多端口放大器隔离性能的精确建模与分析

抽象的

多端口放大器(MPA)是卫星功率放大部分的一种实现，允许在几个波束/端口之间共享有效载荷射频功率，并确保有效利用直流卫星功率。这一特性在多波束卫星系统中非常重要，在多波束卫星系统中，MPAs的使用允许在不同的服务波束之间重新配置射频输出功率，以处理意外的流量不平衡和流量随时间变化。本文介绍了利用在Matlab环境下开发的ESA内部模拟器进行蒙特卡罗仿真的方法。仿真的目的是分析MPA性能，特别是在MPA输出端口的隔离方面，如何受到MPA内大功率放大器的幅度和相位跟踪误差的影响。

1.介绍

卫星有效载荷的电信需要保证增加的柔韧性/可重配置，以优化其对于不同的操作条件下，其可以在卫星寿命期间出现的性能。这种灵活性的要求，主要是由于大量的各种服务来提供和这样的服务可能使命一生中的流量请求的不确定性。特别是，主要有效载荷的设计目标之一是有效地结合覆盖范围，功率和带宽的灵活性，同时降低总体DC功耗和质量，在为运营商具有吸引力的成本。中上述，在多波束卫星系统的情况下，最重要的有效载荷的灵活性的方法之一是重新配置不同的服务之间的RF输出功率的能力，以便随着时间的推移处理突发流量不平衡和流量变化波束。在这方面，在有效载荷RF-前端级，若干实现可以考虑，根据集成的功率放大部分和所述束形成部之间的类型。特别地，考虑到自立式功率部分，即保证的RF功率的灵活性的最高水平的解决方案是基于多端口放大器（海洋保护）1］.一般来说，多端口放大器是功率放大部分的实现，允许在几个波束/端口之间共享有效负载射频功率，并确保高效利用可用的直流卫星功率[2］.

本文介绍了利用在Matlab环境下开发的ESA内部模拟器进行蒙特卡罗仿真的方法。仿真的目的是分析MPA性能，特别是在MPA输出端口的隔离方面，如何受到MPA内大功率放大器的幅度和相位跟踪误差的影响。

2.多端口放大器(MPA)

多端口放大器依靠一堆功率放大器对信号进行并行放大，从而保证输出端口之间的功率共享。多个输入信号通过输入多端口网络(INET)进行转换，并呈现给堆栈放大器(hpa)，通常是行波管放大器(TWTAs)。信号一旦被放大，就会被输出多端口网络(ONET)重新组合[1］.

如图所示1，在理想情况下，应用于MPA单个输入端口的信号通过INET进行功率分割和相移，以便它可以被所有的hpa放大，然后由ONET适当地重新组合成单个输出端口。然而，在实际情况下，由于硬件缺陷、热条件的变化和老化，hpa的特性可能彼此不同。结果，幅度和相位误差发生，这反过来，导致功率泄漏在不必要的输出端口。这种功率泄漏被控制，以避免通信链路的显著性能退化。本文分析采用的参考MPA是基于Egami/Kawai定义的具有输入/输出多端口网络的8 × 8 MPA [3.］.INET/ONET的这种配置在减少硬件方面特别有效;它不同于巴特勒矩阵配置[4实际上，网络中的中间移相器是完全避免的。作为参考，INET/ONET网络的相位和幅值矩阵关系如下: 给出了复杂输入多端口网络的总体结构 和整个复杂的输出多端口网络，，可以等价于(3.)．

运营商 ”“在(3.)为Hadamard元素矩阵积;的在(2）表示8×8矩阵的所有元素等于1通过与指示对角矩阵，其元素是的等效复增益在放大器中，可以确定矢量MPA输出信号作为输入向量的函数：

在理想情况下，是（在哪里是理想的放大器的增益和是单位矩阵），由于，（4)可以简化为: 因此，如果一个信号被施加在MPA的输入端口1，其放大副本将出现在输出端口8 ()，如图所示1．

3.MPA隔离性能分析

对于图中所示的MPA架构2，时域仿真已经执行采用的信号的基带复数表示。用于隔离的评价中，一个单一的连续波（CW）音调已经施加到端口1的典型LTWTA AM / AM和AM / PM特性已在模拟被考虑。The working point of the HPAs has been set to 1.7 dB output back off (OBO), corresponding to about 4 dB input back off (IBO). Since the HPAs characteristics may differ from each other due to hardware imperfections, variation of thermal conditions, and aging, amplitude and phase mismatches/errors have been considered among the HPAs in order to assess the “leakage” of power in the unwanted output ports. As an initial assumption, for the sake of simplicity, amplitude and phase errors have been considered as Gaussian random variables with zero mean and standard deviationσ等于最大误差范围偏差的1/3。在此分析中，没有考虑到INET/ONET的组件缺陷，因此相对散射矩阵具有基于Egami-Kawai定义的理想传递函数，定义如下(1)和(2)．通过使用蒙特卡洛方法中，隔离的累积分布函数（CDF）被衍生为表1所示的例1，其中hpa振幅和相位跟踪误差随病例逐渐增加一个为例d．

隔离参数ISO (8-j)在输出端口8和输出端口之间被定义为有用功率在希望的输出端口8的比例以及存在于输出端口的功率泄漏．

输出口8和任何其它输出端口（在理想条件下，将没有信号泄漏从输入口8推出）之间的隔离的统计分布是通过在图中不同的颜色/线所示3.．考虑的hpa幅值和相位跟踪误差分别为±0.3 dB和±2 deg一个表1)．

数据4，5,6，显示了表中其他三种情况下输出端口8和任何其他输出端口之间隔离的统计分布1(例b- - - - - -d，RESP）。

对于图中所示的四种情况3.- - - - - -6，it can be seen that the 90% isolation (CDF = 0.1) ranges from 20 dB in the worst-case HPAs amplitude/phase tracking errors (cased）to 31 dB for the smallest HPAs amplitude/phase tracking errors (case一个)．桌子2给出了与CDF相对应的仿真结果 ~ 0.6比较文献分析数据[3.]:发现了极好的一致性，绝对差异范围为0.2(案例c和d)至0.4 dB(个案一个和b)．如上面的图所示，所提出的方法可以描述隔离性能的完整统计数据，并可扩展到在存在调制多载波信号时的隔离评估。该方法基于时域仿真，可以描述多载波加载和非线性HPA行为对隔离性能的综合影响，这是使用常用的分析方法(如[3.])。

4.结论

本文介绍了冲击，高功率放大器的8×8 MPA内的振幅和相位跟踪误差对MPA本身的隔离性能。分析已经通过蒙特卡罗模拟，允许分析所述输出信号的充分统计，因此对于不同的HPA振幅/相位跟踪误差表征隔离的统计行为的强有力的工具来进行。

基于本文提出的相同统计方法，还可以进行其他研究，以评估输入和输出微波网络中的硬件缺陷对MPA整体性能的进一步影响。

参考文献

1. S. D'addio, M. Aloisio, E. Colzi，和P. Angeletti，“基于多端口放大器的卫星有效载荷输出部分的性能分析”，在IEEE国际真空电子会议(IVEC '09)，第207-208页，2009年4月。查看在：出版商的网站|谷歌学术
2. P. Angeletti和M. Lisi，“柔性卫星天线和有效载荷的多端口功率放大器应用的调查”第十四届Ka和宽带通信会议，马泰拉，意大利，2008年9月。查看在：谷歌学术
3. S. Egami和M. Kawai，“自适应多波束系统概念”，IEEE通信选定领域期刊，卷。5，不。4，第630-636，1987。查看在：谷歌学术
4. J. L. Butler，“领先的采用多方向耦合器的多波束天线系统”，美国专利号。3255450, 1960年6月。查看在：谷歌学术

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