同时抑制空间行波管的IMD3和IMD5 IMD3和2高清信号注入

文摘

提出了一种信号注入技术显示显著减少3 rd-order和5阶互调失真(IMD3和IMD5)在空间行波管(STWT)。通过应用IMD3 IMD5比率(TFR)作为位置的度量手段,同时排除IMD3和IMD5行波管是通过二次谐波失真(2 hd)和IMD3注入。根据理论分析和计算机仿真,研究最优注入信号的振幅和相位参数最大同时排除。然后一个实验系统建立了基于矢量网络分析仪,最佳总和生育率是2.1 dB和12.5 dB,分别由二次谐波和IM3注入和输出大国IMD3和IMD5下降。总和生育率IMD3注入小于二次谐波注入STWT,和实验系统更简单,容易操作。因此,IMD3注射执行优于二次谐波注入抑制窄带STWT IMD5s。

1。介绍

行波管(TWT)放大器广泛应用于通信、信号处理、雷达、电子战、等等。空间行波管是卫星通信系统的核心组成部分,它起着至关重要的作用在空间技术领域的功率放大,增益高,线性度好它的正常运行是一个重要的先决条件。不幸的是,行波管展品非线性特性,因此产生不必要的互调失真(IMD)和二次谐波失真(2 hd)。在各种扭曲,谐波滤波器可以消除,但3 rd-order (IMD3)和5阶互调(IMD5)落在主信号频带和无法轻易过滤掉。与此同时,IMD信号严重限制了行波管的基本能量,减少了输出功率;因此它会导致降低总体系统性能。早期文章显示失真抑制信号注入机制注入信号的相消干涉产生非线性失真的产品(1- - - - - -4]。虽然信号注入技术的实验条件相对复杂,它有非常明显的效果失真抑制在几个实验环境,所以信号注入技术是用于研究同时排除IMD3和IMD5 STWT本文。

缪斯理论模型(1)是由Wohlbier et al。模型可以清楚地描述了波形有关注射和行波管非线性生成组件。减少的比较与前二阶和三阶信号失真的方法详细研究了行波管的辛格在她的实验5- - - - - -7]。在其他领域的电子设备,optoelectrical预失真光学发射机系统是由李等。8]。这个礼物的同时排除IMD3和IMD5是通过选择一个合适的偏置电流和射频输入功率LD。反馈二次谐波注入方法的同时减少IMD3和IMD5二分激光二极管的研究(9],一部小说失真减少方案获得杆激光二极管提出了(10,11]。

近年来,有一些关于信号注入的新研究成果,包括改进的基本信号功率行波管的谐波注入(4,12)、谐波和互调失真与深浅不一的调制(13],IMD3的抑制谐波注入[14)和粒子群优化算法(PSO)应用于抑制IMD (15,16]。此外,我们的研究小组的先前的研究结果表明,IMD3和2高清注入方法都可用在抑制IMD3组件。IMD3注射执行比2高清注入窄带空间行波管(17,18]。研究同时减少IMD3和IMD5 STWT的信号注入尚未进行,将关注和研究。

首先,许多缩写本文解释道。有趣的是基本信号的缩写,乐趣−和有趣+代表上下基本,分别在深浅不一的信号。IMD3−和IMD3 +上下三阶互调失真分量,和IMD5−和IMD5 +上下5次互调失真组件。初始功率和初始基本频率代表深浅不一的基本信号的输入功率和频率,它们是变量,和基本的初始功率和频率变化信号会影响输出功率的乐趣,IMD3, IMD5最佳注入和没有信号注入。

2。理论分析

我们使用该非线性模型模拟放大器分析抑制IMD3 IMD5理论上。放大器非线性可以用泰勒级数方程表达(8,9,19连接输出功率输入信号由(1);是常数。

输入信号(深浅不一的基本信号)包括两个音调的表达式,振幅和相位和,振幅表示信号的功率放大器的力量。被放大后,IMD3组件是和IMD5组件是

的IM3信号振幅和相位在深浅不一的注入放大器的基本信号;输入信号

IMD3输出功率(在放大器的输出表示为)

IMD5输出功率(在放大器的输出是写成

所有参数(4)和(5)是已知的。IMD3的输出功率可以抑制零通过适当调整和,但它们并不是完全抑制IMD5最优参数在相同的条件。

它可以看到从(5)的表达IMD5相当复杂。如果我们适当调整参数理论通过观察表达可以抑制为零。最大限度的排除在IMD3和IMD5 (和)不同时发生的一组注入信号的振幅和相位,所以我们需要找到最佳的振幅和相位参数做出妥协。通过引入IMD3 IMD5比率的定义(TFR),并选择最优操作点注入振幅和相位的总和生育率最低,最优信号注入条件同时排除在IMD3 IMD5可以确定。总和生育率(dB)表示测量的相对权力IMD3 IMD5和代表的多个输出功率之间的关系IMD3 IMD5;这是输出功率比值的对数表示。

和分别代表IMD3的输出功率和IMD5;单位是dBm。代表IMD3和IMD5输出功率比。

当最优操作点的振幅和相位是发现注入已经最低,相对的力量IMD5 IMD3和输出功率的差异最小。同时抑制IMD3和IMD5效果观察。

3所示。仿真结果和讨论

严重的非线性失真组件出现在输出端口STWT后开始工作在饱和状态。三阶互调频率和谎言接近中基频互调频率,因此IMD3非线性失真的主要贡献者,有最重要的影响的基本信号的输出功率。IMD5 (和)也在工作频带STWT,影响基本信号IMD3旁边,和他们两人在STWT非线性失真的主要性能。

研究信号注入同时抑制IMD3和IMD5一直在大幅提高STWT线性性能。Wohlbier等人研究全面的物理原理信号注入技术行波管(1),提出行波管非线性光谱模型拿铁和S-MUSE。根据非线性光谱模型,各种仿真实验IMD3的抑制和IMD5本文做以下几种类型的信号注入。通过调整信号功率,相位和频率精确,性能和输出参数的变化情况,如电力和STWT显示的频率。

3.1。基本信号参数

3 d绘图输出的增益和权力的基本信号根据基本频率和初始功率如图1。当基本频率相对较低(小于1.5 GHz),获得的效果并不明显。增加到2.0 GHz频率后,初始功率大于−5 dBm,增益将很快降低到30 dB。然而,在选择频率为1.5 GHz,放大性能变得更好,STWT超过30 dBm的输出功率。在较小的初始功率(−20 dBm),此外,非线性现象出现延迟。所以基本频率设置为1.5 GHz。

深浅不一的乐趣−在1.5 GHz频率设置;从0到200 MHz频率间距增加;深浅不一的3 d点/点曲线的基本信号根据增加基本频率间距图所示2。与基本频率间距的增加,输出功率的乐趣+礼物略有增加的趋势,但乐趣−明显降低,3 d曲线分化越来越明显。当频率间距设置为20 MHz,输出大国的乐趣−和有趣+饱和条件下是42.81和43.24 dBm。有趣的区别−和有趣+是最小的,放大效果更加平衡;因此选择基本频率间距20 MHz。

从图可以看出3乐趣−严重压抑和有趣+保持稳定的增加相对权力;它们之间的严重分化的现象发生。基本输出功率达到最大的差异在初始功率14.23 dB−4 dBm和权力的区别是5分贝。IMD3变化的趋势是类似于基本信号,IMD3 +快速增加,IMD3−根据相对实力的增加显著减少。非线性失真的基本能量转移的互调分量后,和非线性失真STWT现象更加严重。所以深浅不一的基本假定的初始功率相等,深浅不一的和相对的力量基本信号为零。

3.2。同时抑制IMD3和IMD5

以前的研究成果的基础上,在STWT基本信号参数,初始深浅不一的基本频率和设置为1.50和1.52 GHz;相位和振幅是0.0°,−10.0 dBm。IMD3信号(,1.54 GHz)引入STWT的输入端口;仿真实验能精确显示的非线性特征STWT根据输出功率对注入信号的相位和振幅扫描的反应。力量扫描范围是28 ~−−17 dBm和相位扫描范围是270°~ 310°。从图可以看出4IMD3 +输出功率可以减少39.3 dB虽然IM3注入信号的振幅和相位−21 dBm和312°;然后最小输出功率IMD3 +−9.6 dBm,但IMD5 + 17.9 dBm的输出功率。虽然IMD3注入信号的振幅和相位调整−25 dBm和292°,最小输出功率IMD5 +−11.1 dBm和IMD5 + 31.6 dB最大抑制;然后IMD3 + 23.2 dBm的输出功率。图4显示了输出功率的3 d绘图IMD3 IMD5根据注入IM3相位和振幅的信号。IMD5的初始输出功率低于IMD3在相同的注入条件下;都逐渐减少,只达到最低时,注入信号参数在一定范围内调整。3 d图展示了一个漏斗状的结构。注入参数之间有显著差异,使IMD3 IMD5达到最小;最优信号注入条件IMD3 IMD5并不是一致的。

IM3注入信号的振幅和相位保持在−21 dBm, 312°, IMD3产生最大抑制。最初的力量根本增加从−12 0 dBm和相位保持在0°。的比较计算结果输出大国的基本,IMD3, IMD5最佳IM3注入和没有IM3注入完成本文。从图可以看出5,根本没有IM3注入,输出功率保持不变的曲线IMD5 IMD3增加缓慢增加的初始力量。输出功率的变化情况,基本IMD3,和IMD5最佳IM3注入和没有IM3注入可以通过改变基本初始功率,观察和计算结果表明,IMD3 +输出功率下降迅速从−12 dBm,当初始功率增加和最大抑制获得39.3 dB在最初的10−dBm的力量。条件也导致IMD5 +输出功率略降至17.9 dBm和没有达到最大程度的抑制。当初始功率增加10 dBm−−8 dBm, IMD5 +实现最大24.6 dB的抑制;在这个过程中,IMD3 +输出功率增加从24.5−9.2 dBm dBm。因此,初始力量的参量的条件IMD3 IMD5最大抑制IMD3下是完全不同的信号注入。

最优信号注入条件IMD3 IMD5并不是一致的。所以我们需要找到注入信号的相位和幅度,确保最低相对IMD3 IMD5权,以便同时抑制IMD3和IMD5是观察到的信号注入。

3.3。比较同时抑制效果IM3和2高清注入

基于仿真结果,IMD3 IMD5相比具有较大的输出功率和更接近基本频率,所以IMD3抑制是一个更重要的是为改善STWT性能的工作。IMD3 IMD5比(总和生育率)代表相对输出功率IMD3 IMD5和设置参数来评估信号注入技术的性能。

最初的深浅不一的基本频率设置为1.50 GHz和1.52 GHz;振幅和相位都是0.0°,−10.0 dBm。IM3 +注入信号的振幅和相位都保持在−21 dBm, 312°;最低时−27.6 dB的力量注入IM3 +增加从28 dBm−−17 dBm和相位保持从270°- 310°。这种情况代表了IMD3 IMD5相对力量在相应的频率点(或高或低顺序)达到最小,使最优同时抑制IMD3和IMD5 STWT;然后IMD3 + IMD5 +输出功率是−9.6 dBm和17.9 dBm,分别。

二次谐波()注入还可以显著抑制IMD3和IMD5根据先前的研究结果;然后2高清注入的影响是否任何更好的同时抑制IMD3和IMD5相比IM3注入是一个重要的研究课题。的力量注入2高清从10增加到30 dBm,相位扫描范围稍微扩大到270°~ 330°,最小值−20.19 dB,然后输出功率IMD3 + IMD5 + 15.57−4.6 dBm和dBm,分别。STWT 2高清注入的放大器性能相比IM3注射也被削弱。

最低的(−27.6 dB) IM3注入低于(−20.19 dB) 2高清注入,和非线性失真组件的总功率较低;其优化效果的同时抑制IMD3 IMD5是相当明显的。数据6和7显示的初始力量注入IM3和2高清是截然不同的;总和生育率的3 d曲线变化与输入功率变化平稳,但变化急剧变化的输入阶段。根据已知的研究成果、输入阶段在互调的功能中扮演更重要的角色在比输入功率行波管;它有更多的影响同时排除IMD3和IMD5。阶段范围使得总和生育率逐渐下降到最低是270°~ 330°2高清还是IM3注入,所以阶段范围可以使IMD3的相对实力和IMD5达到最小值。

基本频率间隔的同时抑制IMD3和IMD5 STWT研究通过的最优信号注入下的模拟方法。我们测量IMD3 IMD5有和没有注射的基本频率间距如图8。射频信号的中心频率为1.5 GHz,然后改变信道间隔从1 MHz到10 MHz, 20 MHz, 40 MHz, 60 MHz, 80 MHz和100 MHz,初始深浅不一的基本权力设置为10−dBm。抑制IMD3 +接近40 dB的基本频率间距下20 MHz后最优信号注入在图8。与基本频率间距的增加,IMD3 +的抑制效应减弱,但仍然可以获得28 dB的抑制甚至在100 MHz。同时,IMD5也可以在1.85 ~ 5.35 dB镇压;基本输出功率几乎不变。因此,IMD3 IMD5 STWT可以显著抑制范围0 ~ 100 MHz的基本频率间距下的最优信号注入。

4所示。实验和分析

矢量网络分析仪(VNA)可以精确地描述设备的属性根据其振幅和相位响应频率和功率测量扫描信号。

额定输出功率的STWT实验中使用的是120 W (55 dBm),其增益是50 dB,工作频带1.4 - -1.6 GHz。同时排除的实验框图IMD3和IMD5如图9。最初的深浅不一的基本频率设置为1.50和1.52 GHz,和更低的2高清(3.00 GHz)和IM3 (1.48 GHz)注入STWT的输入端口。信号发生器的功率和相位调整和移相器,注入信号的非线性组件和基本取消另一个输出在输出功率相等时,相位相反。STWT是45.9和46.0 dBm的输出功率,和IMD3−IMD3 + 33.9和33.2 dBm,分别在无信号注入。

4.1。IMD3注入

的IMD3−(1.48 GHz)引入STWT的输入端口,和相位和振幅调整信号发生器和移相器。当注入IM3−−5.86 dBm,最低的价值获得2.1 dB。输出信号频谱在最佳信号注入IMD3 IMD5 STWT如图10。然后输出信号的组件46.7 dBm(乐趣−),8.8 dBm (IMD3−),和6.7 dBm (IMD5−)。

最大抑制为25.1 dB IMD3−可以通过矢量网络分析仪观察;然后压制IMD5−17.3 dB。STWT的总输出功率为121.4 W,也有很好的获得的特征。实验证明IMD3信号注入可以同时抑制IMD3和IMD5 STWT对应的频率。

4.2。注2高清

另外,2高清(3.0 GHz)引入STWT;当振幅调整至13 dBm,最小值为12.5分贝。

最优信号注入下的输出信号频谱IMD3 IMD5 STWT如图11。然后输出信号的组件46.7 dBm(乐趣−),8.8 dBm (IMD3−),和6.7 dBm (IMD5−)。最大抑制为12.7 dB IMD3−可以观察到。此外,抑制对IMD5−15.4 dB,和总输出功率也提高了0.5 dB。实验的结果表明,2高清注射可以同时抑制IMD3和IMD5 STWT对应的频率。输出功率值和相应的总和生育率在最佳IM3和2高清信号注入通过模拟和实验如表所示1和2,分别。

4.3。对比仿真和实验

的价值总和生育率和IMD抑制实验分辨率带宽有限的信号发生器和移相器;特别是,IMD的抑制是特别敏感的移相器的相位调整,和注入信号的振幅和相位可调准确同时抑制。

总和生育率和IMD抑制之间的模拟和实验的比较如表所示1和3。总和生育率是2.1和12.5 dB下IM3和2高清注射观察实验,远低于仿真结果的总和生育率(−−27.6和20.2)。具体地说,当最小值的总和生育率为2.1 dB IM3注入,抑制IMD3可以观察到25.1 dB的实验,但是IMD3抑制是相同的仿真条件下39.3 dB(最小总生育率是−27.6 dB)。输入振幅和相位的精度是有限的信号发生器和移相器相匹配的数量抑制观察通过模拟。尽管这些因素,实验和仿真是很好的定性协议,总和生育率的趋势与IM3注入低于2高清注入STWT非常清晰,同时抑制效应的结果IM3注入比2高清注入模拟与实验数据吻合较好。

5。结论

介绍了IMD3 IMD5比率的定义(TFR),通过选择最优操作点的振幅和相位注入生育率最低的变化,和获取信号注入条件的同时抑制IMD3和IMD5。根据理论分析和计算机仿真,研究最优的振幅和相位参数注入2 hd和IMD3最大同时排除。然后一个实验系统建立了基于矢量网络分析仪;最优总生育率是2.1 dB和12.5 dB,分别由2 hd和IM3注入。输出功率IMD3和IMD5降低了。总和生育率的IM3注入小于2高清STWT注入。实验系统是更简单,更容易操作。因此,IM3注射执行比2高清注射抑制窄带STWT IMD5s。

信息披露

相应的作者是科文夏教授。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由河北省自然科学基金(不支持。E2016202341),河北省学者(没有返回的基础。C2012003038)和科技研究项目为河北省高等教育机构(没有。BJ20 1401)。

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