功率放大器的基本指标分析

·增益和功率与频率的关系

·增益和功率与输入功率的关系

·1 dB压缩点

·相位与输入功率的关系

·谐波功率

·数字调制信号的ACP

·AM-PM转换

·为满足ACP的要求需要回退的程度

·数字调制信号的EVM

·为满足EVM的要求需要回退的程度

前五项测试利用VNA进行测试，第五项谐波功率利用频谱仪进行测试，其余测量取决于信号调制类型。利用频谱仪测量ACP，利用VSA测量EVM。

（1）线性输出功率（1 dB压缩点）

低噪声放大器、高功率放大器和微波混频器等均属于非线性微波器件。当这些器件工作于线性区时，可以认为增益是一个常数，即输出功率随输入功率的增加而增加。例如当输入功率增加3 dB时，输出功率亦增加3 dB，则说明此放大器工作在线性区。但是当输入功率增加到一定程度时，输出功率不再按比例增加，甚至有所下降，这表明当输入功率达到一定程度后，其增益不再是一个常数，这是由于放大器的非线性特性造成的，这种非线性特性用1 dB压缩点表征。1 dB压缩点指标是放大器线性放大能力的标志，也是放大器带负载能力的又一特征。

图8-14描述了放大器的基本输入—输出特性。在小信号区域，放大器的输出和输入呈线性关系。当输入功率增加时，输出功率逐渐接近非线性区，1 dB压缩点被定义为放大器的增益比小信号增益低1 dB时的输出功率，或者说被压缩1 dB时的输出功率（P1dB）。当输入功率进一步增加时，输出功率被继续压缩，3 dB压缩点以后，放大器的输出基本上饱和了。此时若再增加输入功率，输出功率不变了。通常将1 dB压缩点作为一个放大器的线性区和非线性区的分界点。从图中可以看出，1 dB压缩点的物理意义是：当输入功率逐步增加时，放大器由线性区进入非线性区，这一点定义为转折点；当输入功率继续增加时，放大器的功率增益在转折点后不再线性增加，而呈逐渐下降趋势（在放大器饱和之前，输出功率仍有所增加）。当放大器增益随输入功率电平增加而下降1 dB时，此时的输入功率所对应的放大器输出功率称为该放大器的1 dB压缩点。输出功率可用dBm或W（mW）来表示，其转换关系为：

功率放大器的很多指标（如增益、谐波和杂散）都是在被压缩1 dB的输出条件下测量的。

图8-14　功率放大器的输入-输出特性

（2）增益（G）

如图8-15所示是二端口放大器的等效电路图，其中Vs为信号源，Zs为信号源的阻抗：ZL为负载阻抗。从二端口网络的输入端向源看去的反射系数Γs与向放大器输入端看去的反射系数Γin是不同的；同样，从二端口网络的输出端向负载看去的反射系数ΓL与向放大器输出端看去的反射系数Γout也是不同的。放大器的增益与源阻抗Zs及负载阻抗ZL有关，增益有以下几种表达方式。

图8-15　单级放大器网络的功率传输图

①工作功率增益（GP）

工作功率增益定义为耗散在负载上的功率（PL）和传送到二端口网络的输入功率（Pin）之比，这个增益与源阻抗Zs无关，但与负载阻抗ZL有关。

②资用功率增益

资用功率增益（GA）也称为可用增益，其定义是二端口网络的输出功率（Pout）和源输出功率（Ps）之比，这里假设了源及负载均达到了共轭匹配，这个增益与Zs有关，但与ZL无关。

③转换功率增益

转换功率增益（GT）定义为耗散在负载上的功率（PL）和源输出功率（Ps）之比，这个增益与Zs和ZL都有关。

在实际应用中，最常用的是工作功率增益。在增益测量过程中，分别测量放大器的输入端功率和被负载吸收的功率，然后计算放大器的增益。

在功率放大器的产品手册中，常见到“小信号增益”和“线性增益”的指标。对于A类放大器，小信号增益是在低于1 dB压缩点的10 dB处测量的，而AB类和C类放大器则是在低于额定功率10 dB处测量的。用网络分析仪可以准确测量放大器的小信号增益。线性增益是在1 dB压缩点处测量的，它更能反映功率放大器的实际工作情况。(www.xing528.com)

（3）输入-输出隔离和（有源）方向性

放大器的输入-输出隔离度也称为反向增益，定义为反向加到输出端的功率与从输入端所测到的功率之比。而方向性则被定义为隔离度与正向增益的差值。

隔离度和方向性指标描述源和负载的隔离情况，表示放大器的负载阻抗对输入阻抗的影响，以及源阻抗对输出阻抗的影响。方向性越大，表示隔离越大，即源和负载之间的影响越小。

（4）谐波和杂散

放大器的谐波定义为等于工作频率力整数倍的无用信号，而杂散则是其他的无用信号。放大器是不会产生其他无用信号的，除非放大器的工作不稳定产生了自激。放大器的谐波和杂散用dBc来表示，即低于载频的dB值。

功率放大器的谐波和杂散是产生发射系统杂散干扰的重要原因。谐波因为远离载频，可以用滤波器滤除；而对付杂散则需要仔细寻找其来源，因为杂散信号有时会靠近载频。除了两个以上的载频同时进入到放大器的输入端会产生互调以外，当干扰信号从放大器的输出端反向进入放大器时，放大器也会产生互调。这有点类似各向异性器件的反向互调，通常，很多放大器制造商并不关心这项反向互调指标。

（5）互调失真（IMD）

当输入信号中含有两个以上频率分量时，非线性电路所产生的失真称为互调失真（IMD）。放大器互调失真通常指的是两个载频条件下的三阶互调失真（见图8-10），其计算公式如下：

（6）三次截获点（IP3）

当两个载频信号f1和f2同时进入放大器的输入端时，放大器会在输出端产生互调，其互调频率分量为：

式中，m和n为1到无穷大的整数。

互调的阶数定义为m+n，如2f1-f2、2f2-f1、3f1和3f2为三阶产物。前二者称为由于两个载频所产生的三阶互调产物，而后二者则是由单载频所产生的三次谐波产物。举例说明，如两个载频分别为950 MHz和952 MHz，则三阶互调产物为948 MHz和954 MHz，而单载频谐波为1 900 MHz和1 904 MHz。在放大器的线性区域内，当输入载频增加1 dB时，输出互调增加3 dB，而输出功率则增加1 dB。

图8-16　放大器的三阶截获点

我们将输出功率和互调的变化用坐标来表示（图8-16），其中X轴表示输入功率，Y轴表示输出功率。从图中可以发现输出电平按照1∶1的斜率随输入信号电平变化，而三阶互调失真则按照3∶1的斜率变化。虽然输出和三阶互调都会在某个功率电平上饱和，但将两条曲线的线性区分别延长并获得相交点，这个交点对应的X轴和Y轴的读数分别被称为输入和输出三次截获点（IP3）；而二者之差即为放大器的小信号增益，如输入IP3为5 dBm，输出IP3为50 dBm，则放大器增益为45 dB。

式中，为每载波的输出（dBm）IMD为互调产物，即每载波功率和互调功率之差。知道了放大器的IP3，也可以计算出IMD。

（7）电压驻波比（VSWR）

放大器的电压驻波比VSWR和其他射频和微波器件一样，定义为入射和反射电压之比。功率放大器的VSWR测量和分析要比无源器件复杂。比较容易测量的是放大器的小信号输入VSWR，用网络分析仪就可以准确测量。而放大器的输出VSWR测量就比较困难了，尤其是在大信号条件下。对于功率放大器而言，输出VSWR无疑是一项非常重要的指标，它关系到放大器工作的稳定性和效率。

在窄带功率放大器中，经常可以见到在输出端接有一个铁氧体环流器。环流器是一种各向异性的无源器件，所以对于一个装有环流器的放大器，从其输出端向放大器看去，无论是大信号还是小信号，其VSWR都是较为理想的。这种方法实际上“掩盖”了放大器真正的输出VSWR，如果先将放大器的输出VSWR调至理想的状态，然后再加装环流器，那么对提高放大器的工作效率和稳定性是大有裨益的。

（8）效率（η）

放大器的设计，首先要考虑的是稳定工作。其次重要的指标就是效率，效率越高，意味着放大器的稳定性越好，可靠性也就越高。效率用0%～100%的百分比表示，包括两种含义：直流（DC-RF）效率和功率增加效率。

直流效率（ηDC）是放大器的射频输出功率与放大器所消耗的直流功率之比：

式中，POUT为放大器的1 dB压缩点输出功率（W），PDC为消耗的直流功率（W）。

功率增加效率指标（ηΔP）则更加有意义，它是放大器产生的净功率，即射频输出功率和输入功率之差与放大器所消耗的直流功率之比：

式中，POUT为放大器的1 dB压缩点输出功率（W），PIN为放大器的输入射频功率（W），PDC为消耗的直流功率（W）。功率增加效率与放大器的增益有关。功率放大器测试应用中技术特点如表8-1所示。

表8-1　功率放大器测试应用中技术特点