用于射频击穿测试的大功率多载波产生外文翻译资料

 2022-11-11 11:11

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用于射频击穿测试的大功率多载波产生

摘要-对卫星组件进行高射频功率击穿效应测试, 如多极体和电晕或无源互调, 是航空航天行业中一个日益引起关注的课题。从实验的角度来看, 从单一载波方法转向更逼真的多载波方案是非常具有挑战性的。多载波信号由多个射频功率放大器放大，需要控制每个载波的相位、幅度和频率。为了补偿试验台活动元件中发生的相位漂移, 需要对这些发电机相位进行精细化处理。本文提出了一种高效、低成本的多载波信号生成技术, 可用于测试卫星组件中的真空击穿现象。

索引术语-高功率射频测试、多载波、信号生成、真空击穿。

  1. 介绍

真空条件下的高功率射频测试是航天行业日益关注的话题。如果在设计阶段不考虑不需要的射频击穿真空效应, 则高功率和真空的组合已被证明是致命的。在环境压力下正常工作的设备在低压 (电晕放电) [1] 或高真空 (多伙伴效应) 下可能会发生射频故障 [2], [3]。破坏性电晕效应可能出现在粗糙的真空范围内 (即按 mbar 的顺序);它是由微波分量内气体的电离产生的。电子倍增效应可能出现在高真空中, 是由初始自由电子群的共振产生的。由于真空度高, 电子平均自由路径大于器件内部尺寸。由于电子是由RF场加速的, 它们会与组件壁一起撞击。根据二次排放产率特性 [4] –[6] 和撞击速度, 种群可能呈指数级增长, 从而导致电子倍增射频击穿。这两种现象都会产生类似短路的现象, 从而导致传输信号上的失真、谐波功率的增加、反射功率的增大、元件的局部加热 [3], 以及在某些情况下设备的破坏。

为了测试大功率射频击穿效应, 工业和研究实验室遵循的经典方法是使用单个连续波 (CW) 或脉冲音, 在放电阈值水平上, 启动击穿。被测试设备 (DUT) 必须承受的最小无故障运行功率来自其运行射频功率, 以及欧洲 [3] 或美国 [7] 标准中定义的高 RF 测试的特定边缘。

进入一个更现实的测试用例意味着使用多载波信号, 其对电子倍增和电晕阈值的影响是微波研究界的一个开放领域。作为固定载波之间的频率和相对振幅, 在卫星运行寿命期间可能存在任何相位组合。为了在合理的时间内进行实验室测试, 必须通过测试对导致最低 RF 击穿阈值水平的相位方案进行分析性发现和验证。已经证明，对于所有相位组合，具有最大峰值到平均值的同相信号并不一定能够很好地估计出最低RF击穿阈值[8]、[9]。

许多作品致力于窄带多载波信号的生成, 如正交频分复用 [10] 或其实现, 例如, 数字视频广播 [11], [12] 或长期演变 [13]—能在文献中找到。然而, 此类信号的平均射频功率在 50 w CW 范围内, 带宽小于 80 MHz, RF 频率低于 5 GHz。这些多载波信号在一个信号发生器中产生, 并在一个射频高功率放大器 (HPA) 中放大。由于只使用一个本地振荡器, 因此不会发生载波之间的相位漂移。

由于测试所需的大功率 RF 电平-通常每个载波超过 300-w CW, 因此在单个 RF HPA 中放大多载波信号是不可行的。通常情况下, 每个载波必须单独放大, 然后与输出多路复用器 (OMUX) 组合 [14]。信号发生器处的相位漂移和来自 RF HPA [15] 的失真会随着时间的推移降低多载波信号。

在卫星通信中, 多载波信号带宽, 定义为最低和最高频率之间的频率差, 从窄带组件中的几个兆赫到多波段设备的千兆赫甚至更多的兆赫不等 [16]。然而, 正如已经解释过的, 需要几个放大器, 以提供商业卫星所涉及的多载波信号 [17]。

目前还没有商业解决方案可以产生灵活的宽带和非常大功率的多载波信号, 在相位和振幅方面具有平滑的相位和振幅调整。这一点非常重要, 因为对高真空射频击穿效应装置的测试使用了一些检测方法, 这些方法可能会被非光滑的振幅或相位变化 (例如, 广泛使用的微波空系统) 所欺骗。

本文解决了在需要多个放大器和信号发生器的情况下, 长时间获取和维护宽带大功率射频多载波信号的问题。此外, 它的目的是低成本, 所以它是基于硬件通常存在于测试实验室, 因此是首选的解决方案使用新设备。

第二部分介绍了获得所产生的多载波信号的绝对振幅和相位误差的理论。然后, 第二部分第一节和第二部分第二节分别展示了两种新的相位最小化方法和所提出的振幅校正技术。在第三节中, 该算法扩展到中频域工作。第四部分给出了完整的算法流程图。第五节显示了一组实验结果, 包括大功率射频测量。最后, 第六节强调了最相关的结论。

  1. 多载波信号产生

多载波信号是由 M 正弦音调的叠加形成的波, 每个音调都有自己的频率、振幅和初始相位。这种类型的信号可以用数学方式表示为

mcs(t)= （1）

其中 M 是载波的数量, 而 vi, fi 和 i 分别是载波的振幅 (V)、频率 (Hz) 和初始相位 (rad)。

(1) 中定义的信号的射频带宽为

BW = max( fi )minus;min( fi ) forall;i. （2）

此信号会随着时间的推移而重复

Tenv = 1/gcd( fi ) （3）

gcd 是最大的主除数。

接受 (1) 中定义的多载波信号的任何延迟版本为有效版本, 以下公式分别定义了时间和频率域中的一组信号:

smcs (t,tau;d )= mcs (tminus;tau;d ) (4)

SMCS(f,tau;d )=eminus;i2pi; ftau;d MCS(f) (5)

图1.大功率射频多载波发电系统的框图, 用于监测多载波信号的信号采样网络由 HT 表示。

图2.射频域中的多载波信号采样网络 (HT) 框图, 即无源网络。突出显示了三个参考平面: DUT 的输入端口 A、耦合元件 B 的输入和示波器输入端口 C。

其中tau;disin;[0, Tenv[被定义为延迟时间。满足上述方程的任何信号都被接受为算法的有效输出[18]。时移在频域中确实表示具有频变相移的相同频谱[见(5)]。在时域中, 这将转换为

smcs(t,)=

smcs(t,)= (6)

(7)

其中 (6) 显示时滞信号与另一组初始阶段相同。

在定义了要恢复的信号后, 生成和校正大功率RF多载波信号所需的硬件如图1所示。每个射频通道使用一个信号发生器和一个功率放大器。OMUX 结合了所有通道, 示波器用于测量信号。需要的多载波信号应该存在在参考平面, 在图1中标记为 A。这是 DUT 连接到试验台的参考平面。

给定参考平面A中所需的--或理想的多载波信号--的第一个算法步骤是将理想的多载波信号从 A 传输到 C。这两个平面之间的传递函数HT (f)可以使用矢量网络分析仪进行测量 (见图 2)。从 A 到 C 的转换可以通过两个步骤完成, 第一个步骤是从 BA 进行筛选, 第二个步骤是过滤BC, 其中Hcb( f )和 Hab( f )是相应的传递函数。这可以用数学方式表示为

MCSC( f ) = MCS( f ) · HT ( f )

= MCS( f ) · Hcb( f ) · Habminus;1( f ) (8)

其中 MCS (f) 是理想的多载波信号。频率相关函数 Hab(f) 和 Hcb(f) 分别是通过测量图2所示的 Rf 网络的从 B 到 A 和从 B 到 c 的 S21 散射参数得到的。

将周期性测量的多载波信号 (t) 转换为频域。快速傅立叶变换 (FFT) 是执行这种变换最广泛使用的技术。然而, 在所有的频域数据中, 只有几个与 M 载波频率相对应的复杂值 ()是需要的。只要 Mlog(n), 离散傅里叶变换 (DFT) 计算成本 O (nM) 低于 FFT O(n · log (n)) [19], [20]。为此, 本文在log(n) gt; 1.5M时, 采用了 DFT 算法来计算这些 M 频域值。

当M复值MCSCi和SCi可用时，得到粗振幅和相位误差

i=1hellip;M (9)

= i=1hellip;M (10)

其中MCSCi和 SCi 分别是目标信号和C处测量信号的载波频率项。通过将这些增量值应用于 M 信号发生器, 在参考平面 A 上得到正确的多载波信号。尽管如此, 相移可以通过多种方式进行优化, 以最大限度地减少应用相移。

该算法调整信号发生器上的振幅和相位, 使参考平面 C 中的多载波信号与 MCSC(f) 相匹配。然而, 由于任何延迟版本的 mcs (t) 是根据 (5) 接受的, 该算法找到相移, 最大限度地减少应用的相变设置到每个信号发生器。

在电子倍增测试中, 最大限度地减少相移 (9) 至关重要, 因为最可靠的检测方法是基于对载波振幅和相位的测量 (空系统) [3]。因此, 如果这两个参数中的任何一个在外部发生了变化, 检测系统就会被欺骗。第二部分第一节和第二部分第二节讨论了这一问题。

  1. 相移校正

在第二节第一部分, 根据 (9) 和 (10) 获得了相位和振幅误差。这里提出了两种优化相移的方法--为测量数据找到最佳的时移。它们都产生一个多载波信号, 同时满足 (5) 并最大限度地减少相移。

提出了两种不同的优化方法: 1) 最小全局相移和 2) 最小 (M-1)相移(载波跟踪)。

在第一种方法中, 一旦获得绝对相位误差 (9), 就会找到最小相移。第一步是最大限度地减少错误函数

Err()= (11)

其中tau;是要优化的延迟。虽然可以使用无约束优化, 但输出tau;opt可以包装在 [0, Tenv[间隔。

第二种方法--载波跟踪--是由下式定义的第一个版本，

=, n=0,hellip;, (12)

其中 i[1,..., M] 是被跟踪的载波的索引。一旦获得了, 最后的相移是由下式给出

(13)

i[1,..., M].

（二）、振幅校正

为了正确恢复理想的信号, 应应用 (10) 中定义的振幅校正。由于射频功率测量需要精度, 因此可以方便地通过功率头或频谱分析仪获得冗余射频功率测量。

提出了三个选项: 1) 使用一组 M 功率头测量每个载波的 RF 功率, 每个功率头在 OMUX 之前的一个 RF 通道中;2) 测量一个载波 (带一个 CW 电源头) 中的绝对射频功率, 并将该信息与示波器测量信号上的相对功率测量相结合;或 3) 使用热功率头测量多载波信号的射频功率, 并与示波器数据结合。但是, 选项 1) 是推荐的选项, 因为它是测量 RF 功率的最准确的方法。

  1. 频率下移

第二节中显示的多载波生成算法可以也扩展到 IF 域中的工作 [21], [22]。这在产生非常高频多载波信号 (通常高于 6 GHz) 时特别有用。为此, 在从 B 到 C 的路径中放置一个频率混频器 (见图 3)。一个实际的实现可能需要在混频器之后进行额外的过滤，以去除混频器上产生的不需要的信号。

这种配置允许使用低成本示波器, 只要它的模拟带宽能够应付多载波信号 (2) 的带宽。

其主要思想在于理想信号映射到中频域, 多载波信号在中频域中恢复。然后, 将算法输出相位偏移映射回 RF 域。

图3。RF

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