祁圣君

(中國空間技術研究院通信與導航衛(wèi)星總體部，北京 100094)

功率放大器是星載通信系統中的一類關鍵設備，其非線性除了幅度壓縮之外，還表現在相位的非線性[1]，即隨著輸入信號幅度的變化，功率放大器輸出信號的相位發(fā)生改變，通常用調幅/調相(AM/PM)轉換系數來度量。多載波下，AM/PM轉換效應將會引起系統中的互調干擾，造成信號的失真、誤碼等。在使用中，克服互調現象是非常重要的問題，如果能預先掌握所用功率放大器的AM/PM轉換系數，就可以采取輸入輸出補償、AM/PM預失真校準等技術減小互調干擾，提高通信質量[2-4]。因此，對于星載功率放大器而言，準確地標校AM/PM轉換系數就尤為重要。另外，AM/PM轉換系數本身的數值較小，也給準確有效的測量帶來了一定的難度。

對于星載功率放大器AM/PM轉換系數的測量方法，文獻[5]中針對衛(wèi)星通信系統地面站發(fā)送設備中的高功率放大器，提供了相位計測量的靜態(tài)法和基于測量基帶微分增益失真的動態(tài)法。其中：靜態(tài)法中的相位計通常采用矢量網絡分析儀等精密儀器，價格昂貴，校準及測試時間較長，不適合于系統級測試；動態(tài)法為了能在射頻頻段進行測量，需要額外引入頻率調制器、解調器及上下變頻器件進行頻率變換，且要求這些設備本身的AM/PM轉換系數與被測功率放大器的相比必須小到可忽略不計。文獻[1]中給出了一種軟硬件結合、成本較低的測試方法，但較適合功率放大器單獨測試的場合。

在星載通信系統的系統級測試中，針對星載功率放大器的AM/PM轉換系數測試，目前實際中較為傳統和常用的是雙波單邊帶測量方法，測量中使用信號源、頻譜儀及功率計等測試系統中的常用儀器，不需要專用設備，且測試系統可與互調失真(如三階互調)的測試系統兼容共用。從實際應用來看，對于中低頻段(如S，C頻段)的星載功率放大器，采用單邊帶法測試AM/PM轉換系數時，測試結果的準確度和可靠性尚好。然而，隨著頻段的升高，尤其在Ka頻段，系統插損較大使得輸出功率較小，且系統噪聲較高，從而增加了準確測量的難度，出現了誤差較大且測試結果無效的情況，因此可能導致系統測試中斷或失敗，降低測試效率。為此，有必要對目前AM/PM轉換系數測試方法進行深入研究，找到問題的根源，尋求解決途徑。

本文針對AM/PM轉換系數測試，從方法的原理入手，對無效測試結果及測試誤差產生的機理和原因進行系統和全面地深入分析，明確問題根源，并在此基礎上提出測試中需要注意的事項和優(yōu)化的措施，可為準確有效地測試星載功率放大器的AM/PM轉換系數提供參考。

1 AM/PM轉換系數測試方法分析

1.1 測試原理和計算方法

AM/PM轉換系數的定義是：當輸入頻率給定時，輸出信號的相移變化量與輸入信號功率變化量的比值[6]，以Kp表示，即

(1)

式中：Δθ為輸出信號的相移；ΔPin為輸入信號功率變化量，測量結果以(°)/dB表示，并可以用給定頻率上的AM/PM轉換系數對輸入信號電平的關系曲線來進一步表示。

目前，傳統和常用的雙波單邊帶法測試功率放大器AM/PM轉換系數的原理框圖如圖1所示。測試采用雙波輸入，以模擬多載波輸入調幅的情況，分別由2個信號源提供上行激勵信號，2個信號的頻率f1和f2間隔較小(一般為幾兆赫茲)，幅度相差30.8 dB。根據非線性器件AM/PM轉換的原理，雙波信號合成再經過轉發(fā)器的高功率放大器后產生了交調信號，由此輸入的單邊帶信號變?yōu)榱瞬粚ΨQ的雙邊帶信號，輸入輸出信號頻譜的示意如圖2所示。由頻譜儀測量輸出端的信號功率值及AM/PM轉換產生的上邊帶信號功率，通過計算得到AM/PM轉換系數Kp。測試時可以按照一定步長改變上行激勵信號電平，從輸入功率飽和點開始回退補償，以考查Kp隨輸入信號功率的變化特性。

圖1 AM/PM轉換系數測試原理框圖Fig.1 AM/PM conversion coefficient test diagram

注：Pi,1和Pi,2分別為信號源1和信號源2到被測功率放大器的入口功率電平，dBm；Po,1和Po,2為雙波信號同時輸入時被測功率放大器的輸出端信號功率電平，dBm；Po,3為AM/PM轉換產生的上邊帶信號的功率電平，dBm。

圖2 AM/PM測試信號頻譜示意
Fig.2 AM/PM test signal frequency spectrum diagram

利用頻譜儀采集到的測試數據，可通過式(2)～(4)計算得到AM/PM轉換系數Kp。

(2)

S1=100.1(Po，2-Po，1+30.8)

(3)

S2=100.1(Po，3-Po，1+30.8)

(4)

1.2 無效測試結果的原因分析

表1為一組Ka頻段星載功率放大器AM/PM轉換系數從飽和點至輸入功率回退10 dB點的測試數據和計算結果。

表1 AM/PM測試結果Table 1 AM/PM test results

從表1的測試結果可以看到：輸入功率回退2 dB點的AM/PM轉換系數Kp出現了無效數據。根據測試的方法和原理，AM/PM轉換系數測試是對功率測量后由式(2)～(4)計算得來的，為了方便討論，令

(5)

即

(6)

對于Kp的測試結果而言，中間值K在計算過程中具有決定性的作用。出現結果無效情況，主要是K的計算結果出現了負值，從而導致Kp計算無效，因此該輸入回退點下的測試失敗。值得注意的是，采用單邊帶法測試AM/PM轉換系數時常會發(fā)生上面計算結果無效的情況。推及根源，測試方法最終為公式計算，而數據的來源和基礎為3個功率電平Po，1，Po，2，Po，3的測量，并直接影響到測試結果的準確和有效。

如前所述，由于測試方法中運用公式對測量數據進行計算得到轉換系數，且測試設備和中間環(huán)節(jié)較多，對于中低頻段，AM/PM轉換系數測試結果的準確度和可靠性尚好。隨著頻段的升高，尤其到達Ka頻段，功率測量受到高頻段系統插損大、噪聲高且儀器測量精度受限等方面的影響較大，測試時會出現測試數據誤差較大的情況，導致無效測試結果出現的概率變大。

1.3 測試誤差的產生機理分析

對于含有高功率放大器的系統而言，AM/PM轉換是一定存在且在理論上和工程上都是可以測出的，由于AM/PM轉換系數的值本身較小，測試數據稍微不準確就會對測試產生較大影響，即出現計算無效的結果。因而，本文從系統角度出發(fā)，從測試過程入手，對測試輸入和輸出兩部分誤差產生的機理，以及如何對測量結果帶來影響進行全面分析。

1.3.1 測試輸入端誤差分析

由于星載通信系統在測試中存在噪聲，功率的測量值將會是實際值與噪聲的疊加，且信號功率越大，噪聲的影響越小，測量值越接近實際值。

1.3.2 測試輸出端誤差分析

如圖1所示，AM/PM轉換系數的輸出端采用頻譜儀測量輸出信號功率，以及產生的轉換交調信號功率。與功率計功率測量模式不同，頻譜儀對單載波的功率測量模式可為峰值檢波，通過Marker功能可以準確讀出單載波信號的頻率及電平幅度，但是頻譜儀的內部卻存在噪聲，主要由中頻功率放大器第一級產生。在單載波信號較小、信噪比低的情況下，功率測量不可避免地會受到噪聲的影響。對于輸出端功率電平Po，3較小的交調信號，頻譜儀顯示的結果實際上是其信號功率與噪聲功率的和，信噪比過低時更有可能被“淹沒”在頻譜儀的噪底中，因此產生了Po，3的測量誤差，從而影響了Kp計算過程中數值的準確性。

除此之外，根據頻譜儀的測量機理，其檢波模式、內部衰減器及分辨帶寬等重要參數的設置，也將影響輸出端信號幅度測量的精度，從而影響最終計算結果的有效性。

2 測試優(yōu)化分析及驗證

綜合上述誤差產生及對功率測量影響的分析，為了得到AM/PM轉換系數有效的測量結果，從測試所涉及到的過程控制和數據修正等方面進行全面的分析，可在以下幾個方面對測試進行優(yōu)化。

2.1 測試前準備與校準

在圖1的AM/PM轉換系數測試系統中，信號源、功率計和頻譜儀在測試前需要足夠的穩(wěn)定時間，測試應在各儀器開機預熱至規(guī)定時間(一般為30 min)后進行，以保證獲得準確度較高的功率、頻率輸出及功率測量數據。同時，星載功率放大器所在的被測通道同樣需要按規(guī)定時間提前預熱，以保證其輸出功率的穩(wěn)定性，特別是對于行波管放大器(TWTA)開機后，行波管電源需要至少3 min后方可供陽壓[8]，此時功率放大器才處于穩(wěn)定的靜態(tài)工作狀態(tài)。為了得到準確的測量功率，除了測試前被測通道的插損電平必須進行校準之外，測試儀器的自校準也不應被忽視。其中，功率計的自校準過程不僅可以校正測量中功率探頭的失配，還可以保證被測功率放大器工作頻段與其探頭校準因子的正確匹配，從而提高功率測量的準確度；頻譜儀的自校準將保證自身各部分工作模塊在頻率、功率、頻譜分析等方面的最佳測量基準。由于AM/PM轉換系數本身數值較小，對功率測量精度的要求高，而儀器的自校準是保證其測量精度的前提，因而測試前的自校準也是必不可少的環(huán)節(jié)。

2.2 頻譜儀狀態(tài)參量優(yōu)化

頻譜儀內部狀態(tài)參量對于提高測量的精度有著不可忽視的作用。首先，頻譜儀不同的檢波模式對測試結果有不同的影響，而單載波功率測量應設置為峰值功率(Peek)檢波模式。其次，頻譜儀通常采用外差式掃描-調諧原理進行頻譜分析[9]，其內部結構中的輸入衰減器ATTEN與分辨率帶寬(RBW)濾波器分別位于中頻功率放大器的前端與后端，而前面提到的頻譜儀內部噪聲則大部分來自中頻功率放大器，如圖3所示。

根據上述頻譜儀的工作原理，盡管輸入衰減器不影響內部噪聲電平，但盡可能小的輸入衰減可以獲得最好的信噪比，因而測試時的輸入衰減應盡可能小，從而間接地降低噪底對信號功率測量的影響。同時，從飽和點開始的每個輸入回退測試點，應降低RBW以抑制噪底，從而得到最好的信號精度。從實際獲得的經驗來看，RBW每減小為原來的0.1，可帶來噪底約10 dB的改善效果。需要注意的是，頻譜儀的最低噪聲電平是在最小RBW下得到的，當然也導致了最慢的掃描時間，因此RBW的選取可綜合兼顧功率獲取精度和掃描測試時間。另外，測試中對于輸出信號功率的測量宜保持相同的RBW設置。

圖3 頻譜儀外差工作原理框圖Fig.3 Heterodyne working principle diagram for spectrum analyzer

2.3 交調信號功率修正

如前所述，頻譜儀最終測量顯示的都是真實信號疊加內部噪聲的結果，為了減小頻譜儀的噪聲對AM/PM測試輸出交調信號功率電平Po，3測量的影響，獲得有效的計算結果，需要時可以對測量數據進行修正，分析如下。

由于交調信號功率電平的測量值為

(7)

式中：[PDAN]為頻譜儀測量顯示的平均噪聲功率電平,對應于相應的RBW。

則

(8)

由此可以得到修正后的交調信號功率電平為

(9)

相對于非常小的交調信號，當噪底的影響無法降低或避免時，以式(9)作為交調信號功率電平的修正，從而得到更為準確的測量結果。

2.4 采用頻譜儀測量輸入功率

測試過程中，對于接近飽和的測試點，輸入信號功率電平相對較大，由功率計讀數引起入口電平差變大的影響并不明顯，對于輸入回退到線性區(qū)的小信號測試點，輸入信號的功率逐漸變小，加之AM/PM轉換系數的值本身較小，測試結果的準確度將受到影響。根據頻譜儀測量的特點，小信號測試時，在系統級測試允許且有必要的前提下，可以用頻譜儀替換功率計進行上行功率的測量，且如前所述，仍可利用優(yōu)化RBW和輸入衰減的方法來降低測量中的噪聲，以提高入口電平30.8 dB差值要求的準確度。

2.5 測試優(yōu)化驗證結果

應用上述措施，對之前表1中的測試點進行驗證，結果如表2所示。測試前，被測通道設備開機后預熱0.5 h以上并完成通道校準；測試系統中信號源、功率計及頻譜儀預熱0.5 h后，依次進行功率計和頻譜儀的自校準。測試中，頻譜儀除了檢波方式設置為Peek外，ATTEN調節(jié)為最小至0，RBW調節(jié)減小至1 kHz，噪底降至約-95 dBm。

從表2中可以看到：噪聲的降低帶來了輸出功率電平Po，1，Po，2及交調信號功率電平Po，3的變化。除此之外，針對交調信號功率電平Po，3進行了修正，但由于本例中Po，3相對于噪底較大，因此采用式(9)對Po，3進行修正，發(fā)現其功率變化不大，修正效果不明顯，即被降低的噪底未對Po，3產生實質性的影響，這也進一步說明頻譜儀內部衰減及RBW的減小對噪聲抑制及對測試準確度提高的關鍵作用。當然，如果測試中經過狀態(tài)參量調節(jié)降噪后系統噪底仍較高，修正將會起到一定的作用。

從結果可以看到：采取以上的改進措施后，K得到了有效值，從而得到了有效的AM/PM轉換系數Kp。繪制的曲線見圖4，得到了功率放大器從飽和至線性段完整的AM/PM轉換特性，提高了測試結果的可靠性，進而可以更準確地評估星載功率放大器的AM/PM轉換性能。

表2 AM/PM測試驗證數據Table 2 AM/PM test verification data

圖4 AM/PM測試曲線Fig.4 AM/PM test curve

3 結束語

星載功率放大器非線性特性測試中，AM/PM轉換系數是非常重要的一項。隨著頻段的升高，目前傳統的單邊帶測試方法在測量結果中會出現無效的情況。本文通過系統分析，探究得到無效測試結果產生的根源及測試過程中的誤差原因，并在測試過程、設備狀態(tài)參量優(yōu)化、功率修正等方面進行了測試優(yōu)化，以提高AM/PM轉換系數測試的準確度和測試結果的有效性，為后續(xù)采取技術手段減小AM/PM轉換干擾對通信信號的影響提供有效途徑。當然，該測試方法還有待于進一步的研究和改進，如降低2個輸入信號幅度差以提高輸出信號功率測量準確度，以及由此帶來結果計算公式的相應改變等，這也將作為后續(xù)的研究方向。