基于双频测试的功率放大器非线性特性研究

逄晨 余志勇 孙亚民

摘  要： 功率放大器作为接收机的重要组成部分，由于其内部半导体器件本身非线性的存在，极易激发接收机产生非线性响应，造成系统性能降级甚至产生故障。文中引入一种对功率放大器非线性特性的快速测试方法，即双频自动测试技术，并通过对双频扫频策略进行优化，将测试时间缩短将近[12]。然后利用建立功率放大器传输信号通道的频率条件方程库，对所有非线性干扰响应通道进行检测，获取功率放大器的非线性特性。测试结果对于评估功率放大器的电磁兼容性具有重要参考价值。

关键词： 功率放大器; 非线性特性; 双频测试; 信号扫描; 扫频优化; 通道检测

中图分类号： TN722.3?34                           文献标识码： A                      文章编号： 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

复杂电磁环境中，多种电磁干扰信号的共同激励下，接收机会产生大量的寄生响应，包括减敏、阻塞、乱真响应、高阶互调、交调等多种复杂的非线性效应，对接收系统的正常工作造成不同程度的影响，从而导致设备产生故障或性能降级[1]。究其主要原因，是设备本身的非线性特性，其来源于设备内部放大器、混频器等元器件有源非线性以及部件材料、绝缘体?金属体结构接触等无源非线性。其中，混频器本身就是按非线性原理工作，当输入信号的多个分量满足一定的（能量或频率）关系时，必然产生干扰信号进入下级，而放大器设计为在线性区工作，当外界干扰很强时才会表现出非线性。因此，本文重点对功率放大器的非线性问题进行研究，为后续接收机非线性的研究提供理论和技术支撑。

针对非线性特性测试问题，美军标MIL?STD?449D和MIL?STD?461G、国军标GJB1143?91和GJB151B?2013等标准中规定了部分非线性特性的测试方法。但这些测试方法都只针对设备的单个非线性特性参数进行测试，无法获取非线性响应的全集[2]。当前，国际上最为先进的非线性测试技术是由白俄罗斯国立信息与无线电技术大学电磁兼容性研究发展实验室提出的双频自动测试技术[3]（Automated Double?Frequency Test Technique，ADFTT）。该技术使用两台信号源分别在测试频段内进行快扫和慢扫，可以生成覆盖测试频段内所有双频信号的频率组合，对被测接收系统进行测试，所用激励信号在频率组合上没有遗漏，理论上可以激发出被测接收机的所有非线性响应。双频测试技术已于近几年引入我国，但在消化吸收和再创新的过程中仍存在许多关键问题需解决，首要问题就是测试效率。本文借助双频测试（Double?Frequency Test，DFT）方法对功率放大器非线性进行研究，并通过优化扫频策略及改善数据处理方式，提升双频测试效率。

1  功率放大器非线性产生机理

功率放大器中含有具有非线性特性的半导体器件。以三极管为例，在线性区，输出与输入信号近似呈线性关系;在非线性区，集电极电流随着[Uce]的增加而增大，但增大的速度逐渐下降，即增益下降;在饱和区，集电极电流基本保持不变，不再随[Uce]的增加而继续增大。因此，当这些器件工作在非线性区或饱和区时，输出电压将表现出限幅特性，从而使由这些器件构成的电路产生非线性。

功率放大器工作在非线性区时的传输特性可用非线性传递函数来表示[4]，并可以用幂级数和来逼近，一般幂级数取的阶数越高，逼近效果就越好。假设功率放大器是无记忆的，则功率放大器的非线性传递函数可表示为式（1）的幂级数形式。

2  双频自动测试技术优化

2.1  双频自动测试技术基本原理

双频自动测试系统由信号源、被测设备、功率合成器、频谱分析仪、示波器、计算机以及线缆硬件组成。系统构架原理如图1所示。

双频自动测试技术通过特殊的扫频策略，生成覆盖测试频段内所有双频信号的频率组合，然后将其输入到被测设备中，理论上可以激发被测设备的所有非线性响应。产生双频测试信号的扫频方式如图2所示。其中，一台信号源为快速扫描方式，扫描的频率范围为[f1min～f1max]，共进行[n]次扫描;另一台信号源为慢速扫描方式，扫描的频率范围为[f2min～f2max]，只进行一次扫描，慢扫描信号源每步进一次快扫描信号源在[f1min～f1max]整个频率范围内实现一次扫描[5]。通常情况下两个信号源的扫描频率范围相同，且在扫频过程中，输入信号功率保持不变。通过这种扫描方式可生成测试频段内所有双频信号组合（[f1，f2]）。

式中，[Uti]为截取的门限电平。不同截取阈值电平下可得到二值化的二维双频图。根据式（5）、式（6）可知，超外差接收机能够接收到的信号频率条件方程（[k1f1+k2f2=kgfg+kintfint]，式中：[k1，k2=0，±1，±2，…]表示[f1，f2]的阶次;[fg]表示本振频率;[fint]表示中频频率;[kg=0，1，2，…]表示本振谐波次数，[kint=±1]表示变频类型）将在以[f1，f2]为横纵坐标的坐标图上表现为一组直线，而同样以[f1，f2]为横纵坐标的二维双频图上包含一系列由于非线性响应而形成的直线。如此，双频图与信号频率条件方程就建立了联系[10]。对双频图上的直线拟合，得到响应线方程，也就识别出了响应线对应双频信号下非线性响应的类型与阶次。

2.2  双频测试扫频策略优化

根据双频自动测试原理，两路输入信号的频率范围相同，且两频率无主次之分。传统双频自动测试中设置两台信号源在工作频段内分别进行全频段的扫描，这会导致双频测试组合中存在大量的冗余，造成资源浪费和测试周期过长[7]。因此，由于双频图在理论上是关于对角线对称的，通过合理去除冗余的频率组合，可将总测试频率组合缩减将近[12]，大大提升双频测试效率。测试流程如图3所示。

该优化方法适用的前提条件是产生双频信号的两个信号源的扫频范围相同。使用优化方法，只对双频图对角线一侧及对角线上的双频组合点进行测试，理论上可以使测试时间缩短约优化前测试时间的[12]，同时不会破坏双频图的结构，也不会对双频测试的数据处理带来影响。

3  功率放大器非线性特性测量

3.1  双频非线性测试实例

本节选取Amplifier research 100A250A射频放大器作为测试对象，搭建半实物仿真测试平台，对功率放大器进行双频测试，分析其非线性特性。100A250A射频放大器技术指标如表1所示。

对功率放大器进行双频测试，需要注意以下几点：

1） 双频测试扫频范围的设置问题。双频测试过程中，只有当双频信号频率处于功率放大器工作的频段内时对其非线性特性的研究才有意义;为了利用优化的扫频策略及方便双频图的处理，设置双频信号[f1]和[f2]的扫频范围应该相同。

2） 信号源输出幅度的设置问题。测试信号的幅度会影响非线性响应的阶次和数量，一定范围内，测试信号幅度越高，激发出的非线性响应阶次越高、数量越多，然而过高的输出幅度可能会超出信号源的输出限值，同时也会增加信号源输出的非线性，引入不必要的频率分量。因此，要结合互调动态范围[8]对信号源输出幅度进行优化选择。

3） 建立功率放大器的频率条件方程问题。功率放大器的輸出为全频段内所有的非线性响应，建立功率放大器的频率条件方程（[k1f1+k2f2=fc]），需要对测试装置（频谱分析仪）设置固定的测试中心频率，只对该频率进行输出功率的测量。

4） 测试设备的非线性问题。频谱分析仪和示波器等测试仪器自身也含有非线性器件，为防止因信号幅度过大引起的测试仪器非线性响应对测试结果造成影响，需在测试设备前连接衰减器，以降低信号幅度。

由表1可知，被测功率放大器的工作频段在10 kHz～250 MHz，因此设置双频测试信号[f1，f2]的扫频范围为100～200 MHz，幅度为-33 dBm，信号源扫频步进为1 MHz，共101×101个频率组合，但利用优化后的方法进行扫频，只对对角线一侧及对角线上的点进行测试，使得测试的频率组合缩减将近[12]。频谱分析仪测试的固定中心频率为150 MHz，测试带宽为500 kHz。如图4所示为二维双频图。

3.2  基于双频图的非线性响应识别

经过前面章节的分析得知，只有建立频率条件方程与双频图建立联系，才能通过双频图获得被测设备的非线性特性[9]。在第3.1节中，通过为频谱分析仪设置固定测试中心频率而定义了功率放大器频率条件方程的右侧部分，因此得到功率放大器的频率条件方程：

利用建立的频率条件方程对双频图上的响应线进行识别，如图6所示，可得到全部的互调响应类型，如表2所示，由于双频图是对称的，所以只对图像一侧的非线性类型进行识别。

由表2可以看出，通过双频测试可得到功率放大器在选定输入频率范围内所有频率组合激发出的全部非线性响应，即获得功率放大器的非线性特性。其中，干扰通道4和干扰通道11是非常重要的一类非线性响应，其输出功率较高，最易对输出产生影响，此类干扰称为三阶互调，是非线性分析中的一项重要指标。

根据获得的非线性响应类型和阶次，再结合各响应线的输出功率幅度，为后续进行功率放大器非线性行为级建模的研究提供了非线性参数支撑[10]。

4  结  论

本文通过去除冗余的扫描频率组合使双频测试的扫描时间缩短接近[12]，大大提升了测试效率。并利用频率条件方程建立非线性响应与双频图之间的联系，获取了扫描频带范围内功率放大器所有的非线性特性。测试结果对于评估功率放大器的电磁兼容性和环境适应性具有重要的参考价值，同时也为后续的非线性建模提供完备的数据集。

参考文献

[1] 方泽邈，郭恩全，肖宁，等.双频测试信号源谐波影响分析[J].国外电子测量技术，2016，35（11）：58?62.

[2] 邢奎，薛梦麟，王雅薇.复杂电磁环境下无线接收机电磁兼容快速测试技术应用[J].宇航计测技术，2015，35（5）：21?26.

[3] 刘培国，覃宇建，卢中昊，等.电磁兼容现场测量与分析技术[M].北京：国防工业出版社，2013.

[4] 贺东海.基于多项式模型的功率放大器非线性特性和预失真分析[J].工业控制计算机，2015，28（6）：172?174.

[5] 卢中昊.系统级电磁兼容现场测量关键技术研究[D].长沙：国防科技大学，2013.

[6] 马晨，周东明，刘培国.一种快速获取接收系统非线性特性的新型测试方法[J].现代电子技术，2013，36（21）：145?151.

[7] 马晨.双多频测试技术与应用研究[D].长沙：国防科技大学，2013.

[8] MORDACHEV Vladimir， SINKEVICH Eugene， PETRACHKOV Dmitry. Representation and analysis of radio receivers' susceptibility and nonlinearity by the use of 3D double?frequency characteristics [C]// 2014 International Symposium on Electromagnetic Compatibility. Tokyo： IEEE， 2014： 689?692.

[9] MORDACHEV V I， SINKEVICH E. Experimental analysis of radio receiver susceptibility to out?of?band interference by means of double?frequency test system [C]// 10th International Symposium on Electromagnetic Compatibility. New York： IEEE， 2011： 405?411.

[10] MORDACHEV V I. Automated double frequency test system [C]// Proceedings of the International Conference on Electromagnetic Interference and Compatibility'99. Hyderabad： IEEE， 1998： 714?720.