基于雙頻測試的功率放大器非線性特性研究

逄晨 余志勇 孫亞民

摘 ?要： 功率放大器作為接收機的重要組成部分，由于其內部半導體器件本身非線性的存在，極易激發接收機產生非線性響應，造成系統性能降級甚至產生故障。文中引入一種對功率放大器非線性特性的快速測試方法，即雙頻自動測試技術，并通過對雙頻掃頻策略進行優化，將測試時間縮短將近[12]。然后利用建立功率放大器傳輸信號通道的頻率條件方程庫，對所有非線性干擾響應通道進行檢測，獲取功率放大器的非線性特性。測試結果對于評估功率放大器的電磁兼容性具有重要參考價值。

關鍵詞： 功率放大器; 非線性特性; 雙頻測試; 信號掃描; 掃頻優化; 通道檢測

中圖分類號： TN722.3?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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

復雜電磁環境中，多種電磁干擾信號的共同激勵下，接收機會產生大量的寄生響應，包括減敏、阻塞、亂真響應、高階互調、交調等多種復雜的非線性效應，對接收系統的正常工作造成不同程度的影響，從而導致設備產生故障或性能降級[1]。究其主要原因，是設備本身的非線性特性，其來源于設備內部放大器、混頻器等元器件有源非線性以及部件材料、絕緣體?金屬體結構接觸等無源非線性。其中，混頻器本身就是按非線性原理工作，當輸入信號的多個分量滿足一定的（能量或頻率）關系時，必然產生干擾信號進入下級，而放大器設計為在線性區工作，當外界干擾很強時才會表現出非線性。因此，本文重點對功率放大器的非線性問題進行研究，為后續接收機非線性的研究提供理論和技術支撐。

針對非線性特性測試問題，美軍標MIL?STD?449D和MIL?STD?461G、國軍標GJB1143?91和GJB151B?2013等標準中規定了部分非線性特性的測試方法。但這些測試方法都只針對設備的單個非線性特性參數進行測試，無法獲取非線性響應的全集[2]。當前，國際上最為先進的非線性測試技術是由白俄羅斯國立信息與無線電技術大學電磁兼容性研究發展實驗室提出的雙頻自動測試技術[3]（Automated Double?Frequency Test Technique，ADFTT）。該技術使用兩臺信號源分別在測試頻段內進行快掃和慢掃，可以生成覆蓋測試頻段內所有雙頻信號的頻率組合，對被測接收系統進行測試，所用激勵信號在頻率組合上沒有遺漏，理論上可以激發出被測接收機的所有非線性響應。雙頻測試技術已于近幾年引入我國，但在消化吸收和再創新的過程中仍存在許多關鍵問題需解決，首要問題就是測試效率。本文借助雙頻測試（Double?Frequency Test，DFT）方法對功率放大器非線性進行研究，并通過優化掃頻策略及改善數據處理方式，提升雙頻測試效率。

1 ?功率放大器非線性產生機理

功率放大器中含有具有非線性特性的半導體器件。以三極管為例，在線性區，輸出與輸入信號近似呈線性關系;在非線性區，集電極電流隨著[Uce]的增加而增大，但增大的速度逐漸下降，即增益下降;在飽和區，集電極電流基本保持不變，不再隨[Uce]的增加而繼續增大。因此，當這些器件工作在非線性區或飽和區時，輸出電壓將表現出限幅特性，從而使由這些器件構成的電路產生非線性。

功率放大器工作在非線性區時的傳輸特性可用非線性傳遞函數來表示[4]，并可以用冪級數和來逼近，一般冪級數取的階數越高，逼近效果就越好。假設功率放大器是無記憶的，則功率放大器的非線性傳遞函數可表示為式（1）的冪級數形式。

2 ?雙頻自動測試技術優化

2.1 ?雙頻自動測試技術基本原理

雙頻自動測試系統由信號源、被測設備、功率合成器、頻譜分析儀、示波器、計算機以及線纜硬件組成。系統構架原理如圖1所示。

雙頻自動測試技術通過特殊的掃頻策略，生成覆蓋測試頻段內所有雙頻信號的頻率組合，然后將其輸入到被測設備中，理論上可以激發被測設備的所有非線性響應。產生雙頻測試信號的掃頻方式如圖2所示。其中，一臺信號源為快速掃描方式，掃描的頻率范圍為[f1min～f1max]，共進行[n]次掃描;另一臺信號源為慢速掃描方式，掃描的頻率范圍為[f2min～f2max]，只進行一次掃描，慢掃描信號源每步進一次快掃描信號源在[f1min～f1max]整個頻率范圍內實現一次掃描[5]。通常情況下兩個信號源的掃描頻率范圍相同，且在掃頻過程中，輸入信號功率保持不變。通過這種掃描方式可生成測試頻段內所有雙頻信號組合（[f1，f2]）。

式中，[Uti]為截取的門限電平。不同截取閾值電平下可得到二值化的二維雙頻圖。根據式（5）、式（6）可知，超外差接收機能夠接收到的信號頻率條件方程（[k1f1+k2f2=kgfg+kintfint]，式中：[k1，k2=0，±1，±2，…]表示[f1，f2]的階次;[fg]表示本振頻率;[fint]表示中頻頻率;[kg=0，1，2，…]表示本振諧波次數，[kint=±1]表示變頻類型）將在以[f1，f2]為橫縱坐標的坐標圖上表現為一組直線，而同樣以[f1，f2]為橫縱坐標的二維雙頻圖上包含一系列由于非線性響應而形成的直線。如此，雙頻圖與信號頻率條件方程就建立了聯系[10]。對雙頻圖上的直線擬合，得到響應線方程，也就識別出了響應線對應雙頻信號下非線性響應的類型與階次。

2.2 ?雙頻測試掃頻策略優化

根據雙頻自動測試原理，兩路輸入信號的頻率范圍相同，且兩頻率無主次之分。傳統雙頻自動測試中設置兩臺信號源在工作頻段內分別進行全頻段的掃描，這會導致雙頻測試組合中存在大量的冗余，造成資源浪費和測試周期過長[7]。因此，由于雙頻圖在理論上是關于對角線對稱的，通過合理去除冗余的頻率組合，可將總測試頻率組合縮減將近[12]，大大提升雙頻測試效率。測試流程如圖3所示。

該優化方法適用的前提條件是產生雙頻信號的兩個信號源的掃頻范圍相同。使用優化方法，只對雙頻圖對角線一側及對角線上的雙頻組合點進行測試，理論上可以使測試時間縮短約優化前測試時間的[12]，同時不會破壞雙頻圖的結構，也不會對雙頻測試的數據處理帶來影響。

3 ?功率放大器非線性特性測量

3.1 ?雙頻非線性測試實例

本節選取Amplifier research 100A250A射頻放大器作為測試對象，搭建半實物仿真測試平臺，對功率放大器進行雙頻測試，分析其非線性特性。100A250A射頻放大器技術指標如表1所示。

對功率放大器進行雙頻測試，需要注意以下幾點：

1） 雙頻測試掃頻范圍的設置問題。雙頻測試過程中，只有當雙頻信號頻率處于功率放大器工作的頻段內時對其非線性特性的研究才有意義;為了利用優化的掃頻策略及方便雙頻圖的處理，設置雙頻信號[f1]和[f2]的掃頻范圍應該相同。

2） 信號源輸出幅度的設置問題。測試信號的幅度會影響非線性響應的階次和數量，一定范圍內，測試信號幅度越高，激發出的非線性響應階次越高、數量越多，然而過高的輸出幅度可能會超出信號源的輸出限值，同時也會增加信號源輸出的非線性，引入不必要的頻率分量。因此，要結合互調動態范圍[8]對信號源輸出幅度進行優化選擇。

3） 建立功率放大器的頻率條件方程問題。功率放大器的輸出為全頻段內所有的非線性響應，建立功率放大器的頻率條件方程（[k1f1+k2f2=fc]），需要對測試裝置（頻譜分析儀）設置固定的測試中心頻率，只對該頻率進行輸出功率的測量。

4） 測試設備的非線性問題。頻譜分析儀和示波器等測試儀器自身也含有非線性器件，為防止因信號幅度過大引起的測試儀器非線性響應對測試結果造成影響，需在測試設備前連接衰減器，以降低信號幅度。

由表1可知，被測功率放大器的工作頻段在10 kHz～250 MHz，因此設置雙頻測試信號[f1，f2]的掃頻范圍為100～200 MHz，幅度為-33 dBm，信號源掃頻步進為1 MHz，共101×101個頻率組合，但利用優化后的方法進行掃頻，只對對角線一側及對角線上的點進行測試，使得測試的頻率組合縮減將近[12]。頻譜分析儀測試的固定中心頻率為150 MHz，測試帶寬為500 kHz。如圖4所示為二維雙頻圖。

3.2 ?基于雙頻圖的非線性響應識別

經過前面章節的分析得知，只有建立頻率條件方程與雙頻圖建立聯系，才能通過雙頻圖獲得被測設備的非線性特性[9]。在第3.1節中，通過為頻譜分析儀設置固定測試中心頻率而定義了功率放大器頻率條件方程的右側部分，因此得到功率放大器的頻率條件方程：

利用建立的頻率條件方程對雙頻圖上的響應線進行識別，如圖6所示，可得到全部的互調響應類型，如表2所示，由于雙頻圖是對稱的，所以只對圖像一側的非線性類型進行識別。

由表2可以看出，通過雙頻測試可得到功率放大器在選定輸入頻率范圍內所有頻率組合激發出的全部非線性響應，即獲得功率放大器的非線性特性。其中，干擾通道4和干擾通道11是非常重要的一類非線性響應，其輸出功率較高，最易對輸出產生影響，此類干擾稱為三階互調，是非線性分析中的一項重要指標。

根據獲得的非線性響應類型和階次，再結合各響應線的輸出功率幅度，為后續進行功率放大器非線性行為級建模的研究提供了非線性參數支撐[10]。

4 ?結 ?論

本文通過去除冗余的掃描頻率組合使雙頻測試的掃描時間縮短接近[12]，大大提升了測試效率。并利用頻率條件方程建立非線性響應與雙頻圖之間的聯系，獲取了掃描頻帶范圍內功率放大器所有的非線性特性。測試結果對于評估功率放大器的電磁兼容性和環境適應性具有重要的參考價值，同時也為后續的非線性建模提供完備的數據集。

參考文獻

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