微波放大器设计及测试

1、微波放大器的设计及测试微波放大器的设计及测试主要内容p 放大器概述p 放大器的分类p 小信号放大器的特性指标p 功率放大器p 功率放大器的特性指标p 放大器的测试方法RF/MW放大器概述n 放大器是无线收发机中的重要组成部件。n 类似于低频放大器，RF/MW放大器电路是为了获取稳定的增益，其基本原理相同。n 在RF/MW放大器电路中通常使用二端口网络进行描述，用S参量表述晶体管的特性，因此其分析和设计也是基于S参量和二端口网络。n 对射频电路而言，要特别关注输入端与输出端的阻抗匹配问题。RF/MW放大器概述p 放大器的基本组成放大器设计放大器设计RF/MW放大器的分类p按用途：按用途：n低噪声

2、放大器n中频放大器n可变增益放大器n功率放大器中功率放大器、大功率放大器中功率放大器、大功率放大器。p按信号的强弱：按信号的强弱：n小信号放大器n大信号放大器p按工作范围：按工作范围：n宽带放大器n窄带放大器p按电路组态工作点的位置：按电路组态工作点的位置：nA(甲)类、B(乙)类、C（丙）类等小信号放大器的性能指标p 增益和增益平坦度（以dB表示）p 工作频率及带宽（单位Hz）p 稳定性p 噪声系数（以dB表示）p 输出功率（单位dBm）p 输入输出端口匹配( 反射系数或驻波比)p 直流工作电压和电流（单位V和A）p 其他参数：n线性度（动态范围）、交调失真、谐波、反向隔离等小信号放大器不同

3、的设计方法p 一般放大器电路，根据信号输入功率不同可以分为：n小信号放大器n低噪声放大器n功率放大器p 小信号放大器根据增益规格和设计考量，可分为：n最大增益n固定增益p 放大器就S参数设计考量则可有：n单向设计n双向共轭匹配设计小信号放大器的设计目标p 在设计放大器时，一般有以下几种目标：n以达到最大功率增益为目标；n以达到最稳定增益为目标；n要达到某一确定的增益值（小于最大增益）；n以达到最小噪声系数为目标；n综合考虑以上目标。p 这些设计目标均可以按照网络的S参数导出相应的公式。p 对于不同的设计原则，相应的匹配网络匹配网络的结构也就不一样。功率放大器p 功率放大器（PA）一般是发射机系

4、统的末级，其作用是把信号功率最终放大到足够的电平，以便能通过适当的天线进行微波发射。p 功率放大器是将直流输入功率转化为射频/微波输出功率的电路，其基本要求有：n输出功率尽可能大n非线性失真要小n效率要高n要充分考虑功放管的散热p功率放大器输出功率可达几百毫瓦至几瓦，前述的小信号理论会失效，必须获得大信号参数。PA与小信号放大器的区别p 大信号工作n需要有足够的电流驱动能力和击穿电压o 如30dB50=1W=10V200mAn非线性p 功率增益和电压增益的区别n低频射极跟随器，没有电压增益n功率增益GT=8.7dBPA与小信号放大器的区别p 共轭匹配不一定是最佳选择n为了从一个给定的信号源获取

5、最大的功率，心也要负载与信号源内阻共轭匹配，实现的功率传输效率为50，即一半功率消耗在内阻。n对于放大器，电压源的负载电阻越大，电流源的负载电阻越小，内阻上的消耗就越小。p 效率和线性度：最基本的要求和矛盾n小信号放大器通常不存在效率问题，但由于功放消耗的巨大功率，效率成为关键指标之一，尤其对于电池供电系统。PA的主要性能指标p 工作频带n 工作频带是指放大器满足全部性能指标的连续频率范围。n 硅双极型晶体管功率放大器和硅金属氧化物场效应管功率放大器的工作频率是从300MHz到4GHz；n 砷化镓场效应管功率放大器的工作频率是从1GHz到几十GHz。PA的主要性能指标p 输出功率和增益n 在小

6、信号工作条件下，网络分析仪可以精确确定小信号增益。幅度一般以dB表示，相位以度表示。n 传送到负载（一般为50 终端）的功率可以用微波功率计测量。单位通常以“dBm”表示。PA的主要性能指标p 饱和输出功率和1dB压缩点n依赖于偏置和负载，功率随输入功率呈线性增加，直到放大器开始受到压缩。n在压缩点，增益开始作为输入功率的函数下降，最终PA的输出功率没有任何增加，即“饱和输出功率”。n功率放大器增益压缩1dB所对应的输出功率称为1dB压缩点输出功率，记作P1dB。n1dB压缩点常被用来衡量放大器的功率容量。n显然，1dB压缩点的相应增益G1dB=G0-1dB，其中G0是放大器的小信号增益。PA

7、的主要性能指标p 效率和功率附加效率（Power Added Efficiency）n功放将电源的直流功率转化成交流信号功率输出，只有一部分直流功率被转化成为有用的信号功率并为负载所获得，另一部分被放大器本身以及电路中的寄生元件所消耗。n考虑了放大器的放大能力后，定义PAE：n效率和线性度矛盾的另一方面：输出功率越大，效率越高，由非线性所引起的失真或干扰也越强。LPDPP射频输出功率直流输入功率1(1)LinaddDPPPG射频输出功率射频输入功率直流输入功率PA的主要性能指标p 功率(或增益) 控制n有效的节省能量、减少对其他用户干扰的手段，在CDMA系统中更是一个基本要求。n可以通过模拟信

8、号(连续变化) 或数字信号(按一定的步长或dB 值变化) 控制。p 输入输出反射系数或驻波比nPA的输出反射损耗（S22）通常较差，因为良好反射损耗的匹配不同于最大功率的匹配。n为了获得最大的输入功率，需要较小的输入反射系数；为了获得高效率，通常会在输出端形成较大的驻波比。n典型值为：输入，-10dB -20dB；输出， -5dB -10dB。PA的主要性能指标p 动态范围动态范围n 动态范围是放大器的一个主要指标，用Pout,1dB和Pout,mds之差表示了放大器的线性放大区，即：o dR= Pout,1dB - Pout,mdso Pout,mds为对应于最小输入信号的输出功率，在多数情

9、况下，Pout,mds量值取输出噪声功率 Pn,out的2倍（即增加3 dB）。n 器件随机噪声：PNA = kTBk = 波尔兹曼常量波尔兹曼常量(1.38 * 10-23焦耳焦耳/ K),T = 温度，单位为开尔文温度，单位为开尔文B = 噪声带宽噪声带宽(Hz) 在室温在室温(290 K)时，噪声功率谱密度时，噪声功率谱密度PNAD = -173.8 dBm/Hz。PA的主要性能指标p 动态范围2211nnPPPPF 由于所以放大器的输出噪声功率为：Pn,out = kTBG0F故Pout,mds = 2kTBG0F若用dBm表示，上式可变为,0()10lg() 10lg()()3out

10、 mdsPdBmkTBG dBF dBdB在 T=300K时，10log(kT) = -173.8 dBm，B为放大器带宽。k = 波尔兹曼常量波尔兹曼常量(1.38 * 10-23焦耳焦耳/ K),T = 温度，单位为开尔文温度，单位为开尔文B = 噪声带宽噪声带宽(Hz) 在室温在室温(290 K)时，噪声功率谱密度时，噪声功率谱密度PNAD = -173.8 dBm/Hz。PA的主要性能指标p 三阶交调失真n交调也是输入大信号时的一个特性。大信号时，输出端存在各种阶次的交调分量，尤以三阶干扰突出。n三阶交调分量（2i i+1和i+12i）和与基波信号角频率（i和i+1）非常接近，不可能把

11、它从信道中滤除。n定义三阶交调失真：)(2()()(122dBmffPdBmfPdBIMDoutoutPA的主要性能指标p 三阶交截点nPout(f2)是基波分量频率为f2的线性输出功率nPout(2f2f1)为三阶交调分量的输出功率nPout(f2)与P(2f2f1)两条直线有一交点，称为三阶截点（IP3）如果忽略如果忽略3阶以上交调，则此截阶以上交调，则此截点是个固定点，与放大器的特定点是个固定点，与放大器的特定增益无关。可用来作为量化交调增益无关。可用来作为量化交调失真的参数失真的参数p 微波放大器的测试n 微波网络分析仪的使用n 频谱分析仪的使用n 微波放大器增益的测试n P-1的测试

12、小信号放大器的测试测试框图测试框图 被被测功分器测功分器网络分析仪网络分析仪微带功分器的测试测试框图 信信号号源源衰衰减减器器被被测测放放大大器器频频谱谱仪仪小信号放大器的测试信信号号源源衰衰减减器器被被测测放放大大器器功功率率计计小信号放大器的测试p 微波功率放大器的测试n 微波功率计的使用n 用微波功率计测试放大器增益n 用微波功率计测试放大器增益输出功率p 测试步骤 n 仪器开机预热15分钟后进行系统校准n 根据被测放大器的工作频率范围设置合成源和标量网络分析仪的频率范围 n 接入被测放大器后，将放大器的电源端与稳压电源相连，打开合成源的信号输出开关和稳压电源开关 n 记录标量网络分析仪

13、上的测试数据 小信号放大器的测试小信号放大器的测试n 小信号放大器试验数据2GHz2.05GHz2.1GHz2.15MHz2.5GHzS11(dB)s21(dB)s22(dB)电压：电流：电压：电流： 功耗功耗增益增益:dB电压驻波比电压驻波比(输入，输出端口输入，输出端口)：VSWR11VSWR小信号放大器的测试n 小信号放大器试验数据（2GHz时测试）输入功率0dBm1dBm2dBm3dBm输出功率二次谐波功率三次谐波功率Pin-1dB：POUT-1dB：小信号放大器的测试n 功率放大器试验数据400MHz450MHz500MHz550MHz1GHzS11(dB)s21(dB)s22(dB)电压：电流：电压：电流： 功耗：功耗： 功率附