空间行波管非线性失真抑制理论及实验研究

摘要

空间行波管是各类应用卫星中的核心部件，其自身非线性特性造成的交调(IM)失真分量会严重地限制行波管的基波能量，降低行波管的增益，进而影响整个系统的性能。通过注入适当幅度和相位的信号，来抑制空间行波管非线性失真是最具研究价值的方法之一，本文首先对行波管非线性特性的物理原理进行理论研究，通过计算机仿真和实验测量的方法，从多个角度全面地分析了行波管的非线性特性。然后，从理论分析、计算机仿真、实验验证三个方面，对抑制空间行波管三阶交调分量的信号注入技术进行系统地研究，并将抑制结果进行对比分析。此外，还通过仿真方法进一步研究了混合信号和双三阶交调注入技术对IM3的抑制效果，以及谐波和三阶交调注入技术对于五阶交调失真分量的抑制情况。
　　 具体研究内容和创新工作如下：
　　 (1)行波管非线性特性物理原理的理论研究。根据反映器件基本物理性能的行波管模型MUSE数学表达式，从数学理论角度全面地分析了信号注入分量和行波管非线性分量在行波管轴向产生相消干扰从而抑制非线性失真的过程。
　　 (2)幅度和相位失真的仿真和实验测量。从理论分析、计算机仿真及实验测量三个方面，研究幅度失真和相位失真的生成机理，以及其对于空间行波管整体性能的具体影响。
　　 (3)行波管非线性特性的仿真研究。利用软件LMSuitev0．92对单音频和双音频两种模式下的行波管非线性特性，即增长速率、基频间距和空间波谱演化等，进行计算机仿真研究。通过观测基波初始功率和频率的改变对行波管输出性能的影响，能获得使行波管放大性能得以提升的基波参量。
　　 (4)抑制三阶交调失真的信号注入法研究。先进行计算机仿真，然后通过实验平台分别测量谐波和三阶交调信号注入技术对空间行波管IM3的抑制情况，实验结果表明：三阶交调注入技术能够得到25．2dB的IM3最大抑制量，明显大于谐波注入技术的12．7dB，两者对三阶交调失真分量的抑制效果都很良好，且IM3注入技术对实验条件的要求较低，显然，对于窄带空间行波管而言三阶交调注入技术更具优势。此外，利用仿真方法证明了双三阶交调信号注入对较高的和较低的IM3可以产生同步最佳抑制效果，在两个IM3频率处分别产生46dB和53dB的最佳抑制量，且混合信号注入技术(谐波和三阶交调信号)也能对IM3最大抑制36．9dB，效果明显。
　　 (5)抑制五阶交调失真的信号注入技术研究。采用计算机仿真法研究了谐波和IM3信号注入技术对于更高阶的非线性失真分量一五阶交调分量(IM5)的抑制效果，结果表明：注入谐波和IM3信号可以对相应的IM5分别产生18．3dB和31．6dB的最大抑制量，效果良好。