CN106199239B - 一种基于x参数的射频放大器互调抑制电平的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于X参数的射频放大器互调抑制电平的测量方法，步骤1：测量射频放大器的目标X参数；所述目标X参数为一个目标参数集；步骤2：针对目标X参数获取射频放大器散射波波变量；步骤3：构建入射波波变量、散射波波变量与信号功率之间的映射关系：步骤4：根据步骤3的映射关求取射频放大器的互调抑制电平。本发明从实验设备到实验步骤上都要比现有的GJB151B‑2013中针对互调抑制电平的测量方法要简单便捷。

Description

一种基于X参数的射频放大器互调抑制电平的测量方法

技术领域

本发明属于电磁兼容测试领域，涉及一种基于X参数的射频放大器互调抑制电平的测量方法。

背景技术

X参数是在S参数的基础上发展起来的，它是S参数的超集。X参数的基本物理含义是指由等价于测试激励信号的参考激励信号所产生的参考响应在频域上的分量。X参数以非线性频谱映射的方式描述DUT(Device Under Test，这里指放大器)的非线性行为。X参数表示了DUT稳态非线性行为的基础特性，通常以输入-输出的形式表示。在电磁兼容测试领域，针对射频放大器的互调抑制电平的测量本质上就是测量射频放大器的“无寄生动态范围”。因此，可以在测量X参数的基础上，分析推演得出放大器的互调抑制电平指标也包括放大器的互调抑制电平。

现有的射频放大器互调抑制电平测量方法(CS103)主要是国标GJB151B-2013，该方法从实验设备到实验要求均比较复杂、测量速度慢。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种基于X参数的射频放大器互调抑制电平的测量方法，这种方法可以通过借助非线性矢量网络分析仪(NVNA)以及必要的数据处理即可实现快速测量射频放大器的互调抑制电平，从实验设备到实验步骤上都要比现有的GJB151B-2013中针对互调抑制电平的测量方法要简单便捷。

本发明技术解决方案：一种基于X参数的射频放大器互调抑制电平的测量方法，包括下列步骤：

步骤1：测量射频放大器的目标X参数。

步骤2：针对目标X参数获取射频放大器散射波波变量。

步骤3：构建入射波波变量、散射波波变量与信号功率之间的映射关系。

步骤4：根据步骤3的映射关求取射频放大器的互调抑制电平。

所述步骤1：测量射频放大器的目标X参数；所述目标X参数为一个目标参数集，具体如下：

射频放大器是一个二端口网络，其所对应的目标参数集列写如下：

{DCS_q}：表示射频放大器存在有直流偏置的端口处的直流偏置量的集合，下角标q表示端口射频放大器的相应端口号，它们可以是直流偏置电压，也可以是直流偏置电流；

A_1,1:表示在射频放大器的输入端口处，射频放大器调谐工作频率上对应的入射波波变量，其中端口1记为射频放大器的输入端口，端口2记为射频放大器的输出端口，射频放大器的调谐工作频率记为f_c。该入射波波变量采用有效值复矢量的方式进行描述； |A_1,1|则代表了A_1,1的模值；

波变量：涉及两种波变量：入射波波变量与散射波波变量，它们分别记为：

式中A和B分别表示射频放大器特定端口上的入射波波变量和散射波波变量的基本定义，实际应用中常通过引入角标的方式对具体感兴趣的波变量做细化特指描述，比如在后面的应用中用到的B_2,1和B_2,3这两个散射波波变量，其中第1个角标表示射频放大器的端口编号，第2个角标表示相对于射频放大器调谐工作频率的谐波次数。V和I分别表示在该端口处的电压和电流，Z₀指端口的参考阻抗。另外，这里的A、B、V、I均采用复有效值矢量的形式。

所述步骤2中，针对目标X参数获取射频放大器散射波波变量具体如下：

其中：

B_2，1：当射频放大器的相关端口处的直流偏置以集合{DCS_q}进行配置时，且在端口1处输入“信号频率为f_c、信号强度可以使得在端口2上产生的响应信号中频率为f_c的信号分量的功率达到(N₀+M)”的信号时，端口2上的响应信号中频率为f_c的信号分量所对应的散射波波变量。其中N₀表征射频放大器的输出静噪电平所对应的功率值，M指的是根据射频放大器输出信噪比要求在射频放大器的输出噪声功率的基础上需要增加的信号功率。(N₀+M)用来表示射频放大器的标准参考输出功率；

B_2,3：当射频放大器的相关端口处的直流偏置以集合{DCS_q}进行配置时，且在端口1处输入“信号频率为f_c、信号强度可以使得在端口2上产生的响应信号中频率为f_c的信号分量的功率达到(N₀+M)”的信号时，端口2上的响应信号中频率为3f_c的信号分量所对应的散射波波变量；

P的表达式：

其中phase(A_1,1)表示当射频放大器的相关端口处的直流偏置以集合{DCS_q}进行配置时，在端口1处输入“信号频率为f_c、信号强度可以使得在端口2上产生的响应信号中频率为f_c的信号分量的功率达到(N₀+M)”的信号进行X参数测量时，这个输入信号波变量相对于测试系统的初始相位值。

所述步骤3中，构建入射波波变量、散射波波变量与信号功率之间的映射关系具体如下：

(1)调节频率为f_c输入信号强度使射频放大器的输出信号中频率为f_c的信号分量功率达到标准参考输出功率(N₀+M)时端口1处频率为f_c的输入信号对应的入射波波变量A_1,1和端口2处频率分别为f_c和3f_c的输出信号分量对应的散射波波变量B_2,1、B_2,3。

(2)由入射波波变量和散射波波变量计算表示射频放大器非线性输出响应的泰勒级数展开式中的系数a₁和a₃：

(3)利用上面求得的a₁和a₃计算在射频放大器3阶截断点处的线性响应P₃：

从而得到入射波波变量、散射波波变量与信号功率之间的映射关系。

所述步骤4中，根据映射关求取射频放大器的互调抑制电平过程如下：

在射频放大器的3阶互调输出产物的功率或为(N₀+M)时，进行射频放大器的互调抑制电平的计算。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)测量射频放大器时，相比于GJB151B-2013中所给出的方法(CS103)，本发明不再需要使用2个独立的信号源，只需要一个非线性矢量网络分析仪即可替代这两个独立信号源的作用。实验设备在一定程度上得到简化。

(2)基于X参数进行射频放大器的互调抑制电平的测试时，数据处理方法较为简单快捷。在得到X参数之后，经过简单代数计算即可获得计算射频放大器互调抑制电平的所需要的所有参数，进而完成对射频放大器互调抑制电平的求解。

附图说明

图1为用于对波变量进行说明；

图2为本发明的基于X参数的射频放大器互调抑制电平的测量方法流程示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明是一种基于X参数的射频放大器互调抑制电平的测试方法，这种方法首先是测量DUT的目标X参数，这里的目标X参数主要包括：“在射频放大器调谐工作频率上(记为f_c)，当射频放大器对调谐工作频率(f_c)上的响应功率达到标准参考输出(N₀+M)时输出产物中对应的一次谐波、二次谐波以及三次谐波的X参数”。其中N₀(单位：dBm)表征射频放大器的输出静噪电平所对应的功率值，M(≥0,单位： dBm)指的是根据射频放大器输出信噪比要求在射频放大器的输出噪声功率的基础上需要增加的信号功率，(N₀+M)在DUT的互调抑制电平测试中一般被视为标准参考输出。然后通过建立目标X参数与输入信号电平之间的映射关系，即可确定出射频放大器的互调抑制电平。具体的实现步骤如下：

步骤一：测量射频放大器的目标X参数。射频放大器是一个典型的二端口网络，因此其所对应的目标参数集列写如下：

其中：

{DCS_q}：表示射频放大器存在有直流偏置的端口处的直流偏置量的集合，下角标q表示端口射频放大器的相应端口号。它们可以是直流偏置电压，也可以是直流偏置电流，具体根据实际的电路工作状态决定。

A_1,1:表示在射频放大器的输入端口处，射频放大器调谐工作频率上对应的入射波波变量，其中端口1记为射频放大器的输入端口，端口2记为射频放大器的输出端口，射频放大器的调谐工作频率记为f_c。该入射波波变量采用有效值复矢量的方式进行描述； |A_1,1|则代表了A_1,1的模值；

波变量：主要涉及两种波变量：入射波波变量与散射波波变量，它们分别记为：

式中A和B分别表示射频放大器特定端口上的入射波波变量和散射波波变量的基本定义，实际应用中常通过引入角标的方式对具体感兴趣的波变量做细化特指描述，比如在后面的应用中用到的B_2,1和B_2,3这两个散射波波变量，其中第1个角标表示射频放大器的端口编号，第2个角标表示相对于射频放大器调谐工作频率的谐波次数。V和I分别表示在该端口处的电压和电流，Z₀指端口的参考阻抗。另外，这里的A、B、V、I均采用复有效值矢量的形式。具体可参见附图1。

步骤二、针对目标X参数获取其散射波波变量：

散射波变量集：

其中：

B₂，₁：当射频放大器的相关端口处的直流偏置以集合{DCS_q}进行配置时，且在端口1处输入“信号频率为f_c、信号强度可以使得在端口2上产生的响应信号中频率为f_c的信号分量的功率达到(N₀+M)”的信号时，端口2上的响应信号中频率为f_c的信号分量所对应的散射波波变量，其中N₀表征射频放大器的输出静噪电平所对应的功率值，M指的是根据射频放大器输出信噪比要求在射频放大器的输出噪声功率的基础上需要增加的信号功率，(N₀+M)用来表示射频放大器的标准参考输出功率；

B_2,3：当射频放大器的相关端口处的直流偏置以集合{DCS_q}进行配置时，且在端口1处输入“信号频率为f_c、信号强度可以使得在端口2上产生的响应信号中频率为f_c的信号分量的功率达到(N₀+M)”的信号时，端口2上的响应信号中频率为3f_c的信号分量所对应的散射波波变量；

P：其具体含义参见下面的表达式：

其中phase(A_1,1)表示当射频放大器的相关端口处的直流偏置以集合{DCS_q}进行配置时，在端口1处输入“信号频率为f_c、信号强度可以使得在端口2上产生的响应信号中频率为f_c的信号分量的功率达到(N₀+M)”的信号进行X参数测量时，这个输入信号波变量相对于测试系统的初始相位值。

步骤三、构建入射波波变量、散射波波变量与信号功率之间的映射关系：

因为：波变量：

进一步，由波变量可以求取得到DUT相应端口处的电压值和电流值：

由于测量射频放大器的互调抑制电平时，在射频放大器的输入端和输出端都采用了阻抗匹配的电路连接方式，所以对于射频放大器的端口1，其端口处的电压和电流值完全由入射波波变量决定，而对于射频放大器的端口2，其端口处的电压电流值完全由散射波波变量决定。

调节射频放大器的输入信号强度，使得射频放大器产生的响应信号中频率为f_c的信号分量的功率达到(N₀+M)：

记录下此时的A_1,1、B_2,1、B_2,3的值，其中“*”表示取共轭；

在最为一般的情况下，非线性电路的输出响应可以展开成输入电压V_i表示的泰勒级数。考虑到当一个单项正弦信号加到一般的非线性网络时，其输入和输出一般用下面的形式来进行描述：

其中，系数a₀、a₁、a₂、a₃…表征了此非线性网络的非线性的内在本质特性，V₀为输入信号电压的幅度值。而表征了射频放大器的非线性特征的这些系数a₀、a₁、a₂、a₃…即可以由前面测量得到的这些X参数计算得到，结合X参数的含义(忽略a₅以后的高次项)，在DUT的输入端口和输出端口阻抗匹配的条件下，可有：

在此基础上可以求得：

在测量射频放大器的互调抑制电平时，由于其输入信号为：

V_i＝V₀(cosω₁t+cosω₂t)，其中：ω₁＝2πf₁,ω₂＝2πf₂

将此V_i带入至上面V_o的泰勒级数展开式，可得3阶互调量如下所示：

或

定义和分别为频率2f₁-f₂和2f₂-f₁的互调产物输出功率，因此有：

定义P_fc为射频放大器在调谐工作频率(f_c)上基于线性增益产生的输出功率，因此有：

由射频放大器3阶截断点的定义，可以求得在3阶截断点处的输入信号电压V_IP：

由

可以求得

定义P₃等于在射频放大器3阶截断点处的线性响应：

所以射频放大器的3阶互调产物或均可以用P_fc以及P₃进行表示：

步骤四、求取射频放大器的互调抑制电平：对于射频放大器这一类DUT，其互调抑制电平的本质就是射频放大器的无寄生动态范围，即“在射频放大器的调谐工作频率上，当射频放大器的互调信号输出功率等于标准参考输出功率(N₀+M)时对应的有用信号在线性增益下的输出功率相对于标准参考输出的比值”：

结合前面的推导，在通过非线性矢量网络分析仪测得X参数进而推导得到相应的端口处的散射波波变量后，互调抑制电平可表示为：

用dB表示为：

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (4)

1.一种基于X参数的射频放大器互调抑制电平的测量方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤1：测量射频放大器的目标X参数；

步骤2：针对目标X参数获取射频放大器散射波波变量；

步骤3：构建入射波波变量、散射波波变量与信号功率之间的映射关系；

步骤4：根据步骤3的映射关求取射频放大器的互调抑制电平；

所述步骤1中，所述目标X参数为一个目标参数集，具体如下：

射频放大器是一个二端口网络，其所对应的目标参数集列写如下：

{DCS_q}：表示射频放大器存在有直流偏置的端口处的直流偏置量的集合，下角标q表示端口射频放大器的相应端口号，它们是直流偏置电压，或是直流偏置电流；

A_1,1:表示在射频放大器的输入端口处，射频放大器调谐工作频率上对应的入射波波变量，其中端口1记为射频放大器的输入端口，端口2记为射频放大器的输出端口，射频放大器的调谐工作频率记为f_c，该入射波波变量采用有效值复矢量的方式进行描述；|A_1,1|则代表了A_1,1的模值；

波变量：涉及两种波变量：入射波波变量与散射波波变量。

2.根据权利要求1所述的基于X参数的射频放大器互调抑制电平的测量方法，其特征在于：所述步骤2中，针对目标X参数获取射频放大器散射波波变量具体如下：

其中：

B_2，1：当射频放大器的相关端口处的直流偏置以集合{DCS_q}进行配置时，且在端口1处输入“信号频率为f_c、信号强度可以使得在端口2上产生的响应信号中频率为f_c的信号分量的功率达到(N₀+M)”的信号时，端口2上的响应信号中频率为f_c的信号分量所对应的散射波波变量，其中N₀表征射频放大器的输出静噪电平所对应的功率值，M指的是根据射频放大器输出信噪比要求在射频放大器的输出噪声功率的基础上需要增加的信号功率，(N₀+M)用来表示射频放大器的标准参考输出功率；f_c为射频放大器的调谐工作频率；B_2,3：当射频放大器的相关端口处的直流偏置以集合{DCS_q}进行配置时，且在端口1处输入“信号频率为f_c、信号强度可以使得在端口2上产生的响应信号中频率为f_c的信号分量的功率达到(N₀+M)”的信号时，端口2上的响应信号中频率为3f_c的信号分量所对应的散射波波变量；

P的表达式：

其中phase(A_1,1)表示当射频放大器的相关端口处的直流偏置以集合{DCS_q}进行配置时，在端口1处输入“信号频率为f_c、信号强度可以使得在端口2上产生的响应信号中频率为f_c的信号分量的功率达到(N₀+M)”的信号进行X参数测量时，这个输入信号波变量相对于测试系统的初始相位值。

3.根据权利要求2所述的基于X参数的射频放大器互调抑制电平的测量方法，其特征在于：所述步骤3中，构建入射波波变量、散射波波变量与信号功率之间的映射关系具体如下：

(1)调节频率为f_c的输入信号的强度使射频放大器的输出信号里频率为f_c的信号分量对应的功率达到标准参考输出功率(N₀+M)，记录下此时“端口1处频率为f_c的输入信号对应的入射波波变量A_1,1”和“端口2处频率分别为f_c和3f_c的输出信号分量对应的散射波波变量B_2,1、B_2,3”；

(2)由入射波波变量和散射波波变量计算表示射频放大器非线性输出响应的泰勒级数展开式中的系数a₁和a₃，

(3)利用上面求得的a₁和a₃计算在射频放大器3阶截断点处的线性响应P₃：

从而得到入射波波变量、散射波波变量与信号功率之间的映射关系。

4.根据权利要求3所述的基于X参数的射频放大器互调抑制电平的测量方法，其特征在于：所述步骤4中，根据映射关求取射频放大器的互调抑制电平过程如下：

在射频放大器的3阶互调输出产物的功率或为(N₀+M)时，进行射频放大器的互调抑制电平的计算：