星载功率放大器NPR测试方法研究

鲁 飞,李 磊,王 宏,谢 静,苏 睿,刁文婷

(中国空间技术研究院西安分院,西安 710000)

0 引言

微波功率放大器广泛应用于通信卫星转发器、导航卫星转发器、微波遥感器等系统中,是系统的关键载荷,主要实现微波信号的放大以及幅度和相位的控制等功能[1-2]。目前采用的星载功率放大器主要有两类:行波管放大器(travelling wave tube amplifier,TWTA)和固态功率放大器(solid state power amplifier,SSPA)。TWTA的主要特点为:功率大、工作频带宽、增益高和高效率等,长期以来,在星载高功率放大器领域,以TWTA为代表的电真空器件一直占据主要地位。基于半导体固态器件的放大器SSPA受限于较低的输出功率和效率,主要应用在中小功率的系统中[3]。两类放大器作为星载有效载荷系统中的关键设备,在我国多个系列卫星中得到应用。近年来随着用户对更快数据速率需求的飞速增长,卫星空间通信系统逐步向高速率、大带宽、高容量方面演进,目前的高通量卫星转发器分系统采用多载波信号传输模式[4],而工作在此模式下的功率放大器件,通常在电性能测试阶段是通过三阶互调测试来描述其工作于单载波传输的非线性状态下,该方法不能准确的反应功率放大器件在卫星系统中的实际工况,而文章所研究的噪声功率比的测试方法可以准确地描述放大器件在多载波传输模式下的非线性特性。

噪声功率比(noise power ratio,NPR)测试是用来反映卫星转发器中放大器件工作在大带宽多通道条件下的幅度线性情况,在实际的通信系统中,由于放大器件的非线性带来的互调失真会影响收发链路的性能,当信号为宽带调制信号时,无论是在信号带宽内还是带宽外,都将会产生比较丰富的互调产物。带内的互调产物将会对信号本身造成干扰,恶化信噪比,通常采用NPR来表征这种非线性形成的带内干扰。NPR测试是一种更接近真实信号的测量方式,可以用来真实反映功率放大器在这些条件下的非线性特性,因此NPR测试是卫星载荷测试中的一个关键测试项目,具有重要的研究意义。

国外的NPR测试研究起步较早,在20世纪初期已经开始应用于宇航放大器产品的正样测试,国内的方法是使用白噪声作为测试信号,因为白噪声可以看做是由很多幅度和相位随机的单载波信号组成的宽带信号,然后将其经过一个跟测试带宽相同的带通滤波器进行滤波整形,再经过一个带阻滤波器来生成满足条件的带陷波宽带信号。这种测试系统在测试不同频带时需要与之匹配的带通和带阻滤波器,往往信号成形质量较差,同时也不能模拟最真实的工况,个别仪器厂商虽提供了可用于生成调制信号的选件,但价格昂贵且操作繁琐,而文中所用的数字调制方法基于目前常用的测试仪器,可用于各个频段的测试,开发成本低,生成的信号质量高,操作便捷,易于实现。

1 NPR测试原理

1.1 互调失真概述

由于功率放大器(power amplifier,PA)的非线性,当任意两个或多个频率激励信号作用于非线性PA时,会产生由原有频率分量线性组合的新的频率分量,这些由原激励信号的频率组成的新频率成分称之为互调失真(intermodulation distortion,IMD)分量。这些互调分量大多是系统中不希望出现的信号,它们对系统会产生不良影响,称之为互调干扰[5]。在卫星通信系统中,星载功率放大器幅度和相位的非线性都会导致互调现象产生。假设输入的双载波激励信号为非调制信号f1和f2,对互调失真IMD进行分析,输入信号表达式为:

x(t)=Acos2πf1t+Bcos2πf2t=Acosω1t+Bcosω2t

(1)

非线性器件的传输函数可用1个n阶幂级数表示[6]:

(2)

将输入信号代入非线性器件传输函数(为便于分析取传输函数前三项也可满足足够精度),则输出为:

y(t)=a1(Acosω1t+Bcosω2t)+a2(A2cos2ω1t+

B2cos2ω2t+2ABcosω1tcosω2t)+a3(A3cos3ω1t+

B3cos3ω2t+3AB2cosω1tcos2ω2t+3A2Bcos2ω1tcosω2t)

(3)

式(3)中a1各项为期望的输出信号,a2各项称为二次产物,即二次失真所产生的产物,a3各项相应称为三次产物,即三次失真所产生的产物。将上式中的二次、三次失真进一步展开:

a2(A2cos2ω1t+B2cos2ω2t+2ABcosω1tcosω2t)

(4)

a3(A3cos3ω1t+B3cos3ω2t+3AB2cosω1tcos2ω2t+

(5)

由式(4)、(5)可见,输出信号中有直流成分、基波ω1和ω2、二次谐波2ω1和2ω2、三次谐波3ω1和3ω2,以及频率为ω1±ω2的二次互调成分和频率为2ω1±ω2、2ω2±ω1的三次互调成分等分量的存在。一般说来,当双载波信号输入功率放大器时,会在基频及各次谐波附近产生各阶次的互调失真分量[7],由信号产生的各次谐波以及偶阶交调分量由于落在通带之外可由滤波器滤除,最重要的互调分量是三阶互调分量(五阶、七阶等奇数高阶项相对三阶互调分量影响较小),它们与信号频率最接近,互调产生的信号频谱落入到邻近的载波频率中,结果就引起干扰,无法用滤波器滤除。

非线性待测件(device under test,DUT),例如低噪放(low noise amplifier,LNA)、PA,当输入多个频率的信号时,各个频谱分量之间会互相作用,产生新的频谱分量(频谱再生);当输入信号足够小,放大器工作在线性区,互调失真不会恶化,保持在一个比较均衡的水平;随着DUT输入功率的增大,放大器逐渐进入压缩区,互调失真将发生快速恶化[8],如图1所示为行波管放大器的输入输出特性曲线。

图1 行放输入输出特性曲线图

图1描述了放大器随着输入功率的增加,其输出功率由线性到非线性输出的变化过程,IP3为三阶截点功率;P3为单载波饱和功率;P1为1 dB压缩点输出功率;P是工作点功率;Im3为三阶互调功率;BO为输出回退;SSPA为半导体固态放大器;TWTA为行波管功率放大器。

卫星转发器在多载波工作时,将产生互调分量,降低工作性能。为了避免互调干扰,所有载波的总功率应该不超过转发器的线性功率,以使转发器工作在线性条件下。在具体的通信工作过程中,为获得良好的系统通信能力,提高系统工作效率,应使转发器分系统中的功率放大器工作在非线性失真区,此时放大器处于饱和点或接近于饱和点状态[9]。

1.2 NPR测试原理

NPR测量是一种简单有效的测量方法,常用于对卫星或其他多通道通信系统的功率放大器性能进行特性测量。传统的双音互调测量用来描述放大器件工作在单载波传输下的非线性状态,相较于传统测量方法,这种测量方法的主要优势在于使用噪声、多载波连续波音或I/Q调制信号等宽带信号,能够更好地模拟实际环境。NPR是一种失真测量,NPR测试信号中的许多频率会互相影响,在信号的未使用区域(陷波区域)形成失真产物。

在进行NPR测量时,采用带陷波的宽带调制或噪声信号作为激励信号,然后分析这些信号经过被测器件后发生的变化,图2中描绘了NPR的输入信号、输出信号和测量结果。实际测试中使用基于Matlab的I/Q数字调制方式下生成带陷波的宽带调制激励信号,而被测放大器的非线性会导致其输出端的频谱陷波内产生失真分量(紫色区域)。NPR即为在DUT的输出处计算为总通道功率谱密度与陷波功率谱密度之比,以dB为单位。

图2 NPR测试内容示意图

要获得准确的NPR测量结果,输入信号的陷波必须深而尖,这样落入陷波内的互调产物才更容易被区分,而不会淹没在信号分析仪的噪声当中,同时信号分析仪必须具有高动态范围,这是因为进行观测时需要同时测量较小的互调产物信号和较大的主音信号。通过上面的这些测试条件可以确保测得的失真是来自被测器件,而不是来自信号发生器和信号分析仪本身。

2 测试方法介绍

2.1 具体的测试方案

根据NPR测试原理,需要一台矢量信号源用于配合软件生成多载波信号;频谱仪用于校准宽带多载波信号的幅度平坦度,还可用于分析最终的测量结果;一台工控机用于安装MATLAB软件,并通过GPIB或LAN端口将信号源和频谱仪进行程控。测试系统框图如图3所示。

图3 测试系统框图

数字I/Q调制是将基带数字信号变换成适合带通型信道传输的一种信号处理方式,可以通过对基带信号的频谱搬移来适应信道特性[10]。现在专门为I/Q调制器提供激励的基带信号发生器发展很快,性能越来越高,基带频率已经可以达到千兆量级,通过对I路和Q路基带信号幅度和相位的软件编程就可以产生多种复杂的调制信号输出,为通信信号的模拟提供了很好的途径[11]。

该方案就是基于数字I/Q调制方法,使用Matlab R2020b版本软件生成I/Q两路基带信号数字波形文件,然后将数字波形文件下载到矢量信号源中,通过信号源内部的基带信号发生器对该数字波形文件进行读取和播放,将其还原为I、Q两路模拟信号,通过正交上变频将其搬移到想要的频带上,同时在调制过程中挖好陷波,使用频谱仪对生成的宽带多载波信号每载波信号幅度进行采样,根据采样值结合程序内的数字预处理修正算法对多载波的幅度平坦度进行校准,然后通过调节信号源I/Q两路的功率偏置进而调整陷波的深度来生成满足条件的NPR宽带测量信号。待测放大器输入该宽带多载波激励信号后,由于被测放大器的非线性特性,会在被测器件的输出端产生互调失真,进而会落入陷波内,通过测试通带内总功率谱密度与陷波中所有互调产物功率谱密度的比值即为NPR[12]。

2.2 具体的测试步骤

以K频段行波管放大器(工作频率为:19.4 GHz～20.2 GHz;输入功率范围为:-50 dBm～-20 dBm)NPR测试为例,根据测试方案选取所需仪器及附件如表1所列,具体的测试步骤如图4所示。

表1 测试所需仪器及附件

图4 测试步骤图

首先,需要将信号源、频谱仪和工控机通过GPIB线缆进行程控连接,并用射频电缆将信号源射频端口与频谱仪射频端口进行连接,其次,需要在软件界面中设置DUT相应的测试信息如图5所示。实测中所选用的E8267D内部基带信号发生器可生成不大于80 M带宽的基带信号;谱线数为程序默认101根谱线,测试频率为DUT的中心工作频点,测试功率为要求的输入信号功率值;信号源和频谱仪的GPIB地址可根据程序进行修改,再次,点击生成信号,将相应的数字波形文件下载到信号源E8267D中,以此来生成多载波基带信号,然后,对其进行正交上变频将其搬移到感兴趣的频带上,在数字调制的过程中挖好了陷波,当程序生成信号后,再点击校准信号按键,程序借助频谱仪对所生成信号的采样并根据数字预处理算法对每根谱线幅度进行修正,修正完毕后,多载波的幅度平坦度发生了显著改善,如图6所示。

图5 NPR测试软件设置界面

图6 校准前后信号幅度平坦度比对

调节信号源上I/Q的幅度offset通过频谱仪来观测和调节陷波的深度,如图7所示,当陷波内的载波幅度接近于本底噪声时,表示陷波调整完毕。最后,通过功率计将多载波信号的输出总功率标校为所要求的额定测试值。

图7 I/Q调整前后陷波幅度比对

NPR测量的输入信号如图8所示,通过设置频谱仪上的谱密度来计算通带内总功率谱密度与陷波功率谱密度之比即为NPR,以dB为单位,在这里,通常设置信号间隔带宽的80%作为功率谱密度测量的积分带宽。

图8 NPR测试信号

3 测试结果验证

根据以上测试方案,对某引进K频段行波管放大器进行NPR测试,测试系统的实物连接图如图9所示,首先对该行放的输入输出特性进行测试,以便依据文件找出相应输出功率下的额定输入作为多载波信号的总功率,实测中以饱和输出功率回退5 dB所对应的输入功率作为测试信号总功率,然后再依据上述方案生成并校准信号,实测结果如图10所示,1点和2点都设置为功率谱密度模式,其中1点为陷波内的功率谱密度最差值,2点为测试通道内的总功率谱密度,2点相对于1点的比值达尔塔即为NPR在功率回退5 dB所对应额定输入的测试值22.31 dB,引进件在该测试条件下的NPR测试值为22.2 dB,将实测结果与厂家提供的数据进行比对如表2所列,通过比对低、中、高三个工作频点的测试数据可知,实测值与厂家测试值的最大偏差为0.12 dB,查找测试所用频谱仪N9030B的技术手册得到幅度精度为±0.19 dB,由于厂家测试方法与该方法的差异性,两者测试NPR项目时会使提供给放大器的激励信号存在一定差异进而导致最终结果与厂家测试值存在偏差,但都满足测试结果的不确定度要求,测试数据基本一致。

表2 测试结果比对图

图9 测试系统连接实物图

图10 本方案测试结果

4 结论

文章从多载波信号工作原理进行分析,根据信号特点,提出测试放大器多载波工作情况下的NPR测试方法,并根据测试原理,设计了测试流程及具体的测试方案,搭建了测试系统并进行实际验证。分析所得结果数据,满足设计要求,与国外引进件测试值进行数据比对,其结果一致,证明了该方法的有效性。

文中所研究的NPR测试方案所生成的激励信号陷波深而尖、多载波幅度一致性好、宽带调制信号成形质量高,所需仪器设备简单通用,方便搭建测试系统,节省投入,同时测试软件固化后,测试人员只需在操作界面上设置参数即可,操作便捷。该测试方法完善了星载功率放大器非线性失真的测试手段,为更好地考核星载功率放大器提供了测试方法,但该方法也存在一定的局限性,目前只适用于E8267D该型号信号源。后期可以通过添加底层驱动实现对不同厂家仪器的支持,不局限于使用某单一厂家的仪器进行NPR测试[13-15]。文中所述方法可应用在行波管放大器类产品,也可应用于固态功率放大器。