微波放大器設(shè)計及測試

1、微波放大器的設(shè)計及測試微波放大器的設(shè)計及測試主要內(nèi)容p 放大器概述p 放大器的分類p 小信號放大器的特性指標p 功率放大器p 功率放大器的特性指標p 放大器的測試方法RF/MW放大器概述n 放大器是無線收發(fā)機中的重要組成部件。n 類似于低頻放大器，RF/MW放大器電路是為了獲取穩(wěn)定的增益，其基本原理相同。n 在RF/MW放大器電路中通常使用二端口網(wǎng)絡(luò)進行描述，用S參量表述晶體管的特性，因此其分析和設(shè)計也是基于S參量和二端口網(wǎng)絡(luò)。n 對射頻電路而言，要特別關(guān)注輸入端與輸出端的阻抗匹配問題。RF/MW放大器概述p 放大器的基本組成放大器設(shè)計放大器設(shè)計RF/MW放大器的分類p按用途：按用途：n低噪聲

2、放大器n中頻放大器n可變增益放大器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按信號的強弱：按信號的強弱：n小信號放大器n大信號放大器p按工作范圍：按工作范圍：n寬帶放大器n窄帶放大器p按電路組態(tài)工作點的位置：按電路組態(tài)工作點的位置：nA(甲)類、B(乙)類、C（丙）類等小信號放大器的性能指標p 增益和增益平坦度（以dB表示）p 工作頻率及帶寬（單位Hz）p 穩(wěn)定性p 噪聲系數(shù)（以dB表示）p 輸出功率（單位dBm）p 輸入輸出端口匹配( 反射系數(shù)或駐波比)p 直流工作電壓和電流（單位V和A）p 其他參數(shù)：n線性度（動態(tài)范圍）、交調(diào)失真、諧波、反向隔離等小信號放大器不同

3、的設(shè)計方法p 一般放大器電路，根據(jù)信號輸入功率不同可以分為：n小信號放大器n低噪聲放大器n功率放大器p 小信號放大器根據(jù)增益規(guī)格和設(shè)計考量，可分為：n最大增益n固定增益p 放大器就S參數(shù)設(shè)計考量則可有：n單向設(shè)計n雙向共軛匹配設(shè)計小信號放大器的設(shè)計目標p 在設(shè)計放大器時，一般有以下幾種目標：n以達到最大功率增益為目標；n以達到最穩(wěn)定增益為目標；n要達到某一確定的增益值（小于最大增益）；n以達到最小噪聲系數(shù)為目標；n綜合考慮以上目標。p 這些設(shè)計目標均可以按照網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)導(dǎo)出相應(yīng)的公式。p 對于不同的設(shè)計原則，相應(yīng)的匹配網(wǎng)絡(luò)匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)也就不一樣。功率放大器p 功率放大器（PA）一般是發(fā)射機系

4、統(tǒng)的末級，其作用是把信號功率最終放大到足夠的電平，以便能通過適當?shù)奶炀€進行微波發(fā)射。p 功率放大器是將直流輸入功率轉(zhuǎn)化為射頻/微波輸出功率的電路，其基本要求有：n輸出功率盡可能大n非線性失真要小n效率要高n要充分考慮功放管的散熱p功率放大器輸出功率可達幾百毫瓦至幾瓦，前述的小信號理論會失效，必須獲得大信號參數(shù)。PA與小信號放大器的區(qū)別p 大信號工作n需要有足夠的電流驅(qū)動能力和擊穿電壓o 如30dB50=1W=10V200mAn非線性p 功率增益和電壓增益的區(qū)別n低頻射極跟隨器，沒有電壓增益n功率增益GT=8.7dBPA與小信號放大器的區(qū)別p 共軛匹配不一定是最佳選擇n為了從一個給定的信號源獲取

5、最大的功率，心也要負載與信號源內(nèi)阻共軛匹配，實現(xiàn)的功率傳輸效率為50，即一半功率消耗在內(nèi)阻。n對于放大器，電壓源的負載電阻越大，電流源的負載電阻越小，內(nèi)阻上的消耗就越小。p 效率和線性度：最基本的要求和矛盾n小信號放大器通常不存在效率問題，但由于功放消耗的巨大功率，效率成為關(guān)鍵指標之一，尤其對于電池供電系統(tǒng)。PA的主要性能指標p 工作頻帶n 工作頻帶是指放大器滿足全部性能指標的連續(xù)頻率范圍。n 硅雙極型晶體管功率放大器和硅金屬氧化物場效應(yīng)管功率放大器的工作頻率是從300MHz到4GHz；n 砷化鎵場效應(yīng)管功率放大器的工作頻率是從1GHz到幾十GHz。PA的主要性能指標p 輸出功率和增益n 在小

6、信號工作條件下，網(wǎng)絡(luò)分析儀可以精確確定小信號增益。幅度一般以dB表示，相位以度表示。n 傳送到負載（一般為50 終端）的功率可以用微波功率計測量。單位通常以“dBm”表示。PA的主要性能指標p 飽和輸出功率和1dB壓縮點n依賴于偏置和負載，功率隨輸入功率呈線性增加，直到放大器開始受到壓縮。n在壓縮點，增益開始作為輸入功率的函數(shù)下降，最終PA的輸出功率沒有任何增加，即“飽和輸出功率”。n功率放大器增益壓縮1dB所對應(yīng)的輸出功率稱為1dB壓縮點輸出功率，記作P1dB。n1dB壓縮點常被用來衡量放大器的功率容量。n顯然，1dB壓縮點的相應(yīng)增益G1dB=G0-1dB，其中G0是放大器的小信號增益。PA

7、的主要性能指標p 效率和功率附加效率（Power Added Efficiency）n功放將電源的直流功率轉(zhuǎn)化成交流信號功率輸出，只有一部分直流功率被轉(zhuǎn)化成為有用的信號功率并為負載所獲得，另一部分被放大器本身以及電路中的寄生元件所消耗。n考慮了放大器的放大能力后，定義PAE：n效率和線性度矛盾的另一方面：輸出功率越大，效率越高，由非線性所引起的失真或干擾也越強。LPDPP射頻輸出功率直流輸入功率1(1)LinaddDPPPG射頻輸出功率射頻輸入功率直流輸入功率PA的主要性能指標p 功率(或增益) 控制n有效的節(jié)省能量、減少對其他用戶干擾的手段，在CDMA系統(tǒng)中更是一個基本要求。n可以通過模擬信

8、號(連續(xù)變化) 或數(shù)字信號(按一定的步長或dB 值變化) 控制。p 輸入輸出反射系數(shù)或駐波比nPA的輸出反射損耗（S22）通常較差，因為良好反射損耗的匹配不同于最大功率的匹配。n為了獲得最大的輸入功率，需要較小的輸入反射系數(shù)；為了獲得高效率，通常會在輸出端形成較大的駐波比。n典型值為：輸入，-10dB -20dB；輸出， -5dB -10dB。PA的主要性能指標p 動態(tài)范圍動態(tài)范圍n 動態(tài)范圍是放大器的一個主要指標，用Pout,1dB和Pout,mds之差表示了放大器的線性放大區(qū)，即：o dR= Pout,1dB - Pout,mdso Pout,mds為對應(yīng)于最小輸入信號的輸出功率，在多數(shù)情

9、況下，Pout,mds量值取輸出噪聲功率 Pn,out的2倍（即增加3 dB）。n 器件隨機噪聲：PNA = kTBk = 波爾茲曼常量波爾茲曼常量(1.38 * 10-23焦耳焦耳/ K),T = 溫度，單位為開爾文溫度，單位為開爾文B = 噪聲帶寬噪聲帶寬(Hz) 在室溫在室溫(290 K)時，噪聲功率譜密度時，噪聲功率譜密度PNAD = -173.8 dBm/Hz。PA的主要性能指標p 動態(tài)范圍2211nnPPPPF 由于所以放大器的輸出噪聲功率為：Pn,out = kTBG0F故Pout,mds = 2kTBG0F若用dBm表示，上式可變?yōu)?0()10lg() 10lg()()3out

10、 mdsPdBmkTBG dBF dBdB在 T=300K時，10log(kT) = -173.8 dBm，B為放大器帶寬。k = 波爾茲曼常量波爾茲曼常量(1.38 * 10-23焦耳焦耳/ K),T = 溫度，單位為開爾文溫度，單位為開爾文B = 噪聲帶寬噪聲帶寬(Hz) 在室溫在室溫(290 K)時，噪聲功率譜密度時，噪聲功率譜密度PNAD = -173.8 dBm/Hz。PA的主要性能指標p 三階交調(diào)失真n交調(diào)也是輸入大信號時的一個特性。大信號時，輸出端存在各種階次的交調(diào)分量，尤以三階干擾突出。n三階交調(diào)分量（2i i+1和i+12i）和與基波信號角頻率（i和i+1）非常接近，不可能把

11、它從信道中濾除。n定義三階交調(diào)失真：)(2()()(122dBmffPdBmfPdBIMDoutoutPA的主要性能指標p 三階交截點nPout(f2)是基波分量頻率為f2的線性輸出功率nPout(2f2f1)為三階交調(diào)分量的輸出功率nPout(f2)與P(2f2f1)兩條直線有一交點，稱為三階截點（IP3）如果忽略如果忽略3階以上交調(diào)，則此截階以上交調(diào)，則此截點是個固定點，與放大器的特定點是個固定點，與放大器的特定增益無關(guān)?？捎脕碜鳛榱炕徽{(diào)增益無關(guān)?？捎脕碜鳛榱炕徽{(diào)失真的參數(shù)失真的參數(shù)p 微波放大器的測試n 微波網(wǎng)絡(luò)分析儀的使用n 頻譜分析儀的使用n 微波放大器增益的測試n P-1的測試

12、小信號放大器的測試測試框圖測試框圖 被被測功分器測功分器網(wǎng)絡(luò)分析儀網(wǎng)絡(luò)分析儀微帶功分器的測試測試框圖 信信號號源源衰衰減減器器被被測測放放大大器器頻頻譜譜儀儀小信號放大器的測試信信號號源源衰衰減減器器被被測測放放大大器器功功率率計計小信號放大器的測試p 微波功率放大器的測試n 微波功率計的使用n 用微波功率計測試放大器增益n 用微波功率計測試放大器增益輸出功率p 測試步驟 n 儀器開機預(yù)熱15分鐘后進行系統(tǒng)校準n 根據(jù)被測放大器的工作頻率范圍設(shè)置合成源和標量網(wǎng)絡(luò)分析儀的頻率范圍 n 接入被測放大器后，將放大器的電源端與穩(wěn)壓電源相連，打開合成源的信號輸出開關(guān)和穩(wěn)壓電源開關(guān) n 記錄標量網(wǎng)絡(luò)分析儀

13、上的測試數(shù)據(jù) 小信號放大器的測試小信號放大器的測試n 小信號放大器試驗數(shù)據(jù)2GHz2.05GHz2.1GHz2.15MHz2.5GHzS11(dB)s21(dB)s22(dB)電壓：電流：電壓：電流： 功耗功耗增益增益:dB電壓駐波比電壓駐波比(輸入，輸出端口輸入，輸出端口)：VSWR11VSWR小信號放大器的測試n 小信號放大器試驗數(shù)據(jù)（2GHz時測試）輸入功率0dBm1dBm2dBm3dBm輸出功率二次諧波功率三次諧波功率Pin-1dB：POUT-1dB：小信號放大器的測試n 功率放大器試驗數(shù)據(jù)400MHz450MHz500MHz550MHz1GHzS11(dB)s21(dB)s22(dB)電壓：電流：電壓：電流： 功耗：功耗： 功率附