魯 飛,李 磊,王 宏,謝 靜,蘇 睿,刁文婷

(中國空間技術(shù)研究院西安分院,西安 710000)

0 引言

微波功率放大器廣泛應(yīng)用于通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、導(dǎo)航衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、微波遙感器等系統(tǒng)中,是系統(tǒng)的關(guān)鍵載荷,主要實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的放大以及幅度和相位的控制等功能[1-2]。目前采用的星載功率放大器主要有兩類:行波管放大器(travelling wave tube amplifier,TWTA)和固態(tài)功率放大器(solid state power amplifier,SSPA)。TWTA的主要特點(diǎn)為:功率大、工作頻帶寬、增益高和高效率等,長期以來,在星載高功率放大器領(lǐng)域,以TWTA為代表的電真空器件一直占據(jù)主要地位。基于半導(dǎo)體固態(tài)器件的放大器SSPA受限于較低的輸出功率和效率,主要應(yīng)用在中小功率的系統(tǒng)中[3]。兩類放大器作為星載有效載荷系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備,在我國多個(gè)系列衛(wèi)星中得到應(yīng)用。近年來隨著用戶對更快數(shù)據(jù)速率需求的飛速增長,衛(wèi)星空間通信系統(tǒng)逐步向高速率、大帶寬、高容量方面演進(jìn),目前的高通量衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器分系統(tǒng)采用多載波信號(hào)傳輸模式[4],而工作在此模式下的功率放大器件,通常在電性能測試階段是通過三階互調(diào)測試來描述其工作于單載波傳輸?shù)姆蔷€性狀態(tài)下,該方法不能準(zhǔn)確的反應(yīng)功率放大器件在衛(wèi)星系統(tǒng)中的實(shí)際工況,而文章所研究的噪聲功率比的測試方法可以準(zhǔn)確地描述放大器件在多載波傳輸模式下的非線性特性。

噪聲功率比(noise power ratio,NPR)測試是用來反映衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中放大器件工作在大帶寬多通道條件下的幅度線性情況,在實(shí)際的通信系統(tǒng)中,由于放大器件的非線性帶來的互調(diào)失真會(huì)影響收發(fā)鏈路的性能,當(dāng)信號(hào)為寬帶調(diào)制信號(hào)時(shí),無論是在信號(hào)帶寬內(nèi)還是帶寬外,都將會(huì)產(chǎn)生比較豐富的互調(diào)產(chǎn)物。帶內(nèi)的互調(diào)產(chǎn)物將會(huì)對信號(hào)本身造成干擾,惡化信噪比,通常采用NPR來表征這種非線性形成的帶內(nèi)干擾。NPR測試是一種更接近真實(shí)信號(hào)的測量方式,可以用來真實(shí)反映功率放大器在這些條件下的非線性特性,因此NPR測試是衛(wèi)星載荷測試中的一個(gè)關(guān)鍵測試項(xiàng)目,具有重要的研究意義。

國外的NPR測試研究起步較早,在20世紀(jì)初期已經(jīng)開始應(yīng)用于宇航放大器產(chǎn)品的正樣測試,國內(nèi)的方法是使用白噪聲作為測試信號(hào),因?yàn)榘自肼暱梢钥醋鍪怯珊芏喾群拖辔浑S機(jī)的單載波信號(hào)組成的寬帶信號(hào),然后將其經(jīng)過一個(gè)跟測試帶寬相同的帶通濾波器進(jìn)行濾波整形,再經(jīng)過一個(gè)帶阻濾波器來生成滿足條件的帶陷波寬帶信號(hào)。這種測試系統(tǒng)在測試不同頻帶時(shí)需要與之匹配的帶通和帶阻濾波器,往往信號(hào)成形質(zhì)量較差,同時(shí)也不能模擬最真實(shí)的工況,個(gè)別儀器廠商雖提供了可用于生成調(diào)制信號(hào)的選件,但價(jià)格昂貴且操作繁瑣,而文中所用的數(shù)字調(diào)制方法基于目前常用的測試儀器,可用于各個(gè)頻段的測試,開發(fā)成本低,生成的信號(hào)質(zhì)量高,操作便捷,易于實(shí)現(xiàn)。

1 NPR測試原理

1.1 互調(diào)失真概述

由于功率放大器(power amplifier,PA)的非線性,當(dāng)任意兩個(gè)或多個(gè)頻率激勵(lì)信號(hào)作用于非線性PA時(shí),會(huì)產(chǎn)生由原有頻率分量線性組合的新的頻率分量,這些由原激勵(lì)信號(hào)的頻率組成的新頻率成分稱之為互調(diào)失真(intermodulation distortion,IMD)分量。這些互調(diào)分量大多是系統(tǒng)中不希望出現(xiàn)的信號(hào),它們對系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生不良影響,稱之為互調(diào)干擾[5]。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,星載功率放大器幅度和相位的非線性都會(huì)導(dǎo)致互調(diào)現(xiàn)象產(chǎn)生。假設(shè)輸入的雙載波激勵(lì)信號(hào)為非調(diào)制信號(hào)f1和f2,對互調(diào)失真IMD進(jìn)行分析,輸入信號(hào)表達(dá)式為:

x(t)=Acos2πf1t+Bcos2πf2t=Acosω1t+Bcosω2t

(1)

非線性器件的傳輸函數(shù)可用1個(gè)n階冪級(jí)數(shù)表示[6]:

(2)

將輸入信號(hào)代入非線性器件傳輸函數(shù)(為便于分析取傳輸函數(shù)前三項(xiàng)也可滿足足夠精度),則輸出為:

y(t)=a1(Acosω1t+Bcosω2t)+a2(A2cos2ω1t+

B2cos2ω2t+2ABcosω1tcosω2t)+a3(A3cos3ω1t+

B3cos3ω2t+3AB2cosω1tcos2ω2t+3A2Bcos2ω1tcosω2t)

(3)

式(3)中a1各項(xiàng)為期望的輸出信號(hào),a2各項(xiàng)稱為二次產(chǎn)物,即二次失真所產(chǎn)生的產(chǎn)物,a3各項(xiàng)相應(yīng)稱為三次產(chǎn)物,即三次失真所產(chǎn)生的產(chǎn)物。將上式中的二次、三次失真進(jìn)一步展開:

a2(A2cos2ω1t+B2cos2ω2t+2ABcosω1tcosω2t)

(4)

a3(A3cos3ω1t+B3cos3ω2t+3AB2cosω1tcos2ω2t+

(5)

由式(4)、(5)可見,輸出信號(hào)中有直流成分、基波ω1和ω2、二次諧波2ω1和2ω2、三次諧波3ω1和3ω2,以及頻率為ω1±ω2的二次互調(diào)成分和頻率為2ω1±ω2、2ω2±ω1的三次互調(diào)成分等分量的存在。一般說來,當(dāng)雙載波信號(hào)輸入功率放大器時(shí),會(huì)在基頻及各次諧波附近產(chǎn)生各階次的互調(diào)失真分量[7],由信號(hào)產(chǎn)生的各次諧波以及偶階交調(diào)分量由于落在通帶之外可由濾波器濾除,最重要的互調(diào)分量是三階互調(diào)分量(五階、七階等奇數(shù)高階項(xiàng)相對三階互調(diào)分量影響較小),它們與信號(hào)頻率最接近,互調(diào)產(chǎn)生的信號(hào)頻譜落入到鄰近的載波頻率中,結(jié)果就引起干擾,無法用濾波器濾除。

非線性待測件(device under test,DUT),例如低噪放(low noise amplifier,LNA)、PA,當(dāng)輸入多個(gè)頻率的信號(hào)時(shí),各個(gè)頻譜分量之間會(huì)互相作用,產(chǎn)生新的頻譜分量(頻譜再生);當(dāng)輸入信號(hào)足夠小,放大器工作在線性區(qū),互調(diào)失真不會(huì)惡化,保持在一個(gè)比較均衡的水平;隨著DUT輸入功率的增大,放大器逐漸進(jìn)入壓縮區(qū),互調(diào)失真將發(fā)生快速惡化[8],如圖1所示為行波管放大器的輸入輸出特性曲線。

圖1 行放輸入輸出特性曲線圖

圖1描述了放大器隨著輸入功率的增加,其輸出功率由線性到非線性輸出的變化過程,IP3為三階截點(diǎn)功率;P3為單載波飽和功率;P1為1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率;P是工作點(diǎn)功率;Im3為三階互調(diào)功率;BO為輸出回退;SSPA為半導(dǎo)體固態(tài)放大器;TWTA為行波管功率放大器。

衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器在多載波工作時(shí),將產(chǎn)生互調(diào)分量,降低工作性能。為了避免互調(diào)干擾,所有載波的總功率應(yīng)該不超過轉(zhuǎn)發(fā)器的線性功率,以使轉(zhuǎn)發(fā)器工作在線性條件下。在具體的通信工作過程中,為獲得良好的系統(tǒng)通信能力,提高系統(tǒng)工作效率,應(yīng)使轉(zhuǎn)發(fā)器分系統(tǒng)中的功率放大器工作在非線性失真區(qū),此時(shí)放大器處于飽和點(diǎn)或接近于飽和點(diǎn)狀態(tài)[9]。

1.2 NPR測試原理

NPR測量是一種簡單有效的測量方法,常用于對衛(wèi)星或其他多通道通信系統(tǒng)的功率放大器性能進(jìn)行特性測量。傳統(tǒng)的雙音互調(diào)測量用來描述放大器件工作在單載波傳輸下的非線性狀態(tài),相較于傳統(tǒng)測量方法,這種測量方法的主要優(yōu)勢在于使用噪聲、多載波連續(xù)波音或I/Q調(diào)制信號(hào)等寬帶信號(hào),能夠更好地模擬實(shí)際環(huán)境。NPR是一種失真測量,NPR測試信號(hào)中的許多頻率會(huì)互相影響,在信號(hào)的未使用區(qū)域(陷波區(qū)域)形成失真產(chǎn)物。

在進(jìn)行NPR測量時(shí),采用帶陷波的寬帶調(diào)制或噪聲信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào),然后分析這些信號(hào)經(jīng)過被測器件后發(fā)生的變化,圖2中描繪了NPR的輸入信號(hào)、輸出信號(hào)和測量結(jié)果。實(shí)際測試中使用基于Matlab的I/Q數(shù)字調(diào)制方式下生成帶陷波的寬帶調(diào)制激勵(lì)信號(hào),而被測放大器的非線性會(huì)導(dǎo)致其輸出端的頻譜陷波內(nèi)產(chǎn)生失真分量(紫色區(qū)域)。NPR即為在DUT的輸出處計(jì)算為總通道功率譜密度與陷波功率譜密度之比,以dB為單位。

圖2 NPR測試內(nèi)容示意圖

要獲得準(zhǔn)確的NPR測量結(jié)果,輸入信號(hào)的陷波必須深而尖,這樣落入陷波內(nèi)的互調(diào)產(chǎn)物才更容易被區(qū)分,而不會(huì)淹沒在信號(hào)分析儀的噪聲當(dāng)中,同時(shí)信號(hào)分析儀必須具有高動(dòng)態(tài)范圍,這是因?yàn)檫M(jìn)行觀測時(shí)需要同時(shí)測量較小的互調(diào)產(chǎn)物信號(hào)和較大的主音信號(hào)。通過上面的這些測試條件可以確保測得的失真是來自被測器件,而不是來自信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)分析儀本身。

2 測試方法介紹

2.1 具體的測試方案

根據(jù)NPR測試原理,需要一臺(tái)矢量信號(hào)源用于配合軟件生成多載波信號(hào);頻譜儀用于校準(zhǔn)寬帶多載波信號(hào)的幅度平坦度,還可用于分析最終的測量結(jié)果;一臺(tái)工控機(jī)用于安裝MATLAB軟件,并通過GPIB或LAN端口將信號(hào)源和頻譜儀進(jìn)行程控。測試系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)框圖

數(shù)字I/Q調(diào)制是將基帶數(shù)字信號(hào)變換成適合帶通型信道傳輸?shù)囊环N信號(hào)處理方式,可以通過對基帶信號(hào)的頻譜搬移來適應(yīng)信道特性[10]?，F(xiàn)在專門為I/Q調(diào)制器提供激勵(lì)的基帶信號(hào)發(fā)生器發(fā)展很快,性能越來越高,基帶頻率已經(jīng)可以達(dá)到千兆量級(jí),通過對I路和Q路基帶信號(hào)幅度和相位的軟件編程就可以產(chǎn)生多種復(fù)雜的調(diào)制信號(hào)輸出,為通信信號(hào)的模擬提供了很好的途徑[11]。

該方案就是基于數(shù)字I/Q調(diào)制方法,使用Matlab R2020b版本軟件生成I/Q兩路基帶信號(hào)數(shù)字波形文件,然后將數(shù)字波形文件下載到矢量信號(hào)源中,通過信號(hào)源內(nèi)部的基帶信號(hào)發(fā)生器對該數(shù)字波形文件進(jìn)行讀取和播放,將其還原為I、Q兩路模擬信號(hào),通過正交上變頻將其搬移到想要的頻帶上,同時(shí)在調(diào)制過程中挖好陷波,使用頻譜儀對生成的寬帶多載波信號(hào)每載波信號(hào)幅度進(jìn)行采樣,根據(jù)采樣值結(jié)合程序內(nèi)的數(shù)字預(yù)處理修正算法對多載波的幅度平坦度進(jìn)行校準(zhǔn),然后通過調(diào)節(jié)信號(hào)源I/Q兩路的功率偏置進(jìn)而調(diào)整陷波的深度來生成滿足條件的NPR寬帶測量信號(hào)。待測放大器輸入該寬帶多載波激勵(lì)信號(hào)后,由于被測放大器的非線性特性,會(huì)在被測器件的輸出端產(chǎn)生互調(diào)失真,進(jìn)而會(huì)落入陷波內(nèi),通過測試通帶內(nèi)總功率譜密度與陷波中所有互調(diào)產(chǎn)物功率譜密度的比值即為NPR[12]。

2.2 具體的測試步驟

以K頻段行波管放大器(工作頻率為:19.4 GHz～20.2 GHz;輸入功率范圍為:-50 dBm～-20 dBm)NPR測試為例,根據(jù)測試方案選取所需儀器及附件如表1所列,具體的測試步驟如圖4所示。

表1 測試所需儀器及附件

圖4 測試步驟圖

首先,需要將信號(hào)源、頻譜儀和工控機(jī)通過GPIB線纜進(jìn)行程控連接,并用射頻電纜將信號(hào)源射頻端口與頻譜儀射頻端口進(jìn)行連接,其次,需要在軟件界面中設(shè)置DUT相應(yīng)的測試信息如圖5所示。實(shí)測中所選用的E8267D內(nèi)部基帶信號(hào)發(fā)生器可生成不大于80 M帶寬的基帶信號(hào);譜線數(shù)為程序默認(rèn)101根譜線,測試頻率為DUT的中心工作頻點(diǎn),測試功率為要求的輸入信號(hào)功率值;信號(hào)源和頻譜儀的GPIB地址可根據(jù)程序進(jìn)行修改,再次,點(diǎn)擊生成信號(hào),將相應(yīng)的數(shù)字波形文件下載到信號(hào)源E8267D中,以此來生成多載波基帶信號(hào),然后,對其進(jìn)行正交上變頻將其搬移到感興趣的頻帶上,在數(shù)字調(diào)制的過程中挖好了陷波,當(dāng)程序生成信號(hào)后,再點(diǎn)擊校準(zhǔn)信號(hào)按鍵,程序借助頻譜儀對所生成信號(hào)的采樣并根據(jù)數(shù)字預(yù)處理算法對每根譜線幅度進(jìn)行修正,修正完畢后,多載波的幅度平坦度發(fā)生了顯著改善,如圖6所示。

圖5 NPR測試軟件設(shè)置界面

圖6 校準(zhǔn)前后信號(hào)幅度平坦度比對

調(diào)節(jié)信號(hào)源上I/Q的幅度offset通過頻譜儀來觀測和調(diào)節(jié)陷波的深度,如圖7所示,當(dāng)陷波內(nèi)的載波幅度接近于本底噪聲時(shí),表示陷波調(diào)整完畢。最后,通過功率計(jì)將多載波信號(hào)的輸出總功率標(biāo)校為所要求的額定測試值。

圖7 I/Q調(diào)整前后陷波幅度比對

NPR測量的輸入信號(hào)如圖8所示,通過設(shè)置頻譜儀上的譜密度來計(jì)算通帶內(nèi)總功率譜密度與陷波功率譜密度之比即為NPR,以dB為單位,在這里,通常設(shè)置信號(hào)間隔帶寬的80%作為功率譜密度測量的積分帶寬。

圖8 NPR測試信號(hào)

3 測試結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)以上測試方案,對某引進(jìn)K頻段行波管放大器進(jìn)行NPR測試,測試系統(tǒng)的實(shí)物連接圖如圖9所示,首先對該行放的輸入輸出特性進(jìn)行測試,以便依據(jù)文件找出相應(yīng)輸出功率下的額定輸入作為多載波信號(hào)的總功率,實(shí)測中以飽和輸出功率回退5 dB所對應(yīng)的輸入功率作為測試信號(hào)總功率,然后再依據(jù)上述方案生成并校準(zhǔn)信號(hào),實(shí)測結(jié)果如圖10所示,1點(diǎn)和2點(diǎn)都設(shè)置為功率譜密度模式,其中1點(diǎn)為陷波內(nèi)的功率譜密度最差值,2點(diǎn)為測試通道內(nèi)的總功率譜密度,2點(diǎn)相對于1點(diǎn)的比值達(dá)爾塔即為NPR在功率回退5 dB所對應(yīng)額定輸入的測試值22.31 dB,引進(jìn)件在該測試條件下的NPR測試值為22.2 dB,將實(shí)測結(jié)果與廠家提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對如表2所列,通過比對低、中、高三個(gè)工作頻點(diǎn)的測試數(shù)據(jù)可知,實(shí)測值與廠家測試值的最大偏差為0.12 dB,查找測試所用頻譜儀N9030B的技術(shù)手冊得到幅度精度為±0.19 dB,由于廠家測試方法與該方法的差異性,兩者測試NPR項(xiàng)目時(shí)會(huì)使提供給放大器的激勵(lì)信號(hào)存在一定差異進(jìn)而導(dǎo)致最終結(jié)果與廠家測試值存在偏差,但都滿足測試結(jié)果的不確定度要求,測試數(shù)據(jù)基本一致。

表2 測試結(jié)果比對圖

圖9 測試系統(tǒng)連接實(shí)物圖

圖10 本方案測試結(jié)果

4 結(jié)論

文章從多載波信號(hào)工作原理進(jìn)行分析,根據(jù)信號(hào)特點(diǎn),提出測試放大器多載波工作情況下的NPR測試方法,并根據(jù)測試原理,設(shè)計(jì)了測試流程及具體的測試方案,搭建了測試系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。分析所得結(jié)果數(shù)據(jù),滿足設(shè)計(jì)要求,與國外引進(jìn)件測試值進(jìn)行數(shù)據(jù)比對,其結(jié)果一致,證明了該方法的有效性。

文中所研究的NPR測試方案所生成的激勵(lì)信號(hào)陷波深而尖、多載波幅度一致性好、寬帶調(diào)制信號(hào)成形質(zhì)量高,所需儀器設(shè)備簡單通用,方便搭建測試系統(tǒng),節(jié)省投入,同時(shí)測試軟件固化后,測試人員只需在操作界面上設(shè)置參數(shù)即可,操作便捷。該測試方法完善了星載功率放大器非線性失真的測試手段,為更好地考核星載功率放大器提供了測試方法,但該方法也存在一定的局限性,目前只適用于E8267D該型號(hào)信號(hào)源。后期可以通過添加底層驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對不同廠家儀器的支持,不局限于使用某單一廠家的儀器進(jìn)行NPR測試[13-15]。文中所述方法可應(yīng)用在行波管放大器類產(chǎn)品,也可應(yīng)用于固態(tài)功率放大器。