功率動態調配網絡的仿真

袁小娜，馬伊民

（中國空間技術研究院西安分院 陜西 西安 710100）

在研究微波網絡的過程中，一般仿真軟件都是將線性系統與非線性系統分開考慮，線性系統用S參數進行分析，非線性系統用諧波平衡法進行分析。功率動態調配網絡是一個含有非線性組件功率放大器的多端口網絡，因此不能直接用S參數對其建模分析。本文利用統一參數的概念，在S參數中引入功率變量，結合多端口網絡級聯理論，用S參數分析非線性多端口網絡，這樣可以更全面而準確地分析系統的性能指標。

1 功率動態調配網絡

功率動態調配網絡主要由多端口的Butler矩陣與功率放大器組成[1]。圖1所示為4×4butler矩陣組成的功率動態調配網絡，根據功率放大器的非線性我們知道它是一個非線性、多端口網絡。針對這兩個特點，文中提出用二維S參數[2-3]與多端口網絡級聯理論[4-5]對功率動態調配網絡進行建模、仿真及分析。

2 自行研制的仿真軟件簡介

功率動態調配網絡的散射參數是關于頻率和功率的二維S參數。文中利用二維S參數及多端口網絡級聯理論建立功率動態調配網絡的數學模型，用matlab軟件[6]設計了一款功率動態調配仿真軟件包，其總體結構如圖3所示，可以看出，該軟件包主要由仿真原理區、測試數據輸入區及參數設置區3部分組成。

圖1 功率動態調配網絡框圖Fig.1 Structure diagram of network of power dynamic deployment

3 仿真實例

以一個理想的4×4的功率動態調配網絡為例，將理論分析與仿真結果進行比較。在圖3所示的界面中，只需在5個文件輸入模塊中輸入相對應的各分部件的參數數據的文件名，點擊simulation按鈕，軟件就能自動完成仿真數據的調用及數組運算，在信號輸入區寫入輸入信號的幅度、頻率、相位，點擊相應通道便可便可出現相應的仿真輸出結果。

下文將分別仿真該網絡在不同輸入及變換部分網絡參數的情況下的輸出結果，并與理論推導結果對比，以驗證仿真系統的正確性。

圖2 仿真界面Fig.2 Interface of simulation

1）3 dB橋和電纜工作在理想狀態，移相器移相0°（Θ1=Θ2=Θ3=Θ4=0），放大器工作在線性狀態（A=B=D=E=10），輸入信號等幅不同頻率時， 即 a=b=c=d=0.1，φ1=φ2=φ3=φ4=0，f1=2 GHz，f2=4 GHz， f3=6 GHz， f4=8 GHz經理論推導得到四路輸出信號分別為：

根據上述要求設置仿真系統各部件的網絡參數，寫入輸入信號參數，運行仿真軟件，各通道仿真輸出結果如圖3所示。

改變網絡特性參數：當 橋和電纜工作在理想狀態，改變第四路移相器參數，使其產生 90°相移，即Θ1=Θ2=Θ3=0，Θ4=90，放大器工作在線性狀態（A=B=D=E=10），輸入信號等幅不同頻率時，a=b=c=d=0.1，φ1=φ2=φ3=φ4=0，f1=2 GHz，f2=4 GHz，f3=6 GHz，f4=8 GHz時，可以得到四路輸出結果分別為：

根據上述要求設置仿真系統各部件的網絡參數，寫入輸入信號參數，運行仿真軟件，各通道仿真輸出結果如圖4所示。

3）調整圖1中T網絡的傳輸特性參數，使每個端口輸入信號在直通端和耦合端實現功率均分，但相對相位差從理想狀態的 90°變為 95°，網絡中其他參數不變，Θ1=Θ2=Θ3=Θ4=0，

圖3 各通道仿真輸出Fig.3 Out of simulation

圖4 各通道仿真輸出Fig.4 Out of simulation

根據上述要求設置仿真系統各部件的網絡參數，寫入輸入信號參數，運行仿真軟件，各通道仿真輸出結果如圖5所示。

圖5 各通道仿真輸出Fig.5 Out of simulation

調整圖 中 網絡的傳輸特性參數，使每個端口輸入信號在直通端和耦合端實現功率分配，直通端輸出功率為輸入信號功率的3/5，耦合端輸出功率為輸入信號功率的2/5，相對相位差仍為 90°，Θ1=Θ2=Θ3=Θ4=0，放大器工作在線性狀態 A=B=C=D=10， 當輸入信號參數為：a=b=c=d=0.1，φ1=φ2=φ3=φ4=0，f1=2 GHz， f2=4 GHz， f3=6 GHz， f4=8 GHz， 可以得到輸出為：

根據上述要求設置仿真系統各部件的網絡參數，寫入輸入信號參數，運行仿真軟件，各通道仿真輸出結果如圖6所示。

圖6 各通道的仿真輸出Fig.6 Out of simulation

圖7 各通道仿真輸出圖Fig.7 Out of simulation

5）增大輸入信號幅度至0.3，則功放工作在非線性區域，通過所給的功放的參數，插值得出功放在此功率點的放大倍數為 8.69，輸入信號等幅頻率不同 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，根據式（4）推導出輸出結果如式（5）所示。

根據上述要求設置仿真系統各部件的網絡參數，寫入輸入信號參數，運行仿真軟件，各通道仿真輸出結果如圖7所示。由上述仿真及分析對比可知，仿真結果與理論分析結果一致，說明該仿真軟件能夠實現功率動態調配網絡的仿真。

4 結束語

文中利用多端口網絡級聯理論及二維S參數對功率動態調配網絡進行建模，經過實驗驗證，利用該軟包可以仿真功率動態調配網絡，這對分析及預測該系統的性能具有很好的輔助作用，對全面研究該微波網絡有非常重要的意義。

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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.計算微波[M].北京:高等教育出版社，1985.

[5]董宏發.微波電路基礎[M].西安：西安電子科技大學出版社，2010.

[6]羅華飛.MATLAB GUI設計學習手記[M].2版.北京：北京航空航天大學出版社，2011.