射频微波网络非线性测量理论与技术分析

方瑾

摘  要：射频微波网络非线性测量工作是一项系统化、复杂化的工作，在具体实施操作的时候需要处理多个方面的问题。文章着重以超越S参数的大信号网络分析技术为基本研究对象，就基于大信号网络分析测量技术的放大器频谱增生理论和技术应用问题进行探究。

关键词：射频网络非线性测量技术;大信号网络分析测量技术;包络域;仿真分析

中图分类号：TN61          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）15-0158-02

Abstract： The nonlinear measurement of RF microwave network is a systematic and complicated work， and many problems need to be dealt with in the implementation of the operation. This paper focuses on the large signal network analysis technology beyond parameter S as the basic research object， and probes into the theory and technical application of amplifier spectrum increment based on large signal network analysis and measurement technology.

Keywords： RF network nonlinear measurement technology; large signal network analysis measurement technology; envelope domain; simulation analysis

基于S参数的小信号分析理论和设备的开发完善使得射频微波电子产业发生了深刻的变化，人们认为S参数理论是解决各种射频问题的重要工具。多数工程师在进行工程分析的时候也是依靠这种线性框架理论。但是在低功率、高宽带的持续使用下将新出现的器件推到超过他们线性范围边缘的一种非线性工作领域，在分析的过程中关于线性的感觉往往是错误的。为了能够帮助人们提升对线性理解的准确率，文章着重就基于S参数大信号射频微波技术的发展和应用问题进行分析。

1 射频网络非线性测量技术

1.1 技术原理

在数字通信过程中，一切信号的标识都是通过数字来实现的。人们在通信过程中发送和接收的各个信号都会通过数字的形式展现出来，这种信号的形式一般都是射频脉冲。射频脉冲是对某一频率的射频信号使用开关进行控制，间隔进行发射形成的电信号。和发送到连续波相比，射频脉冲信号具备自身独一无二的优势特点，这种特点具体表现在以下两个方面：第一，射频脉冲信号在经过检测之后所传递的信号信息往往会在一定程度上出现变化，信号的这种变化情况会通过波峰因子的形式展现出来。波峰因子的出现不仅会直接影响到信息通信的bit数值指标，而且还会让射频器件在强烈信号的作用下出现出非线性的运行工作状态。第二，脉冲射频信号包络是调制信号时间数轴和射频基波、多次谐波时间轴两个维度时间变量的函数。

对包络域的概念作出如下的解释：包络是由许多椭圆形曲线交织而成的一种图形，包络阈在使用的过程中假设一个基本性的载波基础形式是1GHz，在使用的时候整个域值范围会随着信号的强弱发生不同程度的变化，在这里为了方便统计将谐波的调制信号设定为10kHz。信号的频率谱如图1所示。信号的频率集合被称作是双频率栅。被调的信号频率谱出现了多个频率分量，这些频率分量会出现在载波基础波和多次谐波的两边。在实际的工程中，围绕基础波和各个谐波出现的频率分量能够被限制在有限的频带内部。在双频率栅谱图中，每一个频率都可以应用整合集合整数表现。

1.2 技术实现

射频网络非线性测量技术包含四个信道数据系统组成，在用户定义频率栅格上能够为其提供标准的校准数值。为了能够更好地了解这项技术的应用特点，在技术应用的过程中辅助添加一些硬件，通过硬件的加入更好的测量偏置位置上的电路特点。

（1）技术实现的硬件

在正常的工作状态下， 被检测的试验件会和检测装置连接在一起，测试装置系统经常被人们用来区分各个端口的反射波和入射波，同时还能够将接收的信号经过处理加工之后发送到谐波电路的测试位置上。

在硬件中一般会根据需要使用偏置接头试验件，但是在具体实施操作的时候面临操作困难的问题，为了能够解决这个问题会在被测试的装置中额外添加简化版本的切换性能。在装置检测的时候为了能够有效节省资源、能源，减少损耗的产生，在被测试件和测试端口还会额外插入谐波电路。在全面了解谐波电路基本性能的时候，进行较大信号信息处理的时候还可以在被测试装置和下变频器之间添加一些信号调节硬件，比如增益衰减器，通过器件的添加使大信号网络分析仪始终处于线形区域。

（2）技术的校准

LSNA具备线性运作的基本特点，但是在实际操作的过程中由于系统中加入了幅度和相位失真，使得从模拟数字变换器获得的原始量不是在DOT端口上。假设分析仪本身的线性特点，在原始测量量和DUT之间的线性关系，通过必要的校准能够有效解决这个问题。LSNA的校准比网络矢量仪的校准复杂，但是在校准完成之后能够和实际应用情况相对应。但是在校准的时候需要密切关注绝对量，在校准的时候需要额外附加标准。

1.3 技术实现和现有方式的比较

第一，矢量网络分析仪。矢量网络分析儀和LSNA的基本线性参数不同，所适合应用的网络环境也是不同的。大信号网络分析仪能够测量S参数，在具体实施操作的时候为了能够更好地测量和分析S参数。大信号网络分析仪的宽带需要适当的进行信号处理，通过对信号的处理来获得和窄带矢量网络分析仪相同的动态范围。第二，频谱分析仪。频谱分析仪器设备和一般性的网络信号分析仪器设备相区别，在具体使用的时候不仅能够测量已经匹配完成环境下的测试器件使用和输出情况，而且还能够对信号的传递和使用情况进行检查。第三，微波瞬态分析仪。微波瞬态分析仪是一种双通道信号分析仪，相位失真在分析仪应用的过程中起着十分重要的作用，为了能够提升校准的精准性需要在其中添加一个硬件。

2 大信号网络分析测量技术（超越S参数的射频网络大信号非线性分析测试技术）

受现代无线通信技术复杂调制方法和使用过程中的低成本和高功率要求，使其在非线性领域器件的加工制作中得到了广泛的应用。现阶段很多测量方式都是被应用在表征非线性器件特征，使用存在缺陷。大信号网络分析技术的应用能够在真实的RF环境下表征网络特点，获取重要信息。大信号网络分析技术强调将射频微波网络放置在一个真实的电器工作环境下进行分析，提出了一种分析射频微波网络的新概念，该技术由测量方案和射频网络非线性建模两部分组成。

3 射频功率放大器频谱增生理论的分析

3.1 包络域的分析

射频微波网络在大信号的作用下网络系统中的电子器件会处于一种非线性工作的状态。从实际使用情况来看，包络的一系列变化都是由网络中电子器件的非线性特点决定的。为此，通过研究射频已调信号包络变化能够在一定程度上推断出电子器件的一种非线性特点。包络域在射频微波网络分析工作中起到了十分重要的作用。

3.2 功率放大器非线性的测试分析

射频功率放大器是整个射频微波网络系统中重要的部件，非线性特点直接影响射频网络微波系统的信号质量。功率放大器模型打造方式包含谐波分析方式、幂函数分析方式。在具体实施操作的时候如果出现了数据信息失真现象，则可以应用幂函数的形式来表现信号的输出情况。线路的输出和调控会呈现出非线性的表现特点，集中在饱和状态、谐波状态，在出现这些现象之后基础谐波也会发生波动。在微波系统中，如果谐波距离信号频率较远，在使用的时候很容易被谐波干扰，因此需要使用滤波器将这种干扰信号降低。

3.3 双频音测试

先对射频微波网络系统开展仿真性分析，在分析的过程中选择包络域的方式来处理各个软件系统，帮助相关人员能够更为全面的了解整个射频微波网络系统的非线性运作。文章所开展的双频音测试依托ADS2003A平台。ADS2003A平台的仿真系统拥有能够反馈场效的放大器，输出在ADS2003A平台内部能够和50欧匹配，仿真分析过程中ADS2003A平台输出的頻率分别为1895MHz和1905MHz，频率之间的间隔为10MHz。

在对ADS2003A平台输出信号的频谱仿真结果分析之后发现，在ADS2003A平台基波、高次谐波的周围出现了一些互调失真的现象。在ADS2003A平台系统上虽然设置了RF信号源来提供双频音，但是在具体测试操作的时候ADS2003A平台后输入频谱仍然难以输出有效的信号信息，ADS2003A平台二次谐波和三次谐波的能量在一时间范围内快速增加。在经过包络域的分析之后确定出二维形式的波形，但是这个波形展示的内容和实际设计之间存在偏差，且在发生偏差之前就出现了多次载波振荡。为了能够更好的解释时域数据信息，调制时间常数和载波时间常数的比率以人为的形式来削减。

4 结束语

综上所述，现代通信领域应用中复杂调制方法的流传对效率和成本要求较高，由此使得如何处理非线性领域的器件使用成为相关人员需要思考和解决的问题。文章在介绍射频网络非线性测量技术及其关联理论的基础上，对大信号状态下的射频微波网络失真情况进行了分析，并从包络域分析法的基本概念出发对双频音信号激励下的工作特点进行了定量分析，为大信号网络分析和非线性测量的深入研究提供了良好的基础支持。

参考文献：

[1]林茂六，许洪光.射频微波网络非线性测量理论与技术的新进展[C]//中国电子学会第七届学术年会论文集，2001.

[2]丁小舰.调制信号激励下射频网络非线性的分析和仿真研究[D].哈尔滨工业大学，2006.

[3]张亦弛.宽带非线性矢量网络分析仪测量理论与技术研究[D].哈尔滨工业大学，2013.

[4]林茂六.射频微波功放器件非线性记忆效应测量与行为建模技术的新进展[J].电子测量与仪器学报，2014（02）：7-16.