射頻微波網(wǎng)絡(luò)非線性測量理論與技術(shù)分析

方瑾

摘? 要：射頻微波網(wǎng)絡(luò)非線性測量工作是一項(xiàng)系統(tǒng)化、復(fù)雜化的工作，在具體實(shí)施操作的時(shí)候需要處理多個(gè)方面的問題。文章著重以超越S參數(shù)的大信號網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)為基本研究對象，就基于大信號網(wǎng)絡(luò)分析測量技術(shù)的放大器頻譜增生理論和技術(shù)應(yīng)用問題進(jìn)行探究。

關(guān)鍵詞：射頻網(wǎng)絡(luò)非線性測量技術(shù);大信號網(wǎng)絡(luò)分析測量技術(shù);包絡(luò)域;仿真分析

中圖分類號：TN61? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）15-0158-02

Abstract： The nonlinear measurement of RF microwave network is a systematic and complicated work， and many problems need to be dealt with in the implementation of the operation. This paper focuses on the large signal network analysis technology beyond parameter S as the basic research object， and probes into the theory and technical application of amplifier spectrum increment based on large signal network analysis and measurement technology.

Keywords： RF network nonlinear measurement technology; large signal network analysis measurement technology; envelope domain; simulation analysis

基于S參數(shù)的小信號分析理論和設(shè)備的開發(fā)完善使得射頻微波電子產(chǎn)業(yè)發(fā)生了深刻的變化，人們認(rèn)為S參數(shù)理論是解決各種射頻問題的重要工具。多數(shù)工程師在進(jìn)行工程分析的時(shí)候也是依靠這種線性框架理論。但是在低功率、高寬帶的持續(xù)使用下將新出現(xiàn)的器件推到超過他們線性范圍邊緣的一種非線性工作領(lǐng)域，在分析的過程中關(guān)于線性的感覺往往是錯(cuò)誤的。為了能夠幫助人們提升對線性理解的準(zhǔn)確率，文章著重就基于S參數(shù)大信號射頻微波技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用問題進(jìn)行分析。

1 射頻網(wǎng)絡(luò)非線性測量技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

在數(shù)字通信過程中，一切信號的標(biāo)識都是通過數(shù)字來實(shí)現(xiàn)的。人們在通信過程中發(fā)送和接收的各個(gè)信號都會通過數(shù)字的形式展現(xiàn)出來，這種信號的形式一般都是射頻脈沖。射頻脈沖是對某一頻率的射頻信號使用開關(guān)進(jìn)行控制，間隔進(jìn)行發(fā)射形成的電信號。和發(fā)送到連續(xù)波相比，射頻脈沖信號具備自身獨(dú)一無二的優(yōu)勢特點(diǎn)，這種特點(diǎn)具體表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：第一，射頻脈沖信號在經(jīng)過檢測之后所傳遞的信號信息往往會在一定程度上出現(xiàn)變化，信號的這種變化情況會通過波峰因子的形式展現(xiàn)出來。波峰因子的出現(xiàn)不僅會直接影響到信息通信的bit數(shù)值指標(biāo)，而且還會讓射頻器件在強(qiáng)烈信號的作用下出現(xiàn)出非線性的運(yùn)行工作狀態(tài)。第二，脈沖射頻信號包絡(luò)是調(diào)制信號時(shí)間數(shù)軸和射頻基波、多次諧波時(shí)間軸兩個(gè)維度時(shí)間變量的函數(shù)。

對包絡(luò)域的概念作出如下的解釋：包絡(luò)是由許多橢圓形曲線交織而成的一種圖形，包絡(luò)閾在使用的過程中假設(shè)一個(gè)基本性的載波基礎(chǔ)形式是1GHz，在使用的時(shí)候整個(gè)域值范圍會隨著信號的強(qiáng)弱發(fā)生不同程度的變化，在這里為了方便統(tǒng)計(jì)將諧波的調(diào)制信號設(shè)定為10kHz。信號的頻率譜如圖1所示。信號的頻率集合被稱作是雙頻率柵。被調(diào)的信號頻率譜出現(xiàn)了多個(gè)頻率分量，這些頻率分量會出現(xiàn)在載波基礎(chǔ)波和多次諧波的兩邊。在實(shí)際的工程中，圍繞基礎(chǔ)波和各個(gè)諧波出現(xiàn)的頻率分量能夠被限制在有限的頻帶內(nèi)部。在雙頻率柵譜圖中，每一個(gè)頻率都可以應(yīng)用整合集合整數(shù)表現(xiàn)。

1.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

射頻網(wǎng)絡(luò)非線性測量技術(shù)包含四個(gè)信道數(shù)據(jù)系統(tǒng)組成，在用戶定義頻率柵格上能夠?yàn)槠涮峁?biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)數(shù)值。為了能夠更好地了解這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，在技術(shù)應(yīng)用的過程中輔助添加一些硬件，通過硬件的加入更好的測量偏置位置上的電路特點(diǎn)。

（1）技術(shù)實(shí)現(xiàn)的硬件

在正常的工作狀態(tài)下， 被檢測的試驗(yàn)件會和檢測裝置連接在一起，測試裝置系統(tǒng)經(jīng)常被人們用來區(qū)分各個(gè)端口的反射波和入射波，同時(shí)還能夠?qū)⒔邮盏男盘柦?jīng)過處理加工之后發(fā)送到諧波電路的測試位置上。

在硬件中一般會根據(jù)需要使用偏置接頭試驗(yàn)件，但是在具體實(shí)施操作的時(shí)候面臨操作困難的問題，為了能夠解決這個(gè)問題會在被測試的裝置中額外添加簡化版本的切換性能。在裝置檢測的時(shí)候?yàn)榱四軌蛴行Ч?jié)省資源、能源，減少損耗的產(chǎn)生，在被測試件和測試端口還會額外插入諧波電路。在全面了解諧波電路基本性能的時(shí)候，進(jìn)行較大信號信息處理的時(shí)候還可以在被測試裝置和下變頻器之間添加一些信號調(diào)節(jié)硬件，比如增益衰減器，通過器件的添加使大信號網(wǎng)絡(luò)分析儀始終處于線形區(qū)域。

（2）技術(shù)的校準(zhǔn)

LSNA具備線性運(yùn)作的基本特點(diǎn)，但是在實(shí)際操作的過程中由于系統(tǒng)中加入了幅度和相位失真，使得從模擬數(shù)字變換器獲得的原始量不是在DOT端口上。假設(shè)分析儀本身的線性特點(diǎn)，在原始測量量和DUT之間的線性關(guān)系，通過必要的校準(zhǔn)能夠有效解決這個(gè)問題。LSNA的校準(zhǔn)比網(wǎng)絡(luò)矢量儀的校準(zhǔn)復(fù)雜，但是在校準(zhǔn)完成之后能夠和實(shí)際應(yīng)用情況相對應(yīng)。但是在校準(zhǔn)的時(shí)候需要密切關(guān)注絕對量，在校準(zhǔn)的時(shí)候需要額外附加標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)和現(xiàn)有方式的比較

第一，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和LSNA的基本線性參數(shù)不同，所適合應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境也是不同的。大信號網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠測量S參數(shù)，在具體實(shí)施操作的時(shí)候?yàn)榱四軌蚋玫販y量和分析S參數(shù)。大信號網(wǎng)絡(luò)分析儀的寬帶需要適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行信號處理，通過對信號的處理來獲得和窄帶矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相同的動(dòng)態(tài)范圍。第二，頻譜分析儀。頻譜分析儀器設(shè)備和一般性的網(wǎng)絡(luò)信號分析儀器設(shè)備相區(qū)別，在具體使用的時(shí)候不僅能夠測量已經(jīng)匹配完成環(huán)境下的測試器件使用和輸出情況，而且還能夠?qū)π盘柕膫鬟f和使用情況進(jìn)行檢查。第三，微波瞬態(tài)分析儀。微波瞬態(tài)分析儀是一種雙通道信號分析儀，相位失真在分析儀應(yīng)用的過程中起著十分重要的作用，為了能夠提升校準(zhǔn)的精準(zhǔn)性需要在其中添加一個(gè)硬件。

2 大信號網(wǎng)絡(luò)分析測量技術(shù)（超越S參數(shù)的射頻網(wǎng)絡(luò)大信號非線性分析測試技術(shù)）

受現(xiàn)代無線通信技術(shù)復(fù)雜調(diào)制方法和使用過程中的低成本和高功率要求，使其在非線性領(lǐng)域器件的加工制作中得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)階段很多測量方式都是被應(yīng)用在表征非線性器件特征，使用存在缺陷。大信號網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)的應(yīng)用能夠在真實(shí)的RF環(huán)境下表征網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，獲取重要信息。大信號網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)強(qiáng)調(diào)將射頻微波網(wǎng)絡(luò)放置在一個(gè)真實(shí)的電器工作環(huán)境下進(jìn)行分析，提出了一種分析射頻微波網(wǎng)絡(luò)的新概念，該技術(shù)由測量方案和射頻網(wǎng)絡(luò)非線性建模兩部分組成。

3 射頻功率放大器頻譜增生理論的分析

3.1 包絡(luò)域的分析

射頻微波網(wǎng)絡(luò)在大信號的作用下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的電子器件會處于一種非線性工作的狀態(tài)。從實(shí)際使用情況來看，包絡(luò)的一系列變化都是由網(wǎng)絡(luò)中電子器件的非線性特點(diǎn)決定的。為此，通過研究射頻已調(diào)信號包絡(luò)變化能夠在一定程度上推斷出電子器件的一種非線性特點(diǎn)。包絡(luò)域在射頻微波網(wǎng)絡(luò)分析工作中起到了十分重要的作用。

3.2 功率放大器非線性的測試分析

射頻功率放大器是整個(gè)射頻微波網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中重要的部件，非線性特點(diǎn)直接影響射頻網(wǎng)絡(luò)微波系統(tǒng)的信號質(zhì)量。功率放大器模型打造方式包含諧波分析方式、冪函數(shù)分析方式。在具體實(shí)施操作的時(shí)候如果出現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息失真現(xiàn)象，則可以應(yīng)用冪函數(shù)的形式來表現(xiàn)信號的輸出情況。線路的輸出和調(diào)控會呈現(xiàn)出非線性的表現(xiàn)特點(diǎn)，集中在飽和狀態(tài)、諧波狀態(tài)，在出現(xiàn)這些現(xiàn)象之后基礎(chǔ)諧波也會發(fā)生波動(dòng)。在微波系統(tǒng)中，如果諧波距離信號頻率較遠(yuǎn)，在使用的時(shí)候很容易被諧波干擾，因此需要使用濾波器將這種干擾信號降低。

3.3 雙頻音測試

先對射頻微波網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開展仿真性分析，在分析的過程中選擇包絡(luò)域的方式來處理各個(gè)軟件系統(tǒng)，幫助相關(guān)人員能夠更為全面的了解整個(gè)射頻微波網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的非線性運(yùn)作。文章所開展的雙頻音測試依托ADS2003A平臺。ADS2003A平臺的仿真系統(tǒng)擁有能夠反饋場效的放大器，輸出在ADS2003A平臺內(nèi)部能夠和50歐匹配，仿真分析過程中ADS2003A平臺輸出的頻率分別為1895MHz和1905MHz，頻率之間的間隔為10MHz。

在對ADS2003A平臺輸出信號的頻譜仿真結(jié)果分析之后發(fā)現(xiàn)，在ADS2003A平臺基波、高次諧波的周圍出現(xiàn)了一些互調(diào)失真的現(xiàn)象。在ADS2003A平臺系統(tǒng)上雖然設(shè)置了RF信號源來提供雙頻音，但是在具體測試操作的時(shí)候ADS2003A平臺后輸入頻譜仍然難以輸出有效的信號信息，ADS2003A平臺二次諧波和三次諧波的能量在一時(shí)間范圍內(nèi)快速增加。在經(jīng)過包絡(luò)域的分析之后確定出二維形式的波形，但是這個(gè)波形展示的內(nèi)容和實(shí)際設(shè)計(jì)之間存在偏差，且在發(fā)生偏差之前就出現(xiàn)了多次載波振蕩。為了能夠更好的解釋時(shí)域數(shù)據(jù)信息，調(diào)制時(shí)間常數(shù)和載波時(shí)間常數(shù)的比率以人為的形式來削減。

4 結(jié)束語

綜上所述，現(xiàn)代通信領(lǐng)域應(yīng)用中復(fù)雜調(diào)制方法的流傳對效率和成本要求較高，由此使得如何處理非線性領(lǐng)域的器件使用成為相關(guān)人員需要思考和解決的問題。文章在介紹射頻網(wǎng)絡(luò)非線性測量技術(shù)及其關(guān)聯(lián)理論的基礎(chǔ)上，對大信號狀態(tài)下的射頻微波網(wǎng)絡(luò)失真情況進(jìn)行了分析，并從包絡(luò)域分析法的基本概念出發(fā)對雙頻音信號激勵(lì)下的工作特點(diǎn)進(jìn)行了定量分析，為大信號網(wǎng)絡(luò)分析和非線性測量的深入研究提供了良好的基礎(chǔ)支持。

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