功率放大器非线性对通信系统宽带干扰影响的计算方法

摘要

本发明公开了一种功率放大器非线性对通信系统宽带干扰影响的计算方法，包括以下步骤：1)建立功率放大器的仿真模型，对功率放大器的仿真模型进行直流分析，得到功率放大器在不同工作状态下的一组特性曲线图；2)采用时域瞬时仿真分析法对功率放大器模型在激励信号作用下的非线性放大状态进行仿真，并对仿真结果进行傅里叶变换，生成功率放大器模型在非线性失真状态下的宽带干扰的功率谱；3)根据功率放大器模型在非线性失真状态下的宽带干扰的功率谱，分析宽带干扰对同一平台中其他通信系统的影响。本发明提出了功率放大器由于工作在非线性状态而产生的宽带干扰对平台中接收系统的影响的计算方法，实现了双工系统的干扰耦合计算。

说明书

技术领域

本发明涉及一种通信系统间电磁兼容的测试方法，更具体地说，涉及一种功率放大器非线性对通信系统宽带干扰影响的计算方法。

背景技术

在有敏感接收设备构成的通信环境中，各通信系统之间的电磁兼容性至关重要。功率放大器在远距离无线通信中被广泛使用。为了获得较大的功率输出信号，功率放大器经常工作在接近饱和区处，进而产生非线性失真。功率放大器非线性失真的主要产物是主频高次谐波、互调失真、交调失真和宽带杂散。其中宽带杂散会在非常宽的一个频带内造成干扰，大大降低了通信系统的接收能力，甚至堵塞了整个系统的射频前端。但由于功率放大器非线性模型的复杂性，射频功放的宽带干扰一直没有引起注意，尤其是对同一通信系统中的接收系统的干扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种功率放大器非线性对通信系统宽带干扰影响的计算方法，以分析功率放大器由于工作在非线性状态而产生的宽带干扰对平台中接收系统的影响。

为实现上述目的，本发明的功率放大器非线性对通信系统宽带干扰影响的计算方法包括以下步骤：

1、建立功率放大器的仿真模型，对功率放大器的仿真模型进行直流分析，得到功率放大器在不同工作状态下的一组特性曲线图；

2、采用时域瞬时仿真分析法对功率放大器模型在激励信号作用下的非线性放大状态进行仿真，并对仿真结果进行傅里叶变换，生成功率放大器模型在非线性失真状态下的宽带干扰的功率谱；

3、根据功率放大器模型在非线性失真状态下的宽带干扰的功率谱，分析宽带干扰对同一平台中其他通信系统的影响：发射系统中功率放大器对接收系统的非线性宽带干扰的作用距离计算公式如下：

$d=\sqrt{\frac{P_M·\mathrm{GS}}{P_{N_o}·{\mathrm{SNR}}_{L}4\pi }}$

其中，P_M为与本通信系统进行通信的另一通信平台中的发射天线所能辐射的最大功率，G为天线增益，S为接收天线的等效接收面积，为接收系统的输入功率，SNR_L为接收系统的信噪比。

接收系统的输入功率的计算公式如下：

$P_{N_o}=N_{o}B/I$

其中，N_o为功率放大器非线性宽带干扰的功率谱密度，B为接收系统的带宽，I为发射天线与接收天线间的隔离度，该数值可通过隔离度测试获得。

本发明所述功率放大器的仿真模型可采用ADS电路分析软件构建。首先从ADS模型库中选择非线性放大器模型，并输入功率放大器的工作频率、工作电压、输出功率、增益范围、工作效率和互调失真比参数，得到功率放大器的仿真模型，再从ADS仿真库中选择直流仿真器对功率放大器的仿真模型进行直流分析，得到功率放大器在不同工作状态下的一组特性曲线图。

本发明提供的功率放大器非线性对通信系统宽带干扰影响的计算方法具有以下优点：

1、给出了功率放大器非线性工作的宽带干扰对平台中接收系统的影响的计算方法，在明确放大器的工作参数和工作状态的条件下，实现了双工系统的干扰耦合计算，并给出了最大通信距离的计算方法。

2、给出了射频放大器带外功率的频谱分布、并结合天线系数可以推出系统对周围环境频谱的干扰影响。

3、通过构建功率放大器的仿真模型，可以快速分析整个使用频谱的干扰分布特征，克服了以前采用解析计算、计算量大、计算时间长的难题。

附图说明

图1为本发明的同一通信平台中两通信系统间的信号传输示意图。

图2为本发明提供的功率放大器非线性对通信系统宽带干扰影响的计算方法的流程图。

图3为晶体管仿真输出的一组特性曲线图。

图4为功率放大器非线性宽带干扰的功率谱密度图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明所述通信平台如图1所示，非线性发射系统I和线性接收系统II工作在同一通信平台。非线性发射系统I中的射频功率放大器由于工作在非线性状态而产生宽带干扰，其发射的正常信号和宽带干扰经过阻抗匹配网络，由发射天线辐射到自由空间；线性接收系统II中的接收天线获取到上述信息，经过阻抗匹配网络传递给射频接收器。由于宽带干扰伴随着正常信号同时到达线性接收系统II，从而影响到接收系统的通信灵敏度以及发射系统I与接收系统II间的通信距离。

本发明提供的功率放大器非线性对通信系统宽带干扰影响的计算方法首先对非线性发射系统I中的射频功率放大器进行建模仿真，然后通过时域瞬时仿真器和傅里叶变换模拟输出功率放大器模型在非线性失真状态下的宽带干扰的功率谱，再进一步分析功率放大器的宽带干扰对通信平台中接收系统II的影响，如图2所示，本发明包括以下步骤：

(1)建立功率放大器的仿真模型。

采用ADS软件(advanced design system，美国安捷伦(Agilent)公司生产的电子设计自动化软件)，建立功率放大器的仿真模型，并通过对仿真模型进行直流分析，模拟功率放大器在不同工作状态下的输出结果，再结合放大器的基电极工作电流和1dB功率压缩点确定放大器的非线性特性。

构建仿真模型步骤如下：

首先，获取功率放大器的工作电流值、1db压缩点输出功率、工作频率、工作电压、输出功率、增益范围、工作效率和互调失真比。上述参数可通过功率放大器的技术手册等查阅。所述工作电流值反映了放大器的静态工作点的情况，1dB压缩点功率电平反映了放大器的非线性特性。

本实施例采用了一个大功率晶体管进行模型建立和仿真，该晶体管在2.0-30MHz的范围内为线性放大器，其工作电流值为2.7A、1db压缩点输出功率为20dBm、工作电压为20V、输出功率为150W、最小增益为10dB、效率为40％、互调失真为-30dB。

其次，构建功率放大器的仿真模型。从ADS模型库中选择非线性放大器模型，并输入功率放大器的工作频率、工作电压、输出功率、增益范围、工作效率和互调失真比参数，得到功率放大器的仿真模型。再从ADS仿真库中选择直流仿真器对功率放大器的仿真模型进行直流分析，得到功率放大器在不同工作状态下的一组特性曲线图。根据放大器的基电极工作电流和1dB功率压缩点从上述特性曲线图中找到满足放大器实际工作状态的唯一一条特性曲线，以确定放大器的静态工作状态点。

然后，为功率放大器仿真模型设置相应的直流电压偏置，即设置集电极和发射极间的电压，电压大小为静态工作状态点所对应的电压值，从而确定放大器的非线性特性。

本实施例采用的大功率晶体管仿真输出的一组特性曲线图如图3所示。

(2)分析功率放大器非线性宽带干扰的功率谱。

首先从ADS模型库中选取激励源，为功率放大器仿真模型添加激励信号。添加激励信号时需设置信号频率、信号幅值两个参数，所述信号频率为功率放大器实际所需放大信号的频率值，信号幅度为该信号的幅值，本实施例中信号频率设置为2MHz，信号幅度为1V。

然后从ADS模型库中选择时域瞬时仿真器，并将功率放大器模型和激励源添加到时域瞬时仿真器中，以便对功率放大器模型在激励信号作用下的非线性放大状态进行仿真；之后再对上述仿真结果进行傅里叶变换，生成放大器模型在非线性失真状态下的宽带干扰。本实施例中功率放大器非线性宽带干扰的功率谱密度图如图4所示，横坐标为放大器的工作频率，纵坐标为功率谱密度。选择时域瞬时仿真器时还需要设置以下参数：开始时间、结束时间、时间步长。开始时间、结束时间分别为对功率放大器模型在激励信号作用下的非线性放大状态进行仿真的起始时间和结束时间，结束时间与开始时间之间的差值超过300ns，输出的功率谱密度图几乎没有任何改变。时间步长即提取一次信号的周期。在本实施例中开始时间为0，结束时间为500ns，时间步长为1ns。

(3)根据功率放大器模型在非线性失真状态下的宽带干扰的功率谱，分析宽带干扰对同一平台中其他通信系统的影响。

工作在与发射系统同一通信平台中的接收系统，由于受到发射系统中功率放大器非线性的影响，在接收系统信噪比和灵敏度一定的情况下，发射系统中功率放大器对接收系统的非线性宽带干扰的作用距离计算公式如下：

$d=\sqrt{\frac{P_M·\mathrm{GS}}{P_{N_o}·{\mathrm{SNR}}_{L}4\pi }}---\left(1\right)$

其中，P_M为与本通信系统进行通信的另一通信平台中的发射天线所能辐射的最大功率，G为天线增益，S为接收天线的等效接收面积，为接收系统的输入功率，SNR_L为接收系统的信噪比。

接收系统的输入功率的计算公式如下：

$P_{N_o}=N_{o}B/I---\left(2\right)$

其中，N_o为功率放大器非线性宽带干扰的功率谱密度，B为接收系统的带宽，I为发射天线与接收天线间的隔离度，该数值可通过隔离度测试获得。

本实施例中，发射天线为全向天线，接收天线的等效接收面积S为1m²、增益G为17dB、接收系统的最小信噪比SNR_L为10dB、发射天线与接收天线间的隔离度I为33dB，接收系统的带宽B为10kHz。以图4中放大器工作频率为1.5MHz处的干扰为例。此时的非线性干扰的功率谱密度N_o为-28.6dBm/Hz，接收系统的输入功率为放大器对接收系统的非线性宽带干扰的最大作用距离为