射頻微波網(wǎng)絡(luò)非線性測(cè)量技術(shù)探討

鄭欣超

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

隨著理論的逐漸成熟，射頻通訊網(wǎng)絡(luò)微波半導(dǎo)體電子產(chǎn)業(yè)發(fā)生了巨大變革。對(duì)于S 參數(shù)理論的研究被認(rèn)為是解決射頻問題的萬能鑰匙，但基于線性理論的許多技術(shù)僅僅滿足于線性半導(dǎo)體器件的測(cè)量，對(duì)非線性問題處理比較隨意。但低功率、超寬帶的應(yīng)用場(chǎng)景把半導(dǎo)體器件的工作區(qū)域推導(dǎo)到超出線性區(qū)域從而進(jìn)入非線性工作區(qū)域。非線性工程設(shè)計(jì)出現(xiàn)的問題，設(shè)計(jì)師往往僅留下仿真結(jié)果或1db 壓縮類的少許參數(shù)。小功率信號(hào)分析與測(cè)量數(shù)據(jù)難以描述半導(dǎo)體器件的通用特性。高科技半導(dǎo)體技術(shù)市場(chǎng)的需求加速微波通信產(chǎn)品的更新，超越S 參數(shù)射頻微波網(wǎng)絡(luò)非線性分析理論成為信息電子系統(tǒng)領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。

1 射頻網(wǎng)絡(luò)非線性測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介

數(shù)字通信中信號(hào)標(biāo)識(shí)通過數(shù)字得以實(shí)現(xiàn)，人們?cè)谕ㄐ胖惺瞻l(fā)信號(hào)通過數(shù)字的形式展現(xiàn)，射頻脈沖是通過對(duì)射頻信號(hào)使用某種調(diào)制開關(guān)進(jìn)行控制來得以實(shí)現(xiàn)，射頻脈沖信號(hào)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)在經(jīng)過檢測(cè)后傳遞的信號(hào)信息出現(xiàn)變化，通過波峰因子形式展現(xiàn)。波峰因子會(huì)影響信息通信bit 數(shù)值指標(biāo)，使射頻器件出現(xiàn)非線性工作狀態(tài)。脈沖射頻信號(hào)包絡(luò)是調(diào)制多次諧波時(shí)間軸維度以及時(shí)間變量的函數(shù)。

通常被測(cè)實(shí)驗(yàn)件與測(cè)試裝置連接，測(cè)試裝置常用于區(qū)分各端口反射波與入射波，將接收信號(hào)經(jīng)處理加工后發(fā)送至諧波電路測(cè)試位置。測(cè)試裝置根據(jù)需要使用偏置接頭連接實(shí)驗(yàn)件，為解決操作中的問題會(huì)在測(cè)試裝置中添加簡(jiǎn)化版本切換功能，為節(jié)省資源，在測(cè)試裝置中插入諧波電路，操作中系統(tǒng)加入幅度，校準(zhǔn)時(shí)需要關(guān)注絕對(duì)量[1]。

隨著大功率信號(hào)射頻通訊微波半導(dǎo)體器件的推廣應(yīng)用，傳統(tǒng)基于小功率信號(hào)S 參數(shù)線性分析理論系統(tǒng)無法支持大功率信號(hào)超寬帶等射頻通信微波半導(dǎo)體電子產(chǎn)品的加速研發(fā)，基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析測(cè)量的參數(shù)化非線性建模仿真技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

LSAN 是基于射頻通訊數(shù)據(jù)采樣下頻率變換技術(shù)的大功率信號(hào)非線性網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)，是目前發(fā)展較為成熟的非線性矢量網(wǎng)絡(luò)測(cè)量方案。

未來研究需要完善非線性網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)X 參數(shù)設(shè)計(jì)模型方法，基于NVNA 的基帶數(shù)字通訊信息硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方案需要得到關(guān)注。非線性網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)X 參數(shù)設(shè)計(jì)模型方法理論的完善是X 參數(shù)理論的研究重點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外完成終端網(wǎng)絡(luò)匹配負(fù)載下動(dòng)態(tài)X 參數(shù)模型方法記憶內(nèi)核的提取，對(duì)不同電平下X 參數(shù)設(shè)計(jì)模型的測(cè)量數(shù)據(jù)方法確定有待研究。

2 線性與非線性測(cè)量的區(qū)別

研究用簡(jiǎn)單穩(wěn)態(tài)線性系統(tǒng)與非系統(tǒng)NL 比較，系統(tǒng)采用單頻信號(hào)α(t)=Acos(ω0t)激勵(lì)，b(t)=L[Acos(ω0t)]=S11Acos(ω0t)。相對(duì)值b(t)|α(t)=S11，信息數(shù)據(jù)可確定L 對(duì)任意信號(hào)激勵(lì)頻率的響應(yīng)。史密斯圓圖能對(duì)線性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行完整的描述。b(t)=NL[Acos(ω0t)]=[S11Acos(ω0t)]+SNL{Acos(ω0t)}3。NL 與L 相比影響輸出頻譜，基波頻率出現(xiàn)于功率信號(hào)幅度有關(guān)偏移量0.75SNLA3（如圖1）。

圖1 線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)的區(qū)別

要辨識(shí)NL 出現(xiàn)的頻率成分，必須深刻理解能量轉(zhuǎn)換頻率的機(jī)理，線性系統(tǒng)可以解決模型化問題，但射頻通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)線性化分析與大功率信號(hào)非線性化分析在許多關(guān)鍵理論概念上存在差異。入射波與出射波相對(duì)值的線性關(guān)系可表征為系統(tǒng)特征，測(cè)量則需要測(cè)量波形的比值，傳統(tǒng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為測(cè)量相對(duì)量設(shè)計(jì)制造，線性化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)重疊原理使人們重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)任意輸入功率信號(hào)的響應(yīng)，在不同頻率測(cè)量半導(dǎo)體器件對(duì)單一正弦波形響應(yīng)儀器可完整表征射頻通訊線性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[2]。射頻通訊非線性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測(cè)量要求獲取入射微波信號(hào)與反射微波信號(hào)之間的信息。在純單個(gè)頻率響應(yīng)激勵(lì)下，非線性DUT 輸出波包含不同頻點(diǎn)質(zhì)量，功率激勵(lì)信號(hào)在時(shí)間域中形狀由各頻率譜線的幅度決定，所以需重視在射頻通訊非線性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分析中激勵(lì)信號(hào)頻率譜線的相位影響（如圖2）。

圖2 非線性系統(tǒng)特性

3 射頻功率放大器頻譜增生理論分析

近年來，相關(guān)人員在波士頓舉辦專題研討會(huì)，對(duì)射頻網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行研討。原HP 公司電子測(cè)量事業(yè)部設(shè)在布魯塞爾大學(xué)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量分布，近年來從事射頻通訊微波網(wǎng)絡(luò)大功率信號(hào)非線性網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量技術(shù)研究取得了顯著成果[3]。

受現(xiàn)代無線微波網(wǎng)絡(luò)射頻通信技術(shù)復(fù)雜調(diào)試測(cè)試方法的影響，射頻微波網(wǎng)絡(luò)大信號(hào)非線性測(cè)量技術(shù)在微波通訊非線性網(wǎng)絡(luò)半導(dǎo)體器件加工制作中得到了廣泛的應(yīng)用，很多測(cè)量方式被應(yīng)用于表達(dá)微波網(wǎng)絡(luò)非線性半導(dǎo)體器件的特征。

大功率信號(hào)微波通訊射頻網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)應(yīng)用能夠獲取許多重要的信息，強(qiáng)調(diào)將射頻通訊微波網(wǎng)絡(luò)技術(shù)放在真實(shí)電氣應(yīng)用環(huán)境中分析，并通過測(cè)量方案與射頻通訊網(wǎng)絡(luò)非線性仿真建模組成。射頻通訊網(wǎng)絡(luò)功放器件的頻譜響應(yīng)增生理論包括雙頻音測(cè)試、包絡(luò)域與功率放大器非線性測(cè)試。射頻通訊微波網(wǎng)絡(luò)在大功率信號(hào)下半導(dǎo)體電子器件工作在非線性狀態(tài)，射頻信號(hào)包絡(luò)變化由半導(dǎo)體電子器件的非線性特點(diǎn)決定，研究射頻調(diào)制信號(hào)包絡(luò)能推斷半導(dǎo)體電子器件的非線性工作特點(diǎn)（如圖3）。

圖3 射頻功率放大器原理

射頻通訊網(wǎng)絡(luò)微波功率放大器件是射頻通訊微波網(wǎng)絡(luò)的重要組成部件，功放器件的仿真模型的建模方式包含冪函數(shù)分析方式，如出現(xiàn)數(shù)據(jù)信息失真線性，可以應(yīng)用冪函數(shù)模型表征輸入激勵(lì)的輸出情況。集中飽和狀態(tài)，基礎(chǔ)諧波發(fā)生波動(dòng)，諧波距離信號(hào)射頻較遠(yuǎn)容易被干擾，需使用濾波器降低干擾信號(hào)。先對(duì)射頻微波網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真分析，選擇網(wǎng)絡(luò)域方式處理軟件系統(tǒng)，開展雙頻譜測(cè)試，使用ADS2009 平臺(tái)，擁有反饋場(chǎng)放大器，通過對(duì)射頻網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)的頻譜仿真模型結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)載波周圍出現(xiàn)三階交調(diào)失真現(xiàn)象[4]，平臺(tái)二次諧波能量快速增加，波形展示內(nèi)容與設(shè)計(jì)存在偏差，可通過調(diào)制時(shí)間域函數(shù)比率與人為的形式來削減幅度偏差。

4 結(jié)語

綜上所述，使用調(diào)制解調(diào)方式在現(xiàn)代射頻通信微波領(lǐng)域應(yīng)用難度較大。非線性網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)比較復(fù)雜，表現(xiàn)為用非線性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的儀器設(shè)備需同時(shí)進(jìn)行多頻譜矢量網(wǎng)絡(luò)測(cè)量分析，且大功率信號(hào)射頻網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)把射頻微波網(wǎng)絡(luò)放在真實(shí)工作狀態(tài)下，脈沖調(diào)制微波連續(xù)射頻信號(hào)激勵(lì)的非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)是射頻通訊微波測(cè)量技術(shù)的突破。通過對(duì)雙頻譜信號(hào)激勵(lì)工作特點(diǎn)的定量分析，為射頻通訊非線性網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)研究提供了基礎(chǔ)。