星载功率放大器调幅/调相转换系数测试分析与优化

祁圣君

(中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部，北京 100094)

功率放大器是星载通信系统中的一类关键设备，其非线性除了幅度压缩之外，还表现在相位的非线性[1]，即随着输入信号幅度的变化，功率放大器输出信号的相位发生改变，通常用调幅/调相(AM/PM)转换系数来度量。多载波下，AM/PM转换效应将会引起系统中的互调干扰，造成信号的失真、误码等。在使用中，克服互调现象是非常重要的问题，如果能预先掌握所用功率放大器的AM/PM转换系数，就可以采取输入输出补偿、AM/PM预失真校准等技术减小互调干扰，提高通信质量[2-4]。因此，对于星载功率放大器而言，准确地标校AM/PM转换系数就尤为重要。另外，AM/PM转换系数本身的数值较小，也给准确有效的测量带来了一定的难度。

对于星载功率放大器AM/PM转换系数的测量方法，文献[5]中针对卫星通信系统地面站发送设备中的高功率放大器，提供了相位计测量的静态法和基于测量基带微分增益失真的动态法。其中：静态法中的相位计通常采用矢量网络分析仪等精密仪器，价格昂贵，校准及测试时间较长，不适合于系统级测试；动态法为了能在射频频段进行测量，需要额外引入频率调制器、解调器及上下变频器件进行频率变换，且要求这些设备本身的AM/PM转换系数与被测功率放大器的相比必须小到可忽略不计。文献[1]中给出了一种软硬件结合、成本较低的测试方法，但较适合功率放大器单独测试的场合。

在星载通信系统的系统级测试中，针对星载功率放大器的AM/PM转换系数测试，目前实际中较为传统和常用的是双波单边带测量方法，测量中使用信号源、频谱仪及功率计等测试系统中的常用仪器，不需要专用设备，且测试系统可与互调失真(如三阶互调)的测试系统兼容共用。从实际应用来看，对于中低频段(如S，C频段)的星载功率放大器，采用单边带法测试AM/PM转换系数时，测试结果的准确度和可靠性尚好。然而，随着频段的升高，尤其在Ka频段，系统插损较大使得输出功率较小，且系统噪声较高，从而增加了准确测量的难度，出现了误差较大且测试结果无效的情况，因此可能导致系统测试中断或失败，降低测试效率。为此，有必要对目前AM/PM转换系数测试方法进行深入研究，找到问题的根源，寻求解决途径。

本文针对AM/PM转换系数测试，从方法的原理入手，对无效测试结果及测试误差产生的机理和原因进行系统和全面地深入分析，明确问题根源，并在此基础上提出测试中需要注意的事项和优化的措施，可为准确有效地测试星载功率放大器的AM/PM转换系数提供参考。

1 AM/PM转换系数测试方法分析

1.1 测试原理和计算方法

AM/PM转换系数的定义是：当输入频率给定时，输出信号的相移变化量与输入信号功率变化量的比值[6]，以Kp表示，即

(1)

式中：Δθ为输出信号的相移；ΔPin为输入信号功率变化量，测量结果以(°)/dB表示，并可以用给定频率上的AM/PM转换系数对输入信号电平的关系曲线来进一步表示。

目前，传统和常用的双波单边带法测试功率放大器AM/PM转换系数的原理框图如图1所示。测试采用双波输入，以模拟多载波输入调幅的情况，分别由2个信号源提供上行激励信号，2个信号的频率f1和f2间隔较小(一般为几兆赫兹)，幅度相差30.8 dB。根据非线性器件AM/PM转换的原理，双波信号合成再经过转发器的高功率放大器后产生了交调信号，由此输入的单边带信号变为了不对称的双边带信号，输入输出信号频谱的示意如图2所示。由频谱仪测量输出端的信号功率值及AM/PM转换产生的上边带信号功率，通过计算得到AM/PM转换系数Kp。测试时可以按照一定步长改变上行激励信号电平，从输入功率饱和点开始回退补偿，以考查Kp随输入信号功率的变化特性。

图1 AM/PM转换系数测试原理框图Fig.1 AM/PM conversion coefficient test diagram

注：Pi,1和Pi,2分别为信号源1和信号源2到被测功率放大器的入口功率电平，dBm；Po,1和Po,2为双波信号同时输入时被测功率放大器的输出端信号功率电平，dBm；Po,3为AM/PM转换产生的上边带信号的功率电平，dBm。

图2 AM/PM测试信号频谱示意
Fig.2 AM/PM test signal frequency spectrum diagram

利用频谱仪采集到的测试数据，可通过式(2)～(4)计算得到AM/PM转换系数Kp。

(2)

S1=100.1(Po，2-Po，1+30.8)

(3)

S2=100.1(Po，3-Po，1+30.8)

(4)

1.2 无效测试结果的原因分析

表1为一组Ka频段星载功率放大器AM/PM转换系数从饱和点至输入功率回退10 dB点的测试数据和计算结果。

表1 AM/PM测试结果Table 1 AM/PM test results

从表1的测试结果可以看到：输入功率回退2 dB点的AM/PM转换系数Kp出现了无效数据。根据测试的方法和原理，AM/PM转换系数测试是对功率测量后由式(2)～(4)计算得来的，为了方便讨论，令

(5)

即

(6)

对于Kp的测试结果而言，中间值K在计算过程中具有决定性的作用。出现结果无效情况，主要是K的计算结果出现了负值，从而导致Kp计算无效，因此该输入回退点下的测试失败。值得注意的是，采用单边带法测试AM/PM转换系数时常会发生上面计算结果无效的情况。推及根源，测试方法最终为公式计算，而数据的来源和基础为3个功率电平Po，1，Po，2，Po，3的测量，并直接影响到测试结果的准确和有效。

如前所述，由于测试方法中运用公式对测量数据进行计算得到转换系数，且测试设备和中间环节较多，对于中低频段，AM/PM转换系数测试结果的准确度和可靠性尚好。随着频段的升高，尤其到达Ka频段，功率测量受到高频段系统插损大、噪声高且仪器测量精度受限等方面的影响较大，测试时会出现测试数据误差较大的情况，导致无效测试结果出现的概率变大。

1.3 测试误差的产生机理分析

对于含有高功率放大器的系统而言，AM/PM转换是一定存在且在理论上和工程上都是可以测出的，由于AM/PM转换系数的值本身较小，测试数据稍微不准确就会对测试产生较大影响，即出现计算无效的结果。因而，本文从系统角度出发，从测试过程入手，对测试输入和输出两部分误差产生的机理，以及如何对测量结果带来影响进行全面分析。

1.3.1 测试输入端误差分析

由于星载通信系统在测试中存在噪声，功率的测量值将会是实际值与噪声的叠加，且信号功率越大，噪声的影响越小，测量值越接近实际值。

1.3.2 测试输出端误差分析

如图1所示，AM/PM转换系数的输出端采用频谱仪测量输出信号功率，以及产生的转换交调信号功率。与功率计功率测量模式不同，频谱仪对单载波的功率测量模式可为峰值检波，通过Marker功能可以准确读出单载波信号的频率及电平幅度，但是频谱仪的内部却存在噪声，主要由中频功率放大器第一级产生。在单载波信号较小、信噪比低的情况下，功率测量不可避免地会受到噪声的影响。对于输出端功率电平Po，3较小的交调信号，频谱仪显示的结果实际上是其信号功率与噪声功率的和，信噪比过低时更有可能被“淹没”在频谱仪的噪底中，因此产生了Po，3的测量误差，从而影响了Kp计算过程中数值的准确性。

除此之外，根据频谱仪的测量机理，其检波模式、内部衰减器及分辨带宽等重要参数的设置，也将影响输出端信号幅度测量的精度，从而影响最终计算结果的有效性。

2 测试优化分析及验证

综合上述误差产生及对功率测量影响的分析，为了得到AM/PM转换系数有效的测量结果，从测试所涉及到的过程控制和数据修正等方面进行全面的分析，可在以下几个方面对测试进行优化。

2.1 测试前准备与校准

在图1的AM/PM转换系数测试系统中，信号源、功率计和频谱仪在测试前需要足够的稳定时间，测试应在各仪器开机预热至规定时间(一般为30 min)后进行，以保证获得准确度较高的功率、频率输出及功率测量数据。同时，星载功率放大器所在的被测通道同样需要按规定时间提前预热，以保证其输出功率的稳定性，特别是对于行波管放大器(TWTA)开机后，行波管电源需要至少3 min后方可供阳压[8]，此时功率放大器才处于稳定的静态工作状态。为了得到准确的测量功率，除了测试前被测通道的插损电平必须进行校准之外，测试仪器的自校准也不应被忽视。其中，功率计的自校准过程不仅可以校正测量中功率探头的失配，还可以保证被测功率放大器工作频段与其探头校准因子的正确匹配，从而提高功率测量的准确度；频谱仪的自校准将保证自身各部分工作模块在频率、功率、频谱分析等方面的最佳测量基准。由于AM/PM转换系数本身数值较小，对功率测量精度的要求高，而仪器的自校准是保证其测量精度的前提，因而测试前的自校准也是必不可少的环节。

2.2 频谱仪状态参量优化

频谱仪内部状态参量对于提高测量的精度有着不可忽视的作用。首先，频谱仪不同的检波模式对测试结果有不同的影响，而单载波功率测量应设置为峰值功率(Peek)检波模式。其次，频谱仪通常采用外差式扫描-调谐原理进行频谱分析[9]，其内部结构中的输入衰减器ATTEN与分辨率带宽(RBW)滤波器分别位于中频功率放大器的前端与后端，而前面提到的频谱仪内部噪声则大部分来自中频功率放大器，如图3所示。

根据上述频谱仪的工作原理，尽管输入衰减器不影响内部噪声电平，但尽可能小的输入衰减可以获得最好的信噪比，因而测试时的输入衰减应尽可能小，从而间接地降低噪底对信号功率测量的影响。同时，从饱和点开始的每个输入回退测试点，应降低RBW以抑制噪底，从而得到最好的信号精度。从实际获得的经验来看，RBW每减小为原来的0.1，可带来噪底约10 dB的改善效果。需要注意的是，频谱仪的最低噪声电平是在最小RBW下得到的，当然也导致了最慢的扫描时间，因此RBW的选取可综合兼顾功率获取精度和扫描测试时间。另外，测试中对于输出信号功率的测量宜保持相同的RBW设置。

图3 频谱仪外差工作原理框图Fig.3 Heterodyne working principle diagram for spectrum analyzer

2.3 交调信号功率修正

如前所述，频谱仪最终测量显示的都是真实信号叠加内部噪声的结果，为了减小频谱仪的噪声对AM/PM测试输出交调信号功率电平Po，3测量的影响，获得有效的计算结果，需要时可以对测量数据进行修正，分析如下。

由于交调信号功率电平的测量值为

(7)

式中：[PDAN]为频谱仪测量显示的平均噪声功率电平,对应于相应的RBW。

则

(8)

由此可以得到修正后的交调信号功率电平为

(9)

相对于非常小的交调信号，当噪底的影响无法降低或避免时，以式(9)作为交调信号功率电平的修正，从而得到更为准确的测量结果。

2.4 采用频谱仪测量输入功率

测试过程中，对于接近饱和的测试点，输入信号功率电平相对较大，由功率计读数引起入口电平差变大的影响并不明显，对于输入回退到线性区的小信号测试点，输入信号的功率逐渐变小，加之AM/PM转换系数的值本身较小，测试结果的准确度将受到影响。根据频谱仪测量的特点，小信号测试时，在系统级测试允许且有必要的前提下，可以用频谱仪替换功率计进行上行功率的测量，且如前所述，仍可利用优化RBW和输入衰减的方法来降低测量中的噪声，以提高入口电平30.8 dB差值要求的准确度。

2.5 测试优化验证结果

应用上述措施，对之前表1中的测试点进行验证，结果如表2所示。测试前，被测通道设备开机后预热0.5 h以上并完成通道校准；测试系统中信号源、功率计及频谱仪预热0.5 h后，依次进行功率计和频谱仪的自校准。测试中，频谱仪除了检波方式设置为Peek外，ATTEN调节为最小至0，RBW调节减小至1 kHz，噪底降至约-95 dBm。

从表2中可以看到：噪声的降低带来了输出功率电平Po，1，Po，2及交调信号功率电平Po，3的变化。除此之外，针对交调信号功率电平Po，3进行了修正，但由于本例中Po，3相对于噪底较大，因此采用式(9)对Po，3进行修正，发现其功率变化不大，修正效果不明显，即被降低的噪底未对Po，3产生实质性的影响，这也进一步说明频谱仪内部衰减及RBW的减小对噪声抑制及对测试准确度提高的关键作用。当然，如果测试中经过状态参量调节降噪后系统噪底仍较高，修正将会起到一定的作用。

从结果可以看到：采取以上的改进措施后，K得到了有效值，从而得到了有效的AM/PM转换系数Kp。绘制的曲线见图4，得到了功率放大器从饱和至线性段完整的AM/PM转换特性，提高了测试结果的可靠性，进而可以更准确地评估星载功率放大器的AM/PM转换性能。

表2 AM/PM测试验证数据Table 2 AM/PM test verification data

图4 AM/PM测试曲线Fig.4 AM/PM test curve

3 结束语

星载功率放大器非线性特性测试中，AM/PM转换系数是非常重要的一项。随着频段的升高，目前传统的单边带测试方法在测量结果中会出现无效的情况。本文通过系统分析，探究得到无效测试结果产生的根源及测试过程中的误差原因，并在测试过程、设备状态参量优化、功率修正等方面进行了测试优化，以提高AM/PM转换系数测试的准确度和测试结果的有效性，为后续采取技术手段减小AM/PM转换干扰对通信信号的影响提供有效途径。当然，该测试方法还有待于进一步的研究和改进，如降低2个输入信号幅度差以提高输出信号功率测量准确度，以及由此带来结果计算公式的相应改变等，这也将作为后续的研究方向。