一种双波束功放行为模型的等效电路、分析方法及系统

技术领域

本发明涉及功放行为分析技术领域，特别是涉及一种双波束功放行为模型的等效电路、分析方法及系统。

背景技术

空天地海一体化信息网络是以天基网络为主体，地面网络为基础，可支持陆、海、空、天各类用户随遇接入、按需服务的信息网络。作为具有战略意义的国家信息基础设施，空天地海一体化信息网络对于维护国家利益、促进经济发展具有重要作用。

低轨卫星通信作为构建空天地海一体化全球无缝网络的重要一环，需具备数据高速率传输的能力。由于卫星通信的频谱资源有限，传统的卫星通信技术难以满足人们对通信容量和效率的需求。为了在有限的频谱资源范围内尽可能的提高系统吞吐量，两波束等多波束天线技术利用两个或两个以上高增益的点波束实现同时为地面上多个用户提供通信服务，相比于单波束天线，其具有更大的系统容量增益，同时能够使有限频谱资源得到更大限度的利用。

然而，在低轨卫星两波束或两波束以上发射机系统的收发端中，两个或两个以上发射通道或接收通道集成在同一电路板上，导致发射通道或接收通道间产生的线性串扰和非线性串扰是难以避免，特别是非线性串扰发生在功放前，这些信号要经过功放，功放本身就是非线性器件，因此，导致系统性能急聚下降。现有技术中，对于单路功放能够通过自适应数字预失真技术有效补偿功放的非线性和记忆效应造成的失真，从而达到对功放线性化的效果。然而，以前研究的功放行为模型都不能用来表示在多波束发射机系统中的功放行为模型，所以必须对多波束发射机系统中的功放行为模型重新建模，建立能够模拟功放非线性和记忆效应、以及线性串扰和非线性串扰的多波束功放行为模型，以便进行有效补偿。

现有技术中，如图3所示，对于低轨卫星多波束发射机来说，实际建模应用中，包括了非线性串扰和线性串扰，所述串扰(Crosstalk)是在电子系统中两个或更多信号源在信号传输过程中信号从一个分支耦合到另一个分支导致产生的信号间干扰。在低轨卫星多波束发射机系统中，串扰是指在不同发射路径之间信号产生的干扰，是由于低轨卫星多波束发射机多个发射通道集成在同一电路板上产生。根据串扰产生的地方不同，在低轨卫星多波束发射机中的串扰分为线性串扰(linear Crosstalk)和非线性串扰(nolinearCrosstalk)；所述线性串扰是指发射信号在低轨卫星多波束发射机外的信号干扰，即发射天线之间的发射信号干扰，从另一个方面理解就是信号间的串扰不经过非线性功放就是线性串扰；所述非线性串扰信号间的串扰需要经过非线性功放就是非线性串扰。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种双波束功放行为模型等效电路、分析方法及系统。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种双波束功放行为模型的等效电路，包括非线性串扰耦合器、第一综合滤波器、第二综合滤波器和线性串扰耦合器；非线性串扰耦合器的第一输出端与第一综合滤波器的输入端连接，第一综合滤波器的输出端与线性串扰耦合器的第一输入端连接，非线性串扰耦合器的第二输出端与第二综合滤波器的输入端连接，第二综合滤波器的输出端与线性串扰耦合器的第二输入端连接。

上述技术方案：针对多波束发射机系统的两个发射通道集成在同一电路板上产生的线性串扰和非线性串扰，基于非线性串扰基函数和线性串扰基函数，以及记忆效应，提出两波束发射机功放行为模型的等效电路，该等效电路中包括了非线性串扰耦合器、线性串扰耦合器以及表征双波束功放记忆效应和非线性的综合滤波器，等效电路复杂度较低，便于在实际工程中得到应用，为进一步研究5G大规模MIMO和低轨卫星通信多波束天线技术提供理论参考和技术支撑，以及便于进行线性和非线性串扰、功放记忆效应和功放非线性补偿。

在本发明的一种优选实施方式中，所述第一综合滤波器包括第一功放和第一衰减器，所述第一功放的输入端与非线性串扰耦合器的第一输出端连接，第一功放的输出端与第一衰减器的输入端连接，第一衰减器的输出端与线性串扰耦合器的第一输入端连接；所述第二综合滤波器包括第二功放和第二衰减器，所述第二功放的输入端与非线性串扰耦合器的第二输出端连接，第二功放的输出端与第二衰减器的输入端连接，第二衰减器的输出端与线性串扰耦合器的第二输入端连接。

上述技术方案：第一综合滤波器和第二综合滤波器的结构便于最大程度模拟实际5G大规模MIMO电路板和卫星通信多波束电路板中的两个发射通道的实际功率，使得等效电路能够高精度地模拟实际应用场景。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种双波束功放行为分析方法，包括：步骤S1，基于双波束功放的工作频段和目标功率搭建本发明所述的双波束功放行为模型的等效电路；步骤S2，重复M次执行以下步骤：第n次生成第一输入信号s

上述技术方案：搭建双波束功放行为模型的等效电路能够高精度模拟双波束通道中功放非线性和记忆效应、以及线性串扰和非线性串扰，并且基于该等效电路在不同输入信号下的M组测量数据获取特征参数，通过特征参数来表征后续5G大规模MIMO电路板和卫星通信多波束电路板中发射通道特性，简化了模型复杂度，适用于实际工作中通过该特征参数能够对后续5G大规模MIMO电路板和卫星通信多波束电路板的线性串扰、非线性串扰、功放记忆效应以及功放非线性进行有效补偿，提升发射系统性能。

在本发明的一种优选实施方式中，所述步骤S3包括：基于步骤S2测得的数据获取非线性串扰耦合器和线性串扰耦合器的串扰因子的步骤，具体过程为：获取非线性串扰耦合器的非线性耦合系数CO：所述

上述技术方案：获取了非线性串扰耦合器的第一非线性串扰因子α和第二非线性串扰因子β，以及线性串扰耦合器的第一线性串扰因子λ和第二线性串扰因子η四个特征参数，这四个特征参数表征了双波束通道中非线性串扰和线性串扰特性；还给出了串扰因子间关系，便于计算和实际应用。在本发明的一种优选实施方式中，所述步骤S3还包括以下步骤：步骤A；根据所述步骤S2测得的数据，构建第一输入向量S

上述技术方案：多项式参数a

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第三个方面，本发明提供了一种基于本发明所述的双波束功放行为分析方法的分析系统，包括本发明所述的双波束功放行为模型的等效电路、两个信号发生器、以及至少一个信号检测设备；两个信号发生器的输出端分别连接非线性串扰耦合器的两个输入端，所述信号检测设备同时或分时测量非线性串扰耦合器的两个输出信号x

上述技术方案：系统的等效电路中包括了非线性串扰耦合器和线性串扰耦合器，以及表征双波束功放记忆效应和非线性的综合滤波器，等效电路复杂度较低，便于在实际工程中得到应用，为进一步研究5G大规模MIMO和低轨卫星通信多波束天线技术提供理论参考和技术支撑，以及便于进行线性串扰、非线性串扰、功放记忆效应和非线性补偿，系统通过信号发生器能够便捷地产生不同的输入信号。

在本发明的一种优选实施方式中，还包括射频开关，所述射频开关的两个输入端分别与线性串扰耦合器的两个输出端一一对应连接。

上述技术方案：通过射频开关对线性串扰耦合器的两个输出信号分时测量，能够减少信号检测设备需求数量，简化系统结构。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式中等效电路的一种结构示意图；

图2是本发明一具体实施方式中等效电路的另一种结构示意图；

图3是本发明一具体实施方式中等效电路中第一功放或第二功放的输入输出特性曲线；

图4是现有技术中双波束功放通道中的干扰示意图。

附图标记：

1非线性串扰耦合器；2第一综合滤波器；3第二综合滤波器；4线性串扰耦合器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明公开了一种双波束功放行为模型的等效电路，如图1所示，在一种优选实施方式中，该等效电路包括非线性串扰耦合器1、第一综合滤波器2、第二综合滤波器3和线性串扰耦合器4；非线性串扰耦合器1的第一输出端与第一综合滤波器2的输入端连接，第一综合滤波器2的输出端与线性串扰耦合器4的第一输入端连接，非线性串扰耦合器1的第二输出端与第二综合滤波器3的输入端连接，第二综合滤波器3的输出端与线性串扰耦合器4的第二输入端连接。

在本实施方式中，利用综合滤波器等效双波束功放的记忆效应和非线性。

在一种优选实施方式中，如图2所示，第一综合滤波器2包括第一功放和第一衰减器，第一功放的输入端与非线性串扰耦合器1的第一输出端连接，第一功放的输出端与第一衰减器的输入端连接，第一衰减器的输出端与线性串扰耦合器4的第一输入端连接；第二综合滤波器3包括第二功放和第二衰减器，第二功放的输入端与非线性串扰耦合器1的第二输出端连接，第二功放的输出端与第二衰减器的输入端连接，第二衰减器的输出端与线性串扰耦合器4的第二输入端连接。

在本实施方式中，为便于实现综合滤波器的功能，将综合滤波器的结构设计为一个功放和一个衰减器的串联结构，通过衰减器能够模拟出通道发射任意通道时的功率情况。

本发明还公开了一种双波束功放行为分析方法，在一种优选实施方式中，该分析方法包括：

步骤S1，基于双波束功放的工作频段和目标功率搭建上述双波束功放行为模型的等效电路；

步骤S2，重复M次执行以下步骤：

第n次生成第一输入信号s

测量非线性串扰耦合器1的两个输出信号x

步骤S3，根据步骤S2测得的数据获取双波束功放通道的特征参数。

在本实施方式中，在步骤S1中，根据双波束功放的工作频段选择工作频段对应的非线性串扰耦合器1、线性串扰耦合器4、第一综合滤波器2和第二综合滤波器3。如双波束功放为5G时，则非线性串扰耦合器和线性串扰耦合器的工作频率可为50Hz到20GHz，耦合值为13dB，10dB，最大介入损耗为0.2dB，0.5dB；第一综合滤波器2和第二综合滤波器3优选的均为功放串接衰减器结构，衰减器超宽带频率范围为10MHz至20GHz，衰减范围为2dB步进至22dB，根据双波束功放的目标功率设置功放的放大倍数。选择的功放的输入输出特性曲线如图4所示。

在本实施方式中，优选的，步骤S3包括：基于步骤S2测得的数据获取非线性串扰耦合器1和线性串扰耦合器4的串扰因子的步骤，具体过程为：

获取非线性串扰耦合器1的非线性耦合系数CO：

得到非线性串扰耦合器1的第一非线性串扰因子α和第二非线性串扰因子β为：

获取线性串扰耦合器4的线性耦合系数CO'：

得到线性串扰耦合器4的第一线性串扰因子λ和第二线性串扰因子η为：

在本实施方式中，优选的，步骤S3还包括以下步骤：

步骤A；根据步骤S2测得的数据，构建第一输入向量S

S

步骤B；将第一输入向量S

其中，K表示预设非线性阶数，k∈[1,K]；Q表示预设记忆深度，q∈[1,Q]；M＝K*Q，K≤M，Q≤M；

步骤C，获取第一综合滤波器2系数为：

获取第二综合滤波器3系数为：

在本实施方式中，双波束功放模型建立的过程包括：

设s

第一综合滤波器2和第二综合滤波器3的输出信号u

则经过线性串扰耦合器4后输出信号y

在本实施方式中，第一综合滤波器2系数的求取过程包括：

步骤1：离散的N阶非线性Volterra级数展开可表示为：

h

步骤2：对步骤1多项式只截取前三项，得到简化多项式可表示为：

式中，h

步骤3，对步骤2多项式只取对角项，并令除外都为零，得到进一步简化多项式可表示为：

步骤4，通过数学归纳法得到第一综合滤波器2可表示为：

步骤5，射频信号经过功放产生各种谐波，而偶次谐波可通过带通滤波器滤除，因此，只考虑奇数阶项，则第一综合滤波器2可以写成为：

式中，一综合滤波器2的系数H

第二综合滤波器3系数求取过程参照上述过程，在此不再赘述。

在本实施方式的一种应用场景中，在双波束功放产品(如5G的MIMO或低轨卫星多波束通道应用场景)研发过程中，根据双波束通道的目标功率和工作频段搭建双波束功放行为模型的等效电路，进行M次测量后，基于测量数据获取双波束功放通道的非线性串扰耦合器1的第一非线性串扰因子α和第二非线性串扰因子β，线性串扰耦合器4的第一线性串扰因子λ和第二线性串扰因子η，双波束功放模型的多项式参数a

本发明还公开了一种基于上述双波束功放行为分析方法的分析系统，在一种优选实施方式中，分析系统包括上述双波束功放行为模型的等效电路、两个信号发生器、以及至少一个信号检测设备；两个信号发生器的输出端分别连接非线性串扰耦合器1的两个输入端，信号检测设备同时或分时测量非线性串扰耦合器1的两个输出信号x

在本实施方式中，信号发生器优选但不限于选择频率范围为9kHz到6GHz；频率分辨率为0.1Hz；输出电平范围为－127dBm到+13dBm；电平分辨率为0.1dB的信号源。

在一种优选实施方式中，还包括射频开关，射频开关的两个输入端分别与线性串扰耦合器4的两个输出端一一对应连接。射频开关的工作频率为50Hz到20GHz，插入损耗低，隔离度高。

在一种优选实施方式中，信号检测设备为频谱仪。优选的，频谱仪选用频率为9kHz到20GHz；分辨带宽RBW为30Hz显示平均噪声电平DANL≤－130dBm为测量电平范围：－130dBm到30dBm。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。