星載功率放大器調(diào)幅/調(diào)相轉(zhuǎn)換系數(shù)測(cè)試分析與優(yōu)化

祁圣君

(中國(guó)空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094)

功率放大器是星載通信系統(tǒng)中的一類關(guān)鍵設(shè)備，其非線性除了幅度壓縮之外，還表現(xiàn)在相位的非線性[1]，即隨著輸入信號(hào)幅度的變化，功率放大器輸出信號(hào)的相位發(fā)生改變，通常用調(diào)幅/調(diào)相(AM/PM)轉(zhuǎn)換系數(shù)來(lái)度量。多載波下，AM/PM轉(zhuǎn)換效應(yīng)將會(huì)引起系統(tǒng)中的互調(diào)干擾，造成信號(hào)的失真、誤碼等。在使用中，克服互調(diào)現(xiàn)象是非常重要的問(wèn)題，如果能預(yù)先掌握所用功率放大器的AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)，就可以采取輸入輸出補(bǔ)償、AM/PM預(yù)失真校準(zhǔn)等技術(shù)減小互調(diào)干擾，提高通信質(zhì)量[2-4]。因此，對(duì)于星載功率放大器而言，準(zhǔn)確地標(biāo)校AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)就尤為重要。另外，AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)本身的數(shù)值較小，也給準(zhǔn)確有效的測(cè)量帶來(lái)了一定的難度。

對(duì)于星載功率放大器AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)的測(cè)量方法，文獻(xiàn)[5]中針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)地面站發(fā)送設(shè)備中的高功率放大器，提供了相位計(jì)測(cè)量的靜態(tài)法和基于測(cè)量基帶微分增益失真的動(dòng)態(tài)法。其中：靜態(tài)法中的相位計(jì)通常采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等精密儀器，價(jià)格昂貴，校準(zhǔn)及測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，不適合于系統(tǒng)級(jí)測(cè)試；動(dòng)態(tài)法為了能在射頻頻段進(jìn)行測(cè)量，需要額外引入頻率調(diào)制器、解調(diào)器及上下變頻器件進(jìn)行頻率變換，且要求這些設(shè)備本身的AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)與被測(cè)功率放大器的相比必須小到可忽略不計(jì)。文獻(xiàn)[1]中給出了一種軟硬件結(jié)合、成本較低的測(cè)試方法，但較適合功率放大器單獨(dú)測(cè)試的場(chǎng)合。

在星載通信系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試中，針對(duì)星載功率放大器的AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)測(cè)試，目前實(shí)際中較為傳統(tǒng)和常用的是雙波單邊帶測(cè)量方法，測(cè)量中使用信號(hào)源、頻譜儀及功率計(jì)等測(cè)試系統(tǒng)中的常用儀器，不需要專用設(shè)備，且測(cè)試系統(tǒng)可與互調(diào)失真(如三階互調(diào))的測(cè)試系統(tǒng)兼容共用。從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，對(duì)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(cè)試AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)時(shí)，測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)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(tǒng)插損較大使得輸出功率較小，且系統(tǒng)噪聲較高，從而增加了準(zhǔn)確測(cè)量的難度，出現(xiàn)了誤差較大且測(cè)試結(jié)果無(wú)效的情況，因此可能導(dǎo)致系統(tǒng)測(cè)試中斷或失敗，降低測(cè)試效率。為此，有必要對(duì)目前AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)測(cè)試方法進(jìn)行深入研究，找到問(wèn)題的根源，尋求解決途徑。

本文針對(duì)AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)測(cè)試，從方法的原理入手，對(duì)無(wú)效測(cè)試結(jié)果及測(cè)試誤差產(chǎn)生的機(jī)理和原因進(jìn)行系統(tǒng)和全面地深入分析，明確問(wèn)題根源，并在此基礎(chǔ)上提出測(cè)試中需要注意的事項(xiàng)和優(yōu)化的措施，可為準(zhǔn)確有效地測(cè)試星載功率放大器的AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)提供參考。

1 AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)測(cè)試方法分析

1.1 測(cè)試原理和計(jì)算方法

AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)的定義是：當(dāng)輸入頻率給定時(shí)，輸出信號(hào)的相移變化量與輸入信號(hào)功率變化量的比值[6]，以Kp表示，即

(1)

式中：Δθ為輸出信號(hào)的相移；ΔPin為輸入信號(hào)功率變化量，測(cè)量結(jié)果以(°)/dB表示，并可以用給定頻率上的AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)對(duì)輸入信號(hào)電平的關(guān)系曲線來(lái)進(jìn)一步表示。

目前，傳統(tǒng)和常用的雙波單邊帶法測(cè)試功率放大器AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)的原理框圖如圖1所示。測(cè)試采用雙波輸入，以模擬多載波輸入調(diào)幅的情況，分別由2個(gè)信號(hào)源提供上行激勵(lì)信號(hào)，2個(gè)信號(hào)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(jù)非線性器件AM/PM轉(zhuǎn)換的原理，雙波信號(hào)合成再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)器的高功率放大器后產(chǎn)生了交調(diào)信號(hào)，由此輸入的單邊帶信號(hào)變?yōu)榱瞬粚?duì)稱的雙邊帶信號(hào)，輸入輸出信號(hào)頻譜的示意如圖2所示。由頻譜儀測(cè)量輸出端的信號(hào)功率值及AM/PM轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的上邊帶信號(hào)功率，通過(guò)計(jì)算得到AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)Kp。測(cè)試時(shí)可以按照一定步長(zhǎng)改變上行激勵(lì)信號(hào)電平，從輸入功率飽和點(diǎn)開始回退補(bǔ)償，以考查Kp隨輸入信號(hào)功率的變化特性。

圖1 AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)測(cè)試原理框圖Fig.1 AM/PM conversion coefficient test diagram

注：Pi,1和Pi,2分別為信號(hào)源1和信號(hào)源2到被測(cè)功率放大器的入口功率電平，dBm；Po,1和Po,2為雙波信號(hào)同時(shí)輸入時(shí)被測(cè)功率放大器的輸出端信號(hào)功率電平，dBm；Po,3為AM/PM轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的上邊帶信號(hào)的功率電平，dBm。

圖2 AM/PM測(cè)試信號(hào)頻譜示意
Fig.2 AM/PM test signal frequency spectrum diagram

利用頻譜儀采集到的測(cè)試數(shù)據(jù)，可通過(guò)式(2)～(4)計(jì)算得到AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)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(wú)效測(cè)試結(jié)果的原因分析

表1為一組Ka頻段星載功率放大器AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)從飽和點(diǎn)至輸入功率回退10 dB點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果。

表1 AM/PM測(cè)試結(jié)果Table 1 AM/PM test results

從表1的測(cè)試結(jié)果可以看到：輸入功率回退2 dB點(diǎn)的AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)Kp出現(xiàn)了無(wú)效數(shù)據(jù)。根據(jù)測(cè)試的方法和原理，AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)測(cè)試是對(duì)功率測(cè)量后由式(2)～(4)計(jì)算得來(lái)的，為了方便討論，令

(5)

即

(6)

對(duì)于Kp的測(cè)試結(jié)果而言，中間值K在計(jì)算過(guò)程中具有決定性的作用。出現(xiàn)結(jié)果無(wú)效情況，主要是K的計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)了負(fù)值，從而導(dǎo)致Kp計(jì)算無(wú)效，因此該輸入回退點(diǎn)下的測(cè)試失敗。值得注意的是，采用單邊帶法測(cè)試AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)時(shí)常會(huì)發(fā)生上面計(jì)算結(jié)果無(wú)效的情況。推及根源，測(cè)試方法最終為公式計(jì)算，而數(shù)據(jù)的來(lái)源和基礎(chǔ)為3個(gè)功率電平Po，1，Po，2，Po，3的測(cè)量，并直接影響到測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確和有效。

如前所述，由于測(cè)試方法中運(yùn)用公式對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到轉(zhuǎn)換系數(shù)，且測(cè)試設(shè)備和中間環(huán)節(jié)較多，對(duì)于中低頻段，AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度和可靠性尚好。隨著頻段的升高，尤其到達(dá)Ka頻段，功率測(cè)量受到高頻段系統(tǒng)插損大、噪聲高且儀器測(cè)量精度受限等方面的影響較大，測(cè)試時(shí)會(huì)出現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)誤差較大的情況，導(dǎo)致無(wú)效測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)的概率變大。

1.3 測(cè)試誤差的產(chǎn)生機(jī)理分析

對(duì)于含有高功率放大器的系統(tǒng)而言，AM/PM轉(zhuǎn)換是一定存在且在理論上和工程上都是可以測(cè)出的，由于AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)的值本身較小，測(cè)試數(shù)據(jù)稍微不準(zhǔn)確就會(huì)對(duì)測(cè)試產(chǎn)生較大影響，即出現(xiàn)計(jì)算無(wú)效的結(jié)果。因而，本文從系統(tǒng)角度出發(fā)，從測(cè)試過(guò)程入手，對(duì)測(cè)試輸入和輸出兩部分誤差產(chǎn)生的機(jī)理，以及如何對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)影響進(jìn)行全面分析。

1.3.1 測(cè)試輸入端誤差分析

由于星載通信系統(tǒng)在測(cè)試中存在噪聲，功率的測(cè)量值將會(huì)是實(shí)際值與噪聲的疊加，且信號(hào)功率越大，噪聲的影響越小，測(cè)量值越接近實(shí)際值。

1.3.2 測(cè)試輸出端誤差分析

如圖1所示，AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)的輸出端采用頻譜儀測(cè)量輸出信號(hào)功率，以及產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換交調(diào)信號(hào)功率。與功率計(jì)功率測(cè)量模式不同，頻譜儀對(duì)單載波的功率測(cè)量模式可為峰值檢波，通過(guò)Marker功能可以準(zhǔn)確讀出單載波信號(hào)的頻率及電平幅度，但是頻譜儀的內(nèi)部卻存在噪聲，主要由中頻功率放大器第一級(jí)產(chǎn)生。在單載波信號(hào)較小、信噪比低的情況下，功率測(cè)量不可避免地會(huì)受到噪聲的影響。對(duì)于輸出端功率電平Po，3較小的交調(diào)信號(hào)，頻譜儀顯示的結(jié)果實(shí)際上是其信號(hào)功率與噪聲功率的和，信噪比過(guò)低時(shí)更有可能被“淹沒(méi)”在頻譜儀的噪底中，因此產(chǎn)生了Po，3的測(cè)量誤差，從而影響了Kp計(jì)算過(guò)程中數(shù)值的準(zhǔn)確性。

除此之外，根據(jù)頻譜儀的測(cè)量機(jī)理，其檢波模式、內(nèi)部衰減器及分辨帶寬等重要參數(shù)的設(shè)置，也將影響輸出端信號(hào)幅度測(cè)量的精度，從而影響最終計(jì)算結(jié)果的有效性。

2 測(cè)試優(yōu)化分析及驗(yàn)證

綜合上述誤差產(chǎn)生及對(duì)功率測(cè)量影響的分析，為了得到AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)有效的測(cè)量結(jié)果，從測(cè)試所涉及到的過(guò)程控制和數(shù)據(jù)修正等方面進(jìn)行全面的分析，可在以下幾個(gè)方面對(duì)測(cè)試進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 測(cè)試前準(zhǔn)備與校準(zhǔn)

在圖1的AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)中，信號(hào)源、功率計(jì)和頻譜儀在測(cè)試前需要足夠的穩(wěn)定時(shí)間，測(cè)試應(yīng)在各儀器開機(jī)預(yù)熱至規(guī)定時(shí)間(一般為30 min)后進(jìn)行，以保證獲得準(zhǔn)確度較高的功率、頻率輸出及功率測(cè)量數(shù)據(jù)。同時(shí)，星載功率放大器所在的被測(cè)通道同樣需要按規(guī)定時(shí)間提前預(yù)熱，以保證其輸出功率的穩(wěn)定性，特別是對(duì)于行波管放大器(TWTA)開機(jī)后，行波管電源需要至少3 min后方可供陽(yáng)壓[8]，此時(shí)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(zhǔn)確的測(cè)量功率，除了測(cè)試前被測(cè)通道的插損電平必須進(jìn)行校準(zhǔn)之外，測(cè)試儀器的自校準(zhǔn)也不應(yīng)被忽視。其中，功率計(jì)的自校準(zhǔn)過(guò)程不僅可以校正測(cè)量中功率探頭的失配，還可以保證被測(cè)功率放大器工作頻段與其探頭校準(zhǔn)因子的正確匹配，從而提高功率測(cè)量的準(zhǔn)確度；頻譜儀的自校準(zhǔn)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(cè)量基準(zhǔn)。由于AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)本身數(shù)值較小，對(duì)功率測(cè)量精度的要求高，而儀器的自校準(zhǔn)是保證其測(cè)量精度的前提，因而測(cè)試前的自校準(zhǔn)也是必不可少的環(huán)節(jié)。

2.2 頻譜儀狀態(tài)參量?jī)?yōu)化

頻譜儀內(nèi)部狀態(tài)參量對(duì)于提高測(cè)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(duì)測(cè)試結(jié)果有不同的影響，而單載波功率測(cè)量應(yīng)設(shè)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(diào)諧原理進(jìn)行頻譜分析[9]，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)部噪聲則大部分來(lái)自中頻功率放大器，如圖3所示。

根據(jù)上述頻譜儀的工作原理，盡管輸入衰減器不影響內(nèi)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(cè)試時(shí)的輸入衰減應(yīng)盡可能小，從而間接地降低噪底對(duì)信號(hào)功率測(cè)量的影響。同時(shí)，從飽和點(diǎn)開始的每個(gè)輸入回退測(cè)試點(diǎn)，應(yīng)降低RBW以抑制噪底，從而得到最好的信號(hào)精度。從實(shí)際獲得的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，RBW每減小為原來(lái)的0.1，可帶來(lái)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(dāng)然也導(dǎo)致了最慢的掃描時(shí)間，因此RBW的選取可綜合兼顧功率獲取精度和掃描測(cè)試時(shí)間。另外，測(cè)試中對(duì)于輸出信號(hào)功率的測(cè)量宜保持相同的RBW設(shè)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(diào)信號(hào)功率修正

如前所述，頻譜儀最終測(cè)量顯示的都是真實(shí)信號(hào)疊加內(nèi)部噪聲的結(jié)果，為了減小頻譜儀的噪聲對(duì)AM/PM測(cè)試輸出交調(diào)信號(hào)功率電平Po，3測(cè)量的影響，獲得有效的計(jì)算結(jié)果，需要時(shí)可以對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，分析如下。

由于交調(diào)信號(hào)功率電平的測(cè)量值為

(7)

式中：[PDAN]為頻譜儀測(cè)量顯示的平均噪聲功率電平,對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的RBW。

則

(8)

由此可以得到修正后的交調(diào)信號(hào)功率電平為

(9)

相對(duì)于非常小的交調(diào)信號(hào)，當(dāng)噪底的影響無(wú)法降低或避免時(shí)，以式(9)作為交調(diào)信號(hào)功率電平的修正，從而得到更為準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

2.4 采用頻譜儀測(cè)量輸入功率

測(cè)試過(guò)程中，對(duì)于接近飽和的測(cè)試點(diǎn)，輸入信號(hào)功率電平相對(duì)較大，由功率計(jì)讀數(shù)引起入口電平差變大的影響并不明顯，對(duì)于輸入回退到線性區(qū)的小信號(hào)測(cè)試點(diǎn)，輸入信號(hào)的功率逐漸變小，加之AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)的值本身較小，測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度將受到影響。根據(jù)頻譜儀測(cè)量的特點(diǎn)，小信號(hào)測(cè)試時(shí)，在系統(tǒng)級(jí)測(cè)試允許且有必要的前提下，可以用頻譜儀替換功率計(jì)進(jìn)行上行功率的測(cè)量，且如前所述，仍可利用優(yōu)化RBW和輸入衰減的方法來(lái)降低測(cè)量中的噪聲，以提高入口電平30.8 dB差值要求的準(zhǔn)確度。

2.5 測(cè)試優(yōu)化驗(yàn)證結(jié)果

應(yīng)用上述措施，對(duì)之前表1中的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如表2所示。測(cè)試前，被測(cè)通道設(shè)備開機(jī)后預(yù)熱0.5 h以上并完成通道校準(zhǔn)；測(cè)試系統(tǒng)中信號(hào)源、功率計(jì)及頻譜儀預(yù)熱0.5 h后，依次進(jìn)行功率計(jì)和頻譜儀的自校準(zhǔn)。測(cè)試中，頻譜儀除了檢波方式設(shè)置為Peek外，ATTEN調(diào)節(jié)為最小至0，RBW調(diào)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(lái)了輸出功率電平Po，1，Po，2及交調(diào)信號(hào)功率電平Po，3的變化。除此之外，針對(duì)交調(diào)信號(hào)功率電平Po，3進(jìn)行了修正，但由于本例中Po，3相對(duì)于噪底較大，因此采用式(9)對(duì)Po，3進(jìn)行修正，發(fā)現(xiàn)其功率變化不大，修正效果不明顯，即被降低的噪底未對(duì)Po，3產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響，這也進(jìn)一步說(shuō)明頻譜儀內(nèi)部衰減及RBW的減小對(duì)噪聲抑制及對(duì)測(cè)試準(zhǔn)確度提高的關(guān)鍵作用。當(dāng)然，如果測(cè)試中經(jīng)過(guò)狀態(tài)參量調(diào)節(jié)降噪后系統(tǒng)噪底仍較高，修正將會(huì)起到一定的作用。

從結(jié)果可以看到：采取以上的改進(jìn)措施后，K得到了有效值，從而得到了有效的AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)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(zhuǎn)換特性，提高了測(cè)試結(jié)果的可靠性，進(jìn)而可以更準(zhǔn)確地評(píng)估星載功率放大器的AM/PM轉(zhuǎn)換性能。

表2 AM/PM測(cè)試驗(yàn)證數(shù)據(jù)Table 2 AM/PM test verification data

圖4 AM/PM測(cè)試曲線Fig.4 AM/PM test curve

3 結(jié)束語(yǔ)

星載功率放大器非線性特性測(cè)試中，AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)是非常重要的一項(xiàng)。隨著頻段的升高，目前傳統(tǒng)的單邊帶測(cè)試方法在測(cè)量結(jié)果中會(huì)出現(xiàn)無(wú)效的情況。本文通過(guò)系統(tǒng)分析，探究得到無(wú)效測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生的根源及測(cè)試過(guò)程中的誤差原因，并在測(cè)試過(guò)程、設(shè)備狀態(tài)參量?jī)?yōu)化、功率修正等方面進(jìn)行了測(cè)試優(yōu)化，以提高AM/PM轉(zhuǎn)換系數(shù)測(cè)試的準(zhǔn)確度和測(cè)試結(jié)果的有效性，為后續(xù)采取技術(shù)手段減小AM/PM轉(zhuǎn)換干擾對(duì)通信信號(hào)的影響提供有效途徑。當(dāng)然，該測(cè)試方法還有待于進(jìn)一步的研究和改進(jìn)，如降低2個(gè)輸入信號(hào)幅度差以提高輸出信號(hào)功率測(cè)量準(zhǔn)確度，以及由此帶來(lái)結(jié)果計(jì)算公式的相應(yīng)改變等，這也將作為后續(xù)的研究方向。