一种基于矢网的转发器三阶互调高效高精度测试方法与流程

本发明属于卫星测试领域，涉及一种通信卫星转发器分系统的测试方法，特别适用于功放及通路数较多的卫星转发器，可在保证测量精度的前提下，大幅提高测试效率。

背景技术：

转发器分系统是通信卫星的重要组成部分，其射频通道的性能好坏直接影响卫星通信业务的信号质量。在卫星通信过程中，当有两个不同频率的载波信号同时进入转发器系统时，由于输入输出特性的非线性，使得输出信号中除了被放大的输入载波有用信号外，还会出现其他频率的互调产物。一方面，互调产物将占用一部分输出功率；另一方面，这些互调产物如果落入转发器的工作频带范围内，将会对系统通信造成干扰。另外，强载波信号产生的互调产物有时能部分抑制弱载波信号，不利于大小地球站的兼容。在所有互调产物中，三阶互调产物对系统性能的影响最为严重，因此目前通信卫星只测试双载波三阶互调特性，并据此评估转发器的非线性程度。

双载波三阶互调是转发器分系统的重要射频性能指标，其直接反映了射频接收机及功率放大器等非线性器件的幅度非线性特性引起的转发器输出互调产物大小，因此对其进行准确测量至关重要。三阶互调产物的大小与转发器分系统激励信号的幅度有关，激励幅度的大小一般用“输入补偿值”来做相对度量，即输入测试信号与转发器的饱和输入信号的电平之比。实际测试中，用两个等幅载波在不同输入补偿时，测量输出主音信号和三阶互调信号的幅度比作为转发器系统的三阶互调非线性度量。

目前的通信卫星转发器三阶互调测试方案是利用两台独立的信号发生器，在被测转发器通道内同时产生两个等幅的单载波上行激励信号，合路后输入转发器，并按一定的步进改变上行激励信号的功率，通过频谱分析仪分别测量被测转发器通道的三阶互调产物功率和主音信号功率，最后根据测试数据计算被测转发器通道的三阶互调特性。这种方法在实际工程测试中，具有一定的局限性：

(1)测试系统由两台信号源、一台功率计、一台频谱仪、一台开关矩阵及一台测试计算机组成，需要22U的测试机柜才能集成所有测试设备，体积大、功耗大、成本高，并且设备间的射频连接较多，两台信号源和频谱仪彼此独立，需要外部共时基，因此系统搭建复杂；

(2)测试时，需要依据单载波饱和基准和上行监视功率计读值，手动将两台独立信号源的输出功率调平且经过测试链路使得转发器工作在要求工作点上，功率调节过程复杂冗长，且手动调平无法达到很高的精确度，还存在过激励的风险。当合路器的双通道一致性不好，或者两个载波的频差较大时，测试链路损耗差异较大，使得到达转发器入口的双载波之间存在电平差，无法完全等幅，使得测试结果存在偏差；

(3)测试时，双载波功率按照规定步长，从饱和输入降至规定输入回退值，在每个工作点都需重新反复调节双源输出电平、重新使用频谱仪搜索信号并测算当前计量结果。且测试过程中，需要分别且人为同步控制信号源、频谱仪等仪器实现信号发送和接收。为保证每一步操作都能被测试设备准确且无遗漏地执行，需在每一条操作指令之间插入时间延迟(通常为0.5s～2s)，测试过程不存在任何意义的硬件同步，且冗长、效率较低，完成一路转发器三阶互调测试(一般至少20个工作点)大约15分钟。在大规模多通道转发器三阶互调测试中，此方法会严重影响测试效率；

(4)测试系统中，由于测试设备较多、射频连接链路复杂，两台激励信号源通过开关矩阵内部的合路器合成信号，因此射频信号经历多级无源设备及多个连接端面，造成整个系统失配性误差较大。此测试方法仅用功率计监视上行输入功率，并未对测试系统的失配性误差做分析处理。此外，该方法利用频谱仪测量下行互调产物的功率，不确定度较大，测试结果误差较大；

(5)若在远程测试中，每一步对测试设备的控制、测量数据的读取以及测试结果的计算都需要专门编制上位机软件来完成，软件执行流程具有复杂的循环嵌套、时序关系和设计及调试难度，测试系统鲁棒性不强。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于矢量网络分析仪的转发器三阶互调特性测试方法，可以显著提高通信卫星转发器系统双载波三阶互调的测试便捷性、测试效率、测试精度和测试自动化程度，尤其对于大规模多通道转发器而言，可以大幅缩减测试成本。

本发明的技术解决方案是：一种基于矢网的转发器三阶互调高效高精度测试方法，包括如下步骤：

(1)选取一台带有Swept IMD Converters测量模式的内置双源矢量网络分析仪和一台带有矢网测试通路的开关矩阵作为测试设备；所述的矢网测试通路包括上行和下行，上行的输入端口标记为矢网A口，该端口直接连接至开关矩阵内部的上行波束端口的输入，上行的输出端口为所述上行波束端口的输出；下行的输入端口为开关矩阵内部的下行波束端口的输入，下行的输出端口标记为矢网B口，该端口为开关矩阵内部的多选一射频开关的一路可选输出；

(2)对矢量网络分析仪进行频率扫描校准，并将校准完成后的测试通道存储为矢网内部的.csa文件；

(3)将矢量网络分析仪的PORT1连接至开关矩阵的矢网A口，将矢量网络分析仪的PORT2连接至矢网B口，将上行星地测试电缆两端分别连至待测转发器的输入测试耦合器直通口和开关矩阵的上行波束端口，将下行星地测试电缆的两端分别连至待测转发器的输出测试耦合器耦合口和开关矩阵的下行波束端口；

(4)在矢量网络分析仪中调用已存储的.csa校准环境，并将当前测量通道的扫描方式由频率扫描改为功率扫描，根据被测转发器的基本参数对矢量网络分析仪进行测试参数配置，包括矢量网络分析仪内部双源的功率扫描范围、输出双载波主频之间的中心频率、本振频率、输入双载波主频之间的中心频率、双波频差、主频信号接收中频带宽以及互调信号接收中频带宽；

(5)打开矢量网络分析仪的射频功率输出，由矢量网络分析仪完成功率扫描下的三阶互调特性测试。

所述的步骤(2)中对矢量网络分析仪进行频率扫描校准的方法为：将测试短电缆1的一端连接至功率计探头，另一端连接至矢量网络分析仪PORT1端口，进行双源功率校准，使得双载波信号在测试短电缆1的输出端完全等幅，同时自动校准参考接收机A1；接着保持测试短电缆1和矢网PORT1的连接端不变，将另一端连接至电子校准件的PORTA，同时将测试短电缆2的一端连接至矢网PORT2，另一端连接至电子校准件的PORTB，完成二端口SC参数校准，通过校准数据获得B2接收机的响应。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的测试方法在硬件架构上，仅需要一台矢量网络分析仪和一台开关矩阵(校准时还需要临时使用功率计及电子校准件)，因此比传统方案中的两台信号源、一台频谱仪、一台功率计及一台开关矩阵组成的硬件系统更加小型化、轻量化，且具有更低的成本和更高的系统集成度。此外，由于仪器数量减少，仪器间的连接数量减少，其可靠性相对于传统的测试方案更高；

(2)本发明充分借助矢量网络分析仪收发共用平台和矢量网络分析仪的硬件同步特性，搭建以矢量网络分析仪为核心的硬件测试系统，校准效率和测试效率都比传统测试方案有大幅提高。校准方面，本发明采用矢量网络分析仪扫频校准，通过一次扫描完成对所有转发器通道的功率值和失配度的校准。并且此三阶互调通道的校准还可与其他测量通道校准同时进行，因此比传统的单路串行校准在效率上提高3～5倍。测试方面，传统测试方案不存在任何意义上的硬件同步方式。而本发明测试系统的核心测试设备矢量网络分析仪能够实现硬件意义上的同步，其收发同步延迟为微秒级。并且本发明采用的是功率扫描测试方法，其速度相对于传统的单点功率步进方案提升约一个量级，因此在测试效率方面有了8倍以上的提升；

(3)本发明中充分利用矢量网络分析仪内部提供的两个信号激励源，并在矢量网络分析仪内部合成双音信号，其内置的带通滤波器、宽带耦合器等使两个信号自身的交调分量非常小，在最大功率时的谐波抑制度可以达到-90dBc，使得三阶互调杂波的测试结果非常精确。矢量网络分析仪进行IMD测量，所有源和接收机都采用同一时基，并被同步控制，因此每次测量一个频点可以使用非常窄的接收机中频带宽以进一步提升测量精度。此外，传统测试方案仅对双载波幅度进行调平和监视，忽略了双载波的测试链路插损偏差。而本发明方法中，对测试端面进行功率校准，修正了双载波在测试链路上的偏差，使得双载波到达卫星接口时完全等幅，并且通过矢量网络分析仪双端口校准，对系统失配误差、方向性误差、频率响应误差、泄露误差、仪器误差等多项误差进行了校准，因此其测试精度相对传统测试方案有大幅提高；

(4)本发明的校准过程和三阶互调特性测试过程(包含不同工作点的上行信号调平过程和下行信号测量过程)都是借助矢量网络分析仪内置的算法完成，测试人员仅需对矢量网络分析仪及开关矩阵进行相关参数配置，因此本发明方法的测试自动化程度更高，测试系统的鲁棒性也较传统系统更强，人为参与度低可以使得测试可靠性和安全性更高；

(5)本发明的测试方法具有较宽的可扩展性，可利用矢量网络分析仪进行多种扫描模式下的转发器IMD测量，除了本发明中保持主频和双波频差不变，扫描功率以外，还可以根据一些特殊测试需求，保持功率以及双波频差不变，扫描两个主频之间的中心频率；或是保持两个主频之间的中心频率和功率不变，扫描双波频差。在任何测量模式下，矢量网络分析仪接收机都会测量主频和各互调量的值，同时借助内置算法计算和显示三阶互调特性。因此本发明扩展之后，可以从多个角度更加全面地反映出转发器的非线性失真特性。

附图说明

图1为本发明基于矢量网络分析仪的转发器三阶互调测试方法原理框图；

图2为本发明矢量网络分析仪在测试三阶互调时的内部示意框图；

图3为本发明方法中使用的开关矩阵的内部结构框图；

图4为本发明方法中矢量网络分析仪的校准过程示意图。

具体实施方式

为了解决传统三阶互调测试方法效率低、测试系统误差不可控、以及测试设备繁多、系统搭建复杂等问题，本发明提出了一种以矢量网络分析仪为核心测试设备的转发器三阶互调测试方案。

本发明方法涉及的测试系统由一台PNA-X系列带有Swept IMD Converters测量模式和087、083测量选件的内置双源矢量网络分析仪和一台带有矢网测试通路的开关矩阵组成。其中矢量网络分析仪提供两个独立的转发器激励信号，并快速测量主音频点和互调频点处的转发器输出信号功率。矢量网络分析仪采用变频IMD的扫功率测试方法，固定双音激励信号的频点，扫描激励信号的功率；开关矩阵的作用是通过程控内部开关切换，完成矢量网络分析仪与不同上行、下行星地链路的连接，形成完整的测试回路。

图1所示为本发明提出的基于矢量网络分析仪的转发器三阶互调测试方案原理框图。利用矢量网络分析仪产生两个等幅的具有固定频率间隔的连续单载波从矢网PORT1输出，经过开关矩阵上行链路和上行星地电缆进入卫星转发器。转发器输出的下行信号(包含主音信号和互调信号)经过下行星地电缆和开关矩阵下行链路后进入矢网PORT2，由矢量网络分析仪接收机测得转发器三阶互调特性。

矢网选用Keysight公司的PNA-X系列，并需具有087、083选件，矢网内部示意图如图2所示。在测试三阶互调时，矢网内部两个独立的激励源(图2中信号源1、信号源2)通过内置机械开关(图2中SW)切至耦合器，经耦合器合路后进入参考信道功分器1，功分出的一路信号直接经过测试通道耦合器1的直通路从PORT1输出，功分出的另一路进入参考接收机1(A1)，以对PORT1输出信号进行监视和功率定标；PORT2的输入信号通过测试通道耦合器2进入测试接收机2(B2)，B2接收机会将频率自动调谐在双音信号的中心频点，并自动设置测量频宽，以同时测量主音信号和互调信号。其中参考接收机2(A2)、参考信道功分器2仅在信号源1切换至从PORT2输出时，才会使用到。

开关矩阵通过其内部的开关切换，建立从矢网测试端口到整星不同测试端口的连接，分别形成多个完整的测试回路，避免了测试人员通过频繁更换电缆连接来切换星地测试链路的种种弊端。本发明中开关矩阵内部原理及各端口标识如图3所示，其在传统测试用开关矩阵的基础上，单独设计并增加了上下行矢量网络分析仪测试通路(图3中加粗部分)。上行矢网测试通路增加一根半钢电缆和一个二选一的射频开关(图3中SW1)，连入后端已有的波束分路开关(图3中的SW2)，新增的矢网上行测试通路规避了传统方案开关矩阵中的合路器、耦合器等诸多射频无源器件，使得测试链路更简单、插损更小，并且也避免了未安装标准匹配负载而导致微波辐射和链路失配的风险。上行矢网测试通路的输入端口为新增，端口标识为“矢网A口”，输出端口为原有，端口标识为“卫星上行1、卫星上行2、卫星上行3、…、卫星上行6”。下行矢网测试通路仅在后级的多选一射频开关(图3中的SW4)中新增了一个可选支路，其余不变。下行矢网测试通路的输入端口为原有，端口标识为“卫星下行1、卫星下行2、卫星下行3、…、卫星下行6”，输出端口为新增，端口标识为“矢网B口”。

本发明中改造后的开关矩阵可完全兼容传统测试方案使用。

本发明的实现步骤如下：

1、测试系统校准

首先将系统连接为校准状态，即将功率计(仅校准用)后面板的GPIB口和矢量网络分析仪后面板的GPIB(0)Controller口相连接，以利用矢量网络分析仪控制功率计完成功率采集和校准。接着将电子校准件的USB接口连接矢量网络分析仪前面板的USB接口，为自动校准做预热。然后在矢量网络分析仪中建立测量通道，Measurement Class选择为Swept IMD Converters。设置通道扫描模式为扫频模式Swept fc(利用一次扫频校准完成对多个转发器通道的校准)和固定本振模式，并根据卫星基本参数对矢量网络分析仪扫描的上下行起始频率、上下行终止频率、校准功率(一般设置为-5dBm)、双波频差(Fixed DeltaF，一般设置为1～2MHz)、扫面点数等分别进行设置，其中扫描频率的起始范围需要包括转发器所有通道频段。扫描点数尽量多，以使矢量网络分析仪内插得出的校准数据更加接近所有通道的中心频点，真实有效。对矢量网络分析仪的校准用参数设置完成之后，即可打开矢量网络分析仪射频输出，开始频率扫描校准。

校准过程如图4所示，首先将测试短电缆1的一端连接至功率计探头，另一端连接至矢量网络分析仪PORT1端口，进行双源功率校准，使得双载波信号在测试短电缆1的输出端完全等幅，同时自动校准参考接收机A1。接着保持测试短电缆1和矢网PORT1的连接端不变，将另一端连接至电子校准件的PORTA，同时将测试短电缆2的一端连接至矢网PORT2，另一端连接至电子校准件的PORTB，自动完成二端口SC参数校准，通过校准数据可以获得B2接收机的响应。

矢量网络分析仪有内置的扫描IMD校准算法，测试人员只需按上述步骤连接功率计和电子校准件，整个校准过程完全由矢网内部自控完成。最后将校准完成后的测试通道存储为矢网内部的.csa文件，以备后续测试时调用。

2、连接系统测试链路

在完成测试系统校准之后，就可以搭建系统测试链路了。

首先将矢网PORT1通过步骤1中已进行过校准的测试短电缆1连接至开关矩阵前面板上的“矢网A口”输入端口，将矢网PORT2通过步骤1中已进行过校准的测试短电缆2连接至开关矩阵前面板上的“矢网B口”输出端口。然后将上行星地测试长电缆(通常为8～12米)的两端分别连至待测转发器的输入测试耦合器直通口和开关矩阵后面板上的相对应的上行波束端口(“卫星上行1”或“卫星上行2”或…或“卫星上行6”)；将下行星地测试长电缆(通常为8～12米)的两端分别连至待测转发器的输出测试耦合器耦合口(直通口连接大功率吸收负载)和开关矩阵后面板上相对应的下行波束端口(“卫星下行1”或“卫星下行2”或…或“卫星下行6”)。此外，开关矩阵前面板上的“频谱仪”端口(即下行通路耦合支路端口)需要端接匹配负载。系统中所有电缆连接需用标准力矩扳手紧固。测试链路连接框图如图1所示。

3、三阶互调测试

在完成了测试系统校准和测试链路连接之后，即可正式测试转发器三阶互调特性。首先，在矢量网络分析仪中调用步骤1中已存储好的.csa校准环境。接着将当前测量通道的扫描方式由频率扫描改为功率扫描(Power Swept)，以利用扫功率完成单路转发器在不同工作点的三阶互调特性测试。然后根据被测转发器的基本参数对矢量网络分析仪进行测试参数配置：

(1)根据测试基准(即把转发器推饱和时对应的矢网PORT1的输出功率，此数值由转发器其他测试项目的测量结果得出)及技术文件规定的转发器测试输入信号的功率范围，计算矢网内部双源的功率扫描范围。例如，若某待测转发器的测试基准为-10dBm(即矢网PORT1输出功率为-10dBm时，信号经过上行测试链路，进入转发器，刚好能将转发器推至饱和工作点)，技术文件规定该路转发器三阶互调测试的输入功率范围为饱和输入回退10dB至过饱和3dB，那么矢网PORT1输出功率范围就应为-20dBm至-7dBm，又因为PORT1输出的是等幅双载波，因此每个载波功率均需再回退3dB，即两个源的功率扫描范围均为-23dBm至-10dBm；最后将计算得出的两个源功率扫描范围在Swept IMDX Setup→Tone Power中进行设置。

(2)根据被测转发器相关参数，在Swept IMDX Setup→Mixer Frequency中设置矢网输出双载波主频之间的中心频率，即为被测转发器通道的上行中心频点；设置本振频率，即被测转发器通道的转换频率；设置矢网输入双载波主频之间的中心频率，即为被测转发器通道的下行中心频点。

(3)在Swept IMDX Setup→Tone Frequency中设置双波频差(Fixed DeltaF)，即输出双载波的频率间隔。频率间隔若太窄，激励源的相位噪声则有可能将互调分量淹没。频率间隔若太宽，互调分量则有可能落入转发器通道带外，被抑制无法准确测量。因此主频双波频率间隔需折中考虑，一般设置为1～2MHz，并且需要同步骤1中校准时的设置值一样；

(4)在Swept IMDX Setup→Tone Frequency中设置主频信号接收中频带宽(Main Tone IFBW)以及互调信号接收中频带宽(IM Tone IFBW)。本发明中，主频的中频带宽和互调信号的中频带宽可以分别设置，因此可以在测试精度和测试速度上做折中(中频带宽越窄，测量结果越精确，但测试速度越慢)。一般情况下Main Tone IFBW设置为100KHz(主频信号较大，容易测准)，IM Tone IFBW设置为1KHz(交调信号较小，若中频较宽则无法测准)；

(5)在Measure中，设置测量结果显示形式为IM3；

(6)开启嵌入式本振跟踪功能(Embedded LO)，以降低星地频偏带来的测量不确定度。

对测量参数设置完毕后，最后打开射频功率输出，开始由矢量网络分析仪内部自主完成功率扫描下的三阶互调特性测试。

矢量网络分析仪通过内置的应用功能来做完备的功率扫描三阶互调测量，因此可以在一个测量通道内测量和显示所有的主频和互调分量的功率，同时自动计算出所有所需工作点的三阶互调特性，并最终绘制出功率扫描模式下的三阶互调特性迹线。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。