射頻微波網絡非線性測量技術探討

鄭欣超

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

隨著理論的逐漸成熟，射頻通訊網絡微波半導體電子產業(yè)發(fā)生了巨大變革。對于S 參數理論的研究被認為是解決射頻問題的萬能鑰匙，但基于線性理論的許多技術僅僅滿足于線性半導體器件的測量，對非線性問題處理比較隨意。但低功率、超寬帶的應用場景把半導體器件的工作區(qū)域推導到超出線性區(qū)域從而進入非線性工作區(qū)域。非線性工程設計出現的問題，設計師往往僅留下仿真結果或1db 壓縮類的少許參數。小功率信號分析與測量數據難以描述半導體器件的通用特性。高科技半導體技術市場的需求加速微波通信產品的更新，超越S 參數射頻微波網絡非線性分析理論成為信息電子系統(tǒng)領域新的研究熱點。

1 射頻網絡非線性測量技術簡介

數字通信中信號標識通過數字得以實現，人們在通信中收發(fā)信號通過數字的形式展現，射頻脈沖是通過對射頻信號使用某種調制開關進行控制來得以實現，射頻脈沖信號具有獨特的優(yōu)勢，體現在經過檢測后傳遞的信號信息出現變化，通過波峰因子形式展現。波峰因子會影響信息通信bit 數值指標，使射頻器件出現非線性工作狀態(tài)。脈沖射頻信號包絡是調制多次諧波時間軸維度以及時間變量的函數。

通常被測實驗件與測試裝置連接，測試裝置常用于區(qū)分各端口反射波與入射波，將接收信號經處理加工后發(fā)送至諧波電路測試位置。測試裝置根據需要使用偏置接頭連接實驗件，為解決操作中的問題會在測試裝置中添加簡化版本切換功能，為節(jié)省資源，在測試裝置中插入諧波電路，操作中系統(tǒng)加入幅度，校準時需要關注絕對量[1]。

隨著大功率信號射頻通訊微波半導體器件的推廣應用，傳統(tǒng)基于小功率信號S 參數線性分析理論系統(tǒng)無法支持大功率信號超寬帶等射頻通信微波半導體電子產品的加速研發(fā)，基于矢量網絡分析測量的參數化非線性建模仿真技術應運而生。

LSAN 是基于射頻通訊數據采樣下頻率變換技術的大功率信號非線性網絡分析系統(tǒng)，是目前發(fā)展較為成熟的非線性矢量網絡測量方案。

未來研究需要完善非線性網絡動態(tài)X 參數設計模型方法，基于NVNA 的基帶數字通訊信息硬件平臺實現方案需要得到關注。非線性網絡動態(tài)X 參數設計模型方法理論的完善是X 參數理論的研究重點。國內外完成終端網絡匹配負載下動態(tài)X 參數模型方法記憶內核的提取，對不同電平下X 參數設計模型的測量數據方法確定有待研究。

2 線性與非線性測量的區(qū)別

研究用簡單穩(wěn)態(tài)線性系統(tǒng)與非系統(tǒng)NL 比較，系統(tǒng)采用單頻信號α(t)=Acos(ω0t)激勵，b(t)=L[Acos(ω0t)]=S11Acos(ω0t)。相對值b(t)|α(t)=S11，信息數據可確定L 對任意信號激勵頻率的響應。史密斯圓圖能對線性網絡系統(tǒng)進行完整的描述。b(t)=NL[Acos(ω0t)]=[S11Acos(ω0t)]+SNL{Acos(ω0t)}3。NL 與L 相比影響輸出頻譜，基波頻率出現于功率信號幅度有關偏移量0.75SNLA3（如圖1）。

圖1 線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)的區(qū)別

要辨識NL 出現的頻率成分，必須深刻理解能量轉換頻率的機理，線性系統(tǒng)可以解決模型化問題，但射頻通訊網絡系統(tǒng)線性化分析與大功率信號非線性化分析在許多關鍵理論概念上存在差異。入射波與出射波相對值的線性關系可表征為系統(tǒng)特征，測量則需要測量波形的比值，傳統(tǒng)矢量網絡分析儀為測量相對量設計制造，線性化網絡系統(tǒng)重疊原理使人們重構網絡系統(tǒng)對任意輸入功率信號的響應，在不同頻率測量半導體器件對單一正弦波形響應儀器可完整表征射頻通訊線性網絡系統(tǒng)[2]。射頻通訊非線性網絡系統(tǒng)測量要求獲取入射微波信號與反射微波信號之間的信息。在純單個頻率響應激勵下，非線性DUT 輸出波包含不同頻點質量，功率激勵信號在時間域中形狀由各頻率譜線的幅度決定，所以需重視在射頻通訊非線性網絡系統(tǒng)分析中激勵信號頻率譜線的相位影響（如圖2）。

圖2 非線性系統(tǒng)特性

3 射頻功率放大器頻譜增生理論分析

近年來，相關人員在波士頓舉辦專題研討會，對射頻網絡面臨的挑戰(zhàn)進行研討。原HP 公司電子測量事業(yè)部設在布魯塞爾大學網絡測量分布，近年來從事射頻通訊微波網絡大功率信號非線性網絡的測量技術研究取得了顯著成果[3]。

受現代無線微波網絡射頻通信技術復雜調試測試方法的影響，射頻微波網絡大信號非線性測量技術在微波通訊非線性網絡半導體器件加工制作中得到了廣泛的應用，很多測量方式被應用于表達微波網絡非線性半導體器件的特征。

大功率信號微波通訊射頻網絡分析技術應用能夠獲取許多重要的信息，強調將射頻通訊微波網絡技術放在真實電氣應用環(huán)境中分析，并通過測量方案與射頻通訊網絡非線性仿真建模組成。射頻通訊網絡功放器件的頻譜響應增生理論包括雙頻音測試、包絡域與功率放大器非線性測試。射頻通訊微波網絡在大功率信號下半導體電子器件工作在非線性狀態(tài)，射頻信號包絡變化由半導體電子器件的非線性特點決定，研究射頻調制信號包絡能推斷半導體電子器件的非線性工作特點（如圖3）。

圖3 射頻功率放大器原理

射頻通訊網絡微波功率放大器件是射頻通訊微波網絡的重要組成部件，功放器件的仿真模型的建模方式包含冪函數分析方式，如出現數據信息失真線性，可以應用冪函數模型表征輸入激勵的輸出情況。集中飽和狀態(tài)，基礎諧波發(fā)生波動，諧波距離信號射頻較遠容易被干擾，需使用濾波器降低干擾信號。先對射頻微波網絡系統(tǒng)仿真分析，選擇網絡域方式處理軟件系統(tǒng)，開展雙頻譜測試，使用ADS2009 平臺，擁有反饋場放大器，通過對射頻網絡輸出信號的頻譜仿真模型結果分析，發(fā)現載波周圍出現三階交調失真現象[4]，平臺二次諧波能量快速增加，波形展示內容與設計存在偏差，可通過調制時間域函數比率與人為的形式來削減幅度偏差。

4 結語

綜上所述，使用調制解調方式在現代射頻通信微波領域應用難度較大。非線性網絡測量技術比較復雜，表現為用非線性網絡系統(tǒng)的儀器設備需同時進行多頻譜矢量網絡測量分析，且大功率信號射頻網絡網絡分析技術把射頻微波網絡放在真實工作狀態(tài)下，脈沖調制微波連續(xù)射頻信號激勵的非線性矢量網絡分析系統(tǒng)是射頻通訊微波測量技術的突破。通過對雙頻譜信號激勵工作特點的定量分析，為射頻通訊非線性網絡測量技術研究提供了基礎。