发射接收系统中TR组件的线性化与效率提升技术研究

摘要：本文针对设备发射接收系统中TR组件的线性化与效率提升技术展开研究。TR组件作为设备系统的核心部件，其线性度与效率直接影响设备整体性能。首先，阐述了TR组件的基本原理与结构，分析了线性化与效率提升的关键技术需求。在线性化技术方面，重点研究了预失真、负反馈等方法的原理及其在TR组件中的应用，通过补偿非线性失真显著提升信号质量。在效率提升技术方面，探讨了高效率功放、电源管理等技术的实现路径，有效降低了功耗并提高了能量转换效率。进一步地，提出了线性化与效率提升技术的融合方案，通过集成设计与优化策略，实现了TR组件综合性能的提升。实验结果表明，所提技术可显著改善TR组件的线性度与效率指标，验证了方法的有效性。

关键词：设备发射接收系统；TR组件；线性化技术；效率提升技术

引言：设备发射接收系统作为现代设备技术的核心，其性能直接决定了设备在复杂电磁环境中的探测精度与可靠性。TR组件（收发组件）作为设备系统的关键部件，承担着信号发射、接收及处理的双重任务，其线性度与效率是衡量系统性能的重要指标。

1.TR组件的基本原理与结构

TR组件（收发组件）是设备发射接收系统的核心，负责射频信号的发射、接收及双向切换，其性能直接影响设备的探测精度与可靠性。结构上，TR组件由功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）、收发开关（T/R Switch）、移相器、衰减器及控制电路组成，各模块通过微带线或波导结构集成于紧凑腔体中。

发射通道中，基带信号经上变频后输入PA，PA通过多级放大将信号功率提升至瓦特级。为保证信号覆盖远距离目标，PA需具备高线性度与高效率，但受晶体管非线性效应影响，输出信号易产生谐波与互调失真，需采用线性化技术补偿。发射信号经环形器或收发开关传至天线辐射单元，实现电磁能量定向发射。

接收通道通过天线捕获目标回波信号，经收发开关切换至LNA。LNA需在极低噪声系数下放大信号，以克服传播损耗并保留微弱回波信息。随后，信号经下变频、滤波等处理还原为基带信号，供后续数字信号处理模块分析。接收通道的灵敏度与动态范围决定设备对弱小目标的检测能力。

收发切换机制是TR组件的关键技术。收发开关需在发射与接收模式间快速切换，其隔离度与插入损耗影响信号质量。传统机械开关因速度慢、寿命短，逐渐被PIN二极管或MEMS开关替代，后者能实现纳秒级切换，且保持高隔离度与低损耗。

移相器与衰减器用于波束赋形与功率控制。移相器通过改变信号相位实现天线阵列的波束扫描，衰减器可动态调整信号幅度以优化系统动态范围。这些模块通常基于铁氧体、PIN二极管或MEMS技术实现，需在宽频带内保持高精度与低损耗。

2.TR组件线性化技术

TR组件的线性化技术是解决高功率、高频段下信号失真问题的关键，旨在补偿或抑制功率放大器（PA）等非线性器件的失真效应，提升输出信号的频谱纯度与保真度。随着设备系统对信号质量要求提高，线性化技术成为TR组件性能优化的重要方向。

预失真技术应用广泛，其原理是在信号输入PA前，通过预失真器引入与PA非线性特性相反的失真，在PA输出端抵消非线性失真。预失真分为数字预失真（DPD）与模拟预失真（APD）。DPD基于数字信号处理或现场可编程门阵列实现，能实时建模PA的非线性行为并动态调整参数，适应复杂调制信号与宽频带应用；APD通过模拟电路构建非线性网络，结构简单、成本低，但灵活性差。预失真技术的核心是精确建模PA的非线性特性，常用方法有记忆多项式模型、Volterra级数模型等，可提升输出功率回退效率，降低邻道泄漏比。

负反馈技术通过闭环控制抑制非线性失真，将PA输出信号的一部分经衰减、移相后与输入信号叠加，利用误差信号修正PA的非线性行为。负反馈分为射频负反馈与基带负反馈。射频负反馈在射频频段实现，带宽宽、线性化效果显著，但需解决反馈路径的延时与稳定性问题；基带负反馈在数字域处理误差信号，适用于数字预失真系统的补充优化。负反馈技术可能降低系统增益并引入额外噪声，需合理设计反馈系数与环路滤波器。

前馈技术通过开环结构消除非线性失真，包括信号抵消环路与误差放大环路。先提取PA输出中的失真分量，经衰减、移相后与原始输出叠加抵消失真，再通过辅助放大器对误差信号进行放大补偿。前馈技术线性化带宽宽、不依赖模型精度，但对器件匹配性与环境稳定性要求高，硬件复杂度与成本也较高。

3.TR组件效率提升技术

TR组件效率提升技术是降低系统功耗、增强设备续航能力的关键，旨在优化功率放大器（PA）等核心器件的能效特性，实现高功率输出与低功耗运行的平衡。随着设备系统向高频段、大功率发展，该技术成为TR组件性能突破的重要方向。

高效率功率放大器技术是核心手段。传统PA因线性度与效率的矛盾，难以满足现代设备需求。开关类PA（如D类、E类、F类）使晶体管工作于开关状态，理论上可实现100%漏极效率。E类PA通过谐振网络设计降低开关损耗，F类PA利用谐波控制技术提升效率。Doherty技术通过负载调制实现宽功率范围效率优化，适用于高峰均比信号。包络跟踪与自适应偏置技术动态调整供电电压与偏置点，使PA在不同功率水平下保持高效率。

电源管理技术同样重要。高效的直流 - 直流转换器与低压差线性稳压器可降低电源模块损耗。GaN器件的开关电源实现高频化与小型化，提升转换效率；数字控制的电源管理芯片通过动态电压调节技术实时调整供电电压，避免不必要功耗。能量回收技术将反射功率或微弱信号转化为电能，为辅助电路供电，进一步降低功耗。

热管理技术通过优化散热路径降低器件温升，间接提升效率。微通道散热器、相变材料及液冷技术广泛应用于散热设计。微通道散热器增强对流换热效率，相变材料吸收瞬态热冲击，液冷技术实现高效散热。热感知动态调整技术根据器件温度实时调节工作参数，避免过热导致效率下降。

4.TR组件线性化与效率提升技术的融合

在现代设备系统中，TR组件的线性化与效率提升技术融合是突破性能瓶颈的关键。线性化技术抑制信号失真、提升频谱纯度，效率提升技术降低功耗、增强功率输出，二者在物理实现与系统设计上紧密关联，协同优化可显著提升综合性能。

技术融合的必要性源于TR组件核心器件（如功率放大器PA）的非线性特性与效率的矛盾。传统PA采用回退策略虽能提高线性度，但效率大幅降低；高效率PA虽能提升功率转换效率，但强非线性会恶化信号质量。因此，需通过融合设计实现动态平衡，如在宽带通信与设备探测场景中，融合技术可通过自适应偏置等手段，在提升效率的同时抑制失真。

融合技术的实现路径包括硬件协同设计与算法优化。硬件层面，开发多功能集成模块是关键，如将预失真器与高效率PA集成于同一芯片，减少硬件复杂度、提升响应速度；采用可重构负载匹配网络，根据PA工作状态动态调整输出阻抗。算法层面，智能协同控制算法基于实时监测数据动态调整线性化参数与效率优化策略，如通过机器学习模型预测PA非线性行为，同步调整预失真系数与供电电压。

典型融合方案有：自适应预失真与开关类PA协同，在Doherty PA中嵌入数字预失真器，利用负载调制特性扩展线性化带宽，优化辅助功放偏置点提升回退效率；动态电压调整与负反馈融合，在包络跟踪PA中结合基带负反馈技术，实时调整供电电压补偿非线性失真，利用负反馈环路稳定性提升效率；热 - 电协同优化，通过热感知电路监测PA结温，动态调整输出功率与散热策略。

5.实验验证与结果分析

为验证TR组件线性化与效率提升技术的有效性，搭建了基于GaN功率放大器的实验平台，包含预失真线性化、Doherty高效率功放、自适应电源管理及热管理模块。实验通过对比传统方案与融合技术下的性能指标，评估了线性度、效率及综合性能的提升。

实验采用28 GHz频段、500 MHz带宽的64-QAM信号作为输入，分三组测试：传统AB类功放、Doherty功放结合数字预失真（DPD）、融合自适应偏置与动态电压调整的Doherty-DPD系统。测试指标有输出功率、邻道泄漏比（ACLR）、功率附加效率（PAE）及结温变化，设备包括矢量信号发生器、频谱分析仪等，在半电波暗室进行。

线性化性能验证显示，传统AB类功放在输出功率36 dBm时ACLR为-32 dBc，信号失真严重；DPD的Doherty功放将ACLR提升至-45 dBc；融合自适应偏置的Doherty-DPD系统进一步优化至-48 dBc，且在输出功率回退6 dB时仍能保持-46 dBc，验证了预失真与动态偏置协同对记忆效应与非线性漂移的抑制。

效率提升效果分析表明，传统AB类功放饱和功率下PAE为28%，Doherty功放通过负载调制提升至42%；融合动态电压调整的Doherty-DPD系统使PAE在饱和功率下达到45%，回退区域仍保持40%，效率提升近50%。热管理模块降低了器件温升，融合系统连续工作1小时后GaN器件结温稳定在120°C以下，较未优化系统降低15°C。

综合性能评估通过系统级仿真与实测数据对比，验证了融合技术的可靠性。在宽带信号激励下，融合系统实现了ACLR≤-45 dBc、PAE≥40%及结温≤125°C的三重约束，满足设备系统需求，且对多载波聚合场景有适应性。

结论

本文通过实验验证了TR组件线性化与效率提升技术融合的有效性，结果表明该方案可显著优化设备系统性能。融合技术通过Doherty架构与数字预失真的协同设计，将邻道泄漏比（ACLR）从传统方案的-32 dBc提升至-48 dBc，有效抑制了信号失真；同时，动态电压调整与自适应偏置策略使功率附加效率（PAE）在饱和功率下达到45%，回退区域仍保持40%，效率提升近50%。此外，热管理模块的引入将GaN器件结温控制在120°C以下，降低了热失效风险，延长了系统寿命。综合测试显示，融合技术实现了高线性度、高效率与高可靠性的三重目标，在多载波聚合场景下仍保持优异的ACLR与ICI抑制能力，验证了其对复杂电磁环境的适应性。尽管实验中存在高频段路径损耗与DPD模型近似性带来的误差，但通过优化算法与硬件设计可进一步降低影响。本研究为高性能设备TR组件的设计提供了关键技术支撑，未来可探索宽禁带半导体材料的应用与智能化控制算法的融合，推动设备系统向更高频段、更大功率与更低功耗方向发展。

参考文献

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