基于雙頻測(cè)試的功率放大器非線性特性研究

逄晨 余志勇 孫亞民

摘 ?要： 功率放大器作為接收機(jī)的重要組成部分，由于其內(nèi)部半導(dǎo)體器件本身非線性的存在，極易激發(fā)接收機(jī)產(chǎn)生非線性響應(yīng)，造成系統(tǒng)性能降級(jí)甚至產(chǎn)生故障。文中引入一種對(duì)功率放大器非線性特性的快速測(cè)試方法，即雙頻自動(dòng)測(cè)試技術(shù)，并通過(guò)對(duì)雙頻掃頻策略進(jìn)行優(yōu)化，將測(cè)試時(shí)間縮短將近[12]。然后利用建立功率放大器傳輸信號(hào)通道的頻率條件方程庫(kù)，對(duì)所有非線性干擾響應(yīng)通道進(jìn)行檢測(cè)，獲取功率放大器的非線性特性。測(cè)試結(jié)果對(duì)于評(píng)估功率放大器的電磁兼容性具有重要參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 功率放大器; 非線性特性; 雙頻測(cè)試; 信號(hào)掃描; 掃頻優(yōu)化; 通道檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN722.3?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）12?0018?04

Abstract： The power amplifier， an important part of the receiver， can easily excite the nonlinear response of the receiver due to the inherent nonlinearity of its internal semiconductor devices， which may cause system performance degradation or even failure. A fast testing method， double?frequency automatic testing technology， for dealing with the nonlinear characteristic of the power amplifier is introduced， and the testing time is reduced by nearly half by optimizing the double frequency sweep strategy. The frequency conditional equation library of establishing the transmission signal channel of the power amplifier is utilized to detect all the nonlinear interference response channels and obtain the nonlinear characteristics of the power amplifier. The testing results have an important reference value for evaluating the electromagnetic compatibility of power amplifiers.

Keywords： power amplifier; nonlinear characteristic; double?frequency testing; signal scan; sweep frequency optimization; channel detection

0 ?引 ?言

復(fù)雜電磁環(huán)境中，多種電磁干擾信號(hào)的共同激勵(lì)下，接收機(jī)會(huì)產(chǎn)生大量的寄生響應(yīng)，包括減敏、阻塞、亂真響應(yīng)、高階互調(diào)、交調(diào)等多種復(fù)雜的非線性效應(yīng)，對(duì)接收系統(tǒng)的正常工作造成不同程度的影響，從而導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生故障或性能降級(jí)[1]。究其主要原因，是設(shè)備本身的非線性特性，其來(lái)源于設(shè)備內(nèi)部放大器、混頻器等元器件有源非線性以及部件材料、絕緣體?金屬體結(jié)構(gòu)接觸等無(wú)源非線性。其中，混頻器本身就是按非線性原理工作，當(dāng)輸入信號(hào)的多個(gè)分量滿(mǎn)足一定的（能量或頻率）關(guān)系時(shí)，必然產(chǎn)生干擾信號(hào)進(jìn)入下級(jí)，而放大器設(shè)計(jì)為在線性區(qū)工作，當(dāng)外界干擾很強(qiáng)時(shí)才會(huì)表現(xiàn)出非線性。因此，本文重點(diǎn)對(duì)功率放大器的非線性問(wèn)題進(jìn)行研究，為后續(xù)接收機(jī)非線性的研究提供理論和技術(shù)支撐。

針對(duì)非線性特性測(cè)試問(wèn)題，美軍標(biāo)MIL?STD?449D和MIL?STD?461G、國(guó)軍標(biāo)GJB1143?91和GJB151B?2013等標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了部分非線性特性的測(cè)試方法。但這些測(cè)試方法都只針對(duì)設(shè)備的單個(gè)非線性特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，無(wú)法獲取非線性響應(yīng)的全集[2]。當(dāng)前，國(guó)際上最為先進(jìn)的非線性測(cè)試技術(shù)是由白俄羅斯國(guó)立信息與無(wú)線電技術(shù)大學(xué)電磁兼容性研究發(fā)展實(shí)驗(yàn)室提出的雙頻自動(dòng)測(cè)試技術(shù)[3]（Automated Double?Frequency Test Technique，ADFTT）。該技術(shù)使用兩臺(tái)信號(hào)源分別在測(cè)試頻段內(nèi)進(jìn)行快掃和慢掃，可以生成覆蓋測(cè)試頻段內(nèi)所有雙頻信號(hào)的頻率組合，對(duì)被測(cè)接收系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，所用激勵(lì)信號(hào)在頻率組合上沒(méi)有遺漏，理論上可以激發(fā)出被測(cè)接收機(jī)的所有非線性響應(yīng)。雙頻測(cè)試技術(shù)已于近幾年引入我國(guó)，但在消化吸收和再創(chuàng)新的過(guò)程中仍存在許多關(guān)鍵問(wèn)題需解決，首要問(wèn)題就是測(cè)試效率。本文借助雙頻測(cè)試（Double?Frequency Test，DFT）方法對(duì)功率放大器非線性進(jìn)行研究，并通過(guò)優(yōu)化掃頻策略及改善數(shù)據(jù)處理方式，提升雙頻測(cè)試效率。

1 ?功率放大器非線性產(chǎn)生機(jī)理

功率放大器中含有具有非線性特性的半導(dǎo)體器件。以三極管為例，在線性區(qū)，輸出與輸入信號(hào)近似呈線性關(guān)系;在非線性區(qū)，集電極電流隨著[Uce]的增加而增大，但增大的速度逐漸下降，即增益下降;在飽和區(qū)，集電極電流基本保持不變，不再隨[Uce]的增加而繼續(xù)增大。因此，當(dāng)這些器件工作在非線性區(qū)或飽和區(qū)時(shí)，輸出電壓將表現(xiàn)出限幅特性，從而使由這些器件構(gòu)成的電路產(chǎn)生非線性。

功率放大器工作在非線性區(qū)時(shí)的傳輸特性可用非線性傳遞函數(shù)來(lái)表示[4]，并可以用冪級(jí)數(shù)和來(lái)逼近，一般冪級(jí)數(shù)取的階數(shù)越高，逼近效果就越好。假設(shè)功率放大器是無(wú)記憶的，則功率放大器的非線性傳遞函數(shù)可表示為式（1）的冪級(jí)數(shù)形式。

2 ?雙頻自動(dòng)測(cè)試技術(shù)優(yōu)化

2.1 ?雙頻自動(dòng)測(cè)試技術(shù)基本原理

雙頻自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由信號(hào)源、被測(cè)設(shè)備、功率合成器、頻譜分析儀、示波器、計(jì)算機(jī)以及線纜硬件組成。系統(tǒng)構(gòu)架原理如圖1所示。

雙頻自動(dòng)測(cè)試技術(shù)通過(guò)特殊的掃頻策略，生成覆蓋測(cè)試頻段內(nèi)所有雙頻信號(hào)的頻率組合，然后將其輸入到被測(cè)設(shè)備中，理論上可以激發(fā)被測(cè)設(shè)備的所有非線性響應(yīng)。產(chǎn)生雙頻測(cè)試信號(hào)的掃頻方式如圖2所示。其中，一臺(tái)信號(hào)源為快速掃描方式，掃描的頻率范圍為[f1min～f1max]，共進(jìn)行[n]次掃描;另一臺(tái)信號(hào)源為慢速掃描方式，掃描的頻率范圍為[f2min～f2max]，只進(jìn)行一次掃描，慢掃描信號(hào)源每步進(jìn)一次快掃描信號(hào)源在[f1min～f1max]整個(gè)頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)一次掃描[5]。通常情況下兩個(gè)信號(hào)源的掃描頻率范圍相同，且在掃頻過(guò)程中，輸入信號(hào)功率保持不變。通過(guò)這種掃描方式可生成測(cè)試頻段內(nèi)所有雙頻信號(hào)組合（[f1，f2]）。

式中，[Uti]為截取的門(mén)限電平。不同截取閾值電平下可得到二值化的二維雙頻圖。根據(jù)式（5）、式（6）可知，超外差接收機(jī)能夠接收到的信號(hào)頻率條件方程（[k1f1+k2f2=kgfg+kintfint]，式中：[k1，k2=0，±1，±2，…]表示[f1，f2]的階次;[fg]表示本振頻率;[fint]表示中頻頻率;[kg=0，1，2，…]表示本振諧波次數(shù)，[kint=±1]表示變頻類(lèi)型）將在以[f1，f2]為橫縱坐標(biāo)的坐標(biāo)圖上表現(xiàn)為一組直線，而同樣以[f1，f2]為橫縱坐標(biāo)的二維雙頻圖上包含一系列由于非線性響應(yīng)而形成的直線。如此，雙頻圖與信號(hào)頻率條件方程就建立了聯(lián)系[10]。對(duì)雙頻圖上的直線擬合，得到響應(yīng)線方程，也就識(shí)別出了響應(yīng)線對(duì)應(yīng)雙頻信號(hào)下非線性響應(yīng)的類(lèi)型與階次。

2.2 ?雙頻測(cè)試掃頻策略?xún)?yōu)化

根據(jù)雙頻自動(dòng)測(cè)試原理，兩路輸入信號(hào)的頻率范圍相同，且兩頻率無(wú)主次之分。傳統(tǒng)雙頻自動(dòng)測(cè)試中設(shè)置兩臺(tái)信號(hào)源在工作頻段內(nèi)分別進(jìn)行全頻段的掃描，這會(huì)導(dǎo)致雙頻測(cè)試組合中存在大量的冗余，造成資源浪費(fèi)和測(cè)試周期過(guò)長(zhǎng)[7]。因此，由于雙頻圖在理論上是關(guān)于對(duì)角線對(duì)稱(chēng)的，通過(guò)合理去除冗余的頻率組合，可將總測(cè)試頻率組合縮減將近[12]，大大提升雙頻測(cè)試效率。測(cè)試流程如圖3所示。

該優(yōu)化方法適用的前提條件是產(chǎn)生雙頻信號(hào)的兩個(gè)信號(hào)源的掃頻范圍相同。使用優(yōu)化方法，只對(duì)雙頻圖對(duì)角線一側(cè)及對(duì)角線上的雙頻組合點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，理論上可以使測(cè)試時(shí)間縮短約優(yōu)化前測(cè)試時(shí)間的[12]，同時(shí)不會(huì)破壞雙頻圖的結(jié)構(gòu)，也不會(huì)對(duì)雙頻測(cè)試的數(shù)據(jù)處理帶來(lái)影響。

3 ?功率放大器非線性特性測(cè)量

3.1 ?雙頻非線性測(cè)試實(shí)例

本節(jié)選取Amplifier research 100A250A射頻放大器作為測(cè)試對(duì)象，搭建半實(shí)物仿真測(cè)試平臺(tái)，對(duì)功率放大器進(jìn)行雙頻測(cè)試，分析其非線性特性。100A250A射頻放大器技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

對(duì)功率放大器進(jìn)行雙頻測(cè)試，需要注意以下幾點(diǎn)：

1） 雙頻測(cè)試掃頻范圍的設(shè)置問(wèn)題。雙頻測(cè)試過(guò)程中，只有當(dāng)雙頻信號(hào)頻率處于功率放大器工作的頻段內(nèi)時(shí)對(duì)其非線性特性的研究才有意義;為了利用優(yōu)化的掃頻策略及方便雙頻圖的處理，設(shè)置雙頻信號(hào)[f1]和[f2]的掃頻范圍應(yīng)該相同。

2） 信號(hào)源輸出幅度的設(shè)置問(wèn)題。測(cè)試信號(hào)的幅度會(huì)影響非線性響應(yīng)的階次和數(shù)量，一定范圍內(nèi)，測(cè)試信號(hào)幅度越高，激發(fā)出的非線性響應(yīng)階次越高、數(shù)量越多，然而過(guò)高的輸出幅度可能會(huì)超出信號(hào)源的輸出限值，同時(shí)也會(huì)增加信號(hào)源輸出的非線性，引入不必要的頻率分量。因此，要結(jié)合互調(diào)動(dòng)態(tài)范圍[8]對(duì)信號(hào)源輸出幅度進(jìn)行優(yōu)化選擇。

3） 建立功率放大器的頻率條件方程問(wèn)題。功率放大器的輸出為全頻段內(nèi)所有的非線性響應(yīng)，建立功率放大器的頻率條件方程（[k1f1+k2f2=fc]），需要對(duì)測(cè)試裝置（頻譜分析儀）設(shè)置固定的測(cè)試中心頻率，只對(duì)該頻率進(jìn)行輸出功率的測(cè)量。

4） 測(cè)試設(shè)備的非線性問(wèn)題。頻譜分析儀和示波器等測(cè)試儀器自身也含有非線性器件，為防止因信號(hào)幅度過(guò)大引起的測(cè)試儀器非線性響應(yīng)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響，需在測(cè)試設(shè)備前連接衰減器，以降低信號(hào)幅度。

由表1可知，被測(cè)功率放大器的工作頻段在10 kHz～250 MHz，因此設(shè)置雙頻測(cè)試信號(hào)[f1，f2]的掃頻范圍為100～200 MHz，幅度為-33 dBm，信號(hào)源掃頻步進(jìn)為1 MHz，共101×101個(gè)頻率組合，但利用優(yōu)化后的方法進(jìn)行掃頻，只對(duì)對(duì)角線一側(cè)及對(duì)角線上的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，使得測(cè)試的頻率組合縮減將近[12]。頻譜分析儀測(cè)試的固定中心頻率為150 MHz，測(cè)試帶寬為500 kHz。如圖4所示為二維雙頻圖。

3.2 ?基于雙頻圖的非線性響應(yīng)識(shí)別

經(jīng)過(guò)前面章節(jié)的分析得知，只有建立頻率條件方程與雙頻圖建立聯(lián)系，才能通過(guò)雙頻圖獲得被測(cè)設(shè)備的非線性特性[9]。在第3.1節(jié)中，通過(guò)為頻譜分析儀設(shè)置固定測(cè)試中心頻率而定義了功率放大器頻率條件方程的右側(cè)部分，因此得到功率放大器的頻率條件方程：

利用建立的頻率條件方程對(duì)雙頻圖上的響應(yīng)線進(jìn)行識(shí)別，如圖6所示，可得到全部的互調(diào)響應(yīng)類(lèi)型，如表2所示，由于雙頻圖是對(duì)稱(chēng)的，所以只對(duì)圖像一側(cè)的非線性類(lèi)型進(jìn)行識(shí)別。

由表2可以看出，通過(guò)雙頻測(cè)試可得到功率放大器在選定輸入頻率范圍內(nèi)所有頻率組合激發(fā)出的全部非線性響應(yīng)，即獲得功率放大器的非線性特性。其中，干擾通道4和干擾通道11是非常重要的一類(lèi)非線性響應(yīng)，其輸出功率較高，最易對(duì)輸出產(chǎn)生影響，此類(lèi)干擾稱(chēng)為三階互調(diào)，是非線性分析中的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

根據(jù)獲得的非線性響應(yīng)類(lèi)型和階次，再結(jié)合各響應(yīng)線的輸出功率幅度，為后續(xù)進(jìn)行功率放大器非線性行為級(jí)建模的研究提供了非線性參數(shù)支撐[10]。

4 ?結(jié) ?論

本文通過(guò)去除冗余的掃描頻率組合使雙頻測(cè)試的掃描時(shí)間縮短接近[12]，大大提升了測(cè)試效率。并利用頻率條件方程建立非線性響應(yīng)與雙頻圖之間的聯(lián)系，獲取了掃描頻帶范圍內(nèi)功率放大器所有的非線性特性。測(cè)試結(jié)果對(duì)于評(píng)估功率放大器的電磁兼容性和環(huán)境適應(yīng)性具有重要的參考價(jià)值，同時(shí)也為后續(xù)的非線性建模提供完備的數(shù)據(jù)集。

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