功率动态调配网络的仿真

袁小娜，马伊民

（中国空间技术研究院西安分院 陕西 西安 710100）

在研究微波网络的过程中，一般仿真软件都是将线性系统与非线性系统分开考虑，线性系统用S参数进行分析，非线性系统用谐波平衡法进行分析。功率动态调配网络是一个含有非线性组件功率放大器的多端口网络，因此不能直接用S参数对其建模分析。本文利用统一参数的概念，在S参数中引入功率变量，结合多端口网络级联理论，用S参数分析非线性多端口网络，这样可以更全面而准确地分析系统的性能指标。

1 功率动态调配网络

功率动态调配网络主要由多端口的Butler矩阵与功率放大器组成[1]。图1所示为4×4butler矩阵组成的功率动态调配网络，根据功率放大器的非线性我们知道它是一个非线性、多端口网络。针对这两个特点，文中提出用二维S参数[2-3]与多端口网络级联理论[4-5]对功率动态调配网络进行建模、仿真及分析。

2 自行研制的仿真软件简介

功率动态调配网络的散射参数是关于频率和功率的二维S参数。文中利用二维S参数及多端口网络级联理论建立功率动态调配网络的数学模型，用matlab软件[6]设计了一款功率动态调配仿真软件包，其总体结构如图3所示，可以看出，该软件包主要由仿真原理区、测试数据输入区及参数设置区3部分组成。

图1 功率动态调配网络框图Fig.1 Structure diagram of network of power dynamic deployment

3 仿真实例

以一个理想的4×4的功率动态调配网络为例，将理论分析与仿真结果进行比较。在图3所示的界面中，只需在5个文件输入模块中输入相对应的各分部件的参数数据的文件名，点击simulation按钮，软件就能自动完成仿真数据的调用及数组运算，在信号输入区写入输入信号的幅度、频率、相位，点击相应通道便可便可出现相应的仿真输出结果。

下文将分别仿真该网络在不同输入及变换部分网络参数的情况下的输出结果，并与理论推导结果对比，以验证仿真系统的正确性。

图2 仿真界面Fig.2 Interface of simulation

1）3 dB桥和电缆工作在理想状态，移相器移相0°（Θ1=Θ2=Θ3=Θ4=0），放大器工作在线性状态（A=B=D=E=10），输入信号等幅不同频率时， 即 a=b=c=d=0.1，φ1=φ2=φ3=φ4=0，f1=2 GHz，f2=4 GHz， f3=6 GHz， f4=8 GHz经理论推导得到四路输出信号分别为：

根据上述要求设置仿真系统各部件的网络参数，写入输入信号参数，运行仿真软件，各通道仿真输出结果如图3所示。

改变网络特性参数：当 桥和电缆工作在理想状态，改变第四路移相器参数，使其产生 90°相移，即Θ1=Θ2=Θ3=0，Θ4=90，放大器工作在线性状态（A=B=D=E=10），输入信号等幅不同频率时，a=b=c=d=0.1，φ1=φ2=φ3=φ4=0，f1=2 GHz，f2=4 GHz，f3=6 GHz，f4=8 GHz时，可以得到四路输出结果分别为：

根据上述要求设置仿真系统各部件的网络参数，写入输入信号参数，运行仿真软件，各通道仿真输出结果如图4所示。

3）调整图1中T网络的传输特性参数，使每个端口输入信号在直通端和耦合端实现功率均分，但相对相位差从理想状态的 90°变为 95°，网络中其他参数不变，Θ1=Θ2=Θ3=Θ4=0，

图3 各通道仿真输出Fig.3 Out of simulation

图4 各通道仿真输出Fig.4 Out of simulation

根据上述要求设置仿真系统各部件的网络参数，写入输入信号参数，运行仿真软件，各通道仿真输出结果如图5所示。

图5 各通道仿真输出Fig.5 Out of simulation

调整图 中 网络的传输特性参数，使每个端口输入信号在直通端和耦合端实现功率分配，直通端输出功率为输入信号功率的3/5，耦合端输出功率为输入信号功率的2/5，相对相位差仍为 90°，Θ1=Θ2=Θ3=Θ4=0，放大器工作在线性状态 A=B=C=D=10， 当输入信号参数为：a=b=c=d=0.1，φ1=φ2=φ3=φ4=0，f1=2 GHz， f2=4 GHz， f3=6 GHz， f4=8 GHz， 可以得到输出为：

根据上述要求设置仿真系统各部件的网络参数，写入输入信号参数，运行仿真软件，各通道仿真输出结果如图6所示。

图6 各通道的仿真输出Fig.6 Out of simulation

图7 各通道仿真输出图Fig.7 Out of simulation

5）增大输入信号幅度至0.3，则功放工作在非线性区域，通过所给的功放的参数，插值得出功放在此功率点的放大倍数为 8.69，输入信号等幅频率不同 Θ1=Θ2=Θ3=Θ4=0，A=B=C=D=8.69，a=b=c=d=0.3，φ1=φ2=φ3=φ4=0，f1=2 GHz， f2=4 GHz，f3=6 GHz， f4=8 GHz，根据式（4）推导出输出结果如式（5）所示。

根据上述要求设置仿真系统各部件的网络参数，写入输入信号参数，运行仿真软件，各通道仿真输出结果如图7所示。由上述仿真及分析对比可知，仿真结果与理论分析结果一致，说明该仿真软件能够实现功率动态调配网络的仿真。

4 结束语

文中利用多端口网络级联理论及二维S参数对功率动态调配网络进行建模，经过实验验证，利用该软包可以仿真功率动态调配网络，这对分析及预测该系统的性能具有很好的辅助作用，对全面研究该微波网络有非常重要的意义。

[1]曹多礼，钟鹰，王志华，等.多通道功率放大器中幅度和相位一致性影响分析[J].空间电子技术，2010（4）：50-53.

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[3]杨晓敏，马伊民.通信卫星转发器系统的半实物仿真[J].空间电子技术，2005（4）:57-62.

YANG Xiao-min，MA Yi-min. Hardware-in-the-loop simulation of communication satellite transponder system[J].Space Electronic Technology，2004（4）：13-15.

[4]梁昌洪.计算微波[M].北京:高等教育出版社，1985.

[5]董宏发.微波电路基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2010.

[6]罗华飞.MATLAB GUI设计学习手记[M].2版.北京：北京航空航天大学出版社，2011.