion circuit with the K-band TWTA, the third-order intermodulation reaches 23.77 dBc while the IBO=4 dB. Therefore, this method can be used to guide the design of pre-distortion circuit of space TWT, help to improve the product development cycle, and also has important guiding significance for the miniaturization design of pre-distortion circuit.
- Travelling Wave Tube (TWT) /
- Analog predistortion /
- Schottky diode /
- Expansion of gain and phase

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圖 1 預(yù)失真電路原理圖

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圖 2 耦合器直通端/耦合端電路圖及等效電路圖

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圖 3 梁氏引線肖特基二極管橫截面圖及等效電路模型

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圖 4 TWTA及模擬預(yù)失真增益及相位特性

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圖 5 微帶線(Z₁, l₁)長度L及寬度W對仿真結(jié)果的影響

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圖 6 預(yù)失真電路增益及相位擴張、增益平坦度仿真結(jié)果

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圖 7 預(yù)失真電路增益及相位擴張測試結(jié)果

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圖 8 預(yù)失真電路實物照片

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圖 9 模擬預(yù)失真級聯(lián)TWTA后測試平臺

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圖 10 模擬預(yù)失真級聯(lián)TWTA后增益及相位測試結(jié)果

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圖 11 模擬預(yù)失真級聯(lián)TWTA后3階交調(diào)測試結(jié)果

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表 1 MA4E2039單個二極管本征模型關(guān)鍵參數(shù)

參數(shù)	單位	含義	值
I_S	A	反向飽和電流	9.5e-14
R_S	$\Omega $	串聯(lián)電阻	5.1
N	–	發(fā)射系數(shù)	1.16
C_J0	pF	零偏結(jié)電容	0.025
M	–	分級系數(shù)	0.5
E_G	eV	能帶寬度	1.43
F_C	–	正偏耗盡層電容系數(shù)	0.5
T_T	s	渡越時間	1e-11
V_J	V	結(jié)電勢	0.7
B_V	V	反向擊穿電壓	7
I_BV	A	反向擊穿電壓下電流	1e-5
X_TI	–	飽和電流溫度系數(shù)	2

下載: 導(dǎo)出CSV

表 2 預(yù)失真電路仿真及實測指標(biāo)比對

項目	20.2 GHz		20.7 GHz		21.2 GHz		偏差(%)
項目	仿真	實測	仿真	實測	仿真	實測	偏差(%)
飽和輸入功率(dBm)	3.50	3.50	3.50	3.50	3.50	3.50	/
直流電壓(V)	1.75	1.75	1.75	1.75	1.75	1.75	/
增益擴張(dB)	2.28	2.60	2.86	2.81	3.60	3.17	≤12
相位擴張(°)	29.63	33.16	34.00	34.80	36.12	34.84	≤12
飽和增益(dB)	–7.81	–9.13	–7.96	–8.92	–8.00	–8.94	≤15
小信號增益(dB)	–10.09	–11.73	–10.82	–11.73	–11.60	–12.11	≤13

下載: 導(dǎo)出CSV

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