[发明专利]一种行波管噪声功率比NPR快速计算方法

说明书

本发明属于行波管非线性失真技术领域，具体涉及一种行波管噪声功率比NPR快速计算方法。针对现有空间行波管非线性设计指标NPR预测困难，本发明利用行波管计算频率范围内增益及相移不变的特点，仅需在工作带宽内中心频率信号下对输入功率扫描一次，然后利用公式快速求解不同输入功率下多频输入信号的输出信号，对输出信号进行频谱分析，计算得到不同输入功率下的NPR。本发明有效的解决了利用注波互作用仿真计算NPR计算时间长，效率低的问题，实现了在行波管的设计阶段预测NPR，有效提高了行波管非线性设计与抑制的效率，节约了设计时间，降低了行波管研制的成本。

技术领域

本发明属于行波管非线性失真技术领域，具体涉及一种行波管噪声功率比(NPR)快速计算方法。

背景技术

行波管是宽频带大功率的真空电子器件，广泛应用与雷达、通信、导航等领域。空间行波管以其大功率、高效率、超宽带、高可靠、长寿命以及抗辐射等特性被广泛应用于通信卫星系统中,空间行波管作为卫星通信的末级放大器，承担着信号放大传输的重要作用。在卫星通信中，为了降低卫星有效载荷的功耗，在有限的可用频率带宽下，使用多载波工作模式来提高系统数据传输容量，需要通过单一空间行波管放大器实现多通道通信，即行波管的工作带宽被划分为多个信道，可以同时传输多路信号。由于行波管内非线性失真的影响，在通信过程中多路信号的并发，会导致多路信号间相互干扰，影响着卫星通信、数据传输的准确性。为保证通信质量，要求空间行波管具有良好的线性度。为了降低信号间的相互串扰，降低系统的误码率，传统方法采取工作点功率回退方式降低非线性失真影响，一方面降低信号功率影响通信距离另一方面也降低了行波管的工作效率，对能源极度紧张的通信卫星造成损失。因此噪声功率比需要在行波管设计时进行准确计算和抑制分析。

为了满足严格的线性要求，传统的线性度指标例如调幅-调幅特性和调幅-调相特性等指标不足以准确衡量行波管多载波工作模式下的线性度，需要指定更高级的线性度指标。噪声功率比(NPR)特别适用于分析多载波信号驱动的行波管放大器的线性特性，该判据可以考虑所有类型的干扰，包括噪声、互调、通道间干扰和外通道干扰。评估NPR需要输入复杂的激励信号。该信号需具有高斯白噪声信号的特征，且有部分频谱被移除(频谱凹陷)。当把此信号输入到空间行波管中，空间行波管的非线性会导致输出信号中出现输入信号频谱中被移除的特定频率频谱成分。噪声功率比定义为输出信号频谱凹陷之外的功率谱密度与凹陷处的功率谱密度之比，快速准确预测噪声功率比一直是高线性度空间行波管设计的重要课题。

行波管工作的核心是电子注与电磁波相互作用过程：在真空的管壳内部，一束从阴极发生的电子注以一定的速度与携带频率信号的电磁波同向传输，在这过程中电子被电磁波调制，也激励电磁波能量放大，最终电磁波信号被放大，剩余电子注被收集极收集。整个电子注与电磁波发生能量交换的过程叫做注波互作用过程。目前行波管的注波互作用仿真计算通常采用拉格朗日频域非线性注波互作用模型，该模型需要采取有限多个宏电子表征周期时间内不同时间相位的电子状态。利用该模型能快速准确地对注波互作用进行仿真计算。通常单频率信号的一次注波互作用过程仿真计算时间在数十秒以内，通常采用32个时间相位的宏电子即可收敛，但是随之输入信号数目的增加，需要产生极多的宏电子才能计算准确，而计算NPR需要输入几十个甚至上千个频率信号，导致计算时间太久，软件计算崩溃，而且存在计算收敛问题。

目前国内关于空间行波管噪声功率比仿真的快速计算方法研究较少，测试空间行波管的噪声功率比的过程复杂且耗时太长，而且测试行波管的NPR都是在行波管制造完成后进行测试，这时如果NPR不满足用户要求的非线性指标，则需要重新对行波管进行设计、制造，这就大大增加了行波管的研制成本。很多国产空间行波管因不能满足严格的非线性指标，而无法满足大部分数用户需求。因此无法预测行波管NPR制约了行波管非线性设计与抑制,大大增加了高线性度行波管研制成本，增加了研制周期，制约了空间行波管的性能。

发明内容