摘要：文章介紹了微波功率放大器在無線通訊測(cè)試中的應(yīng)用，詳細(xì)闡述了可能對(duì)此類測(cè)試造成影響的3IM、IP3、IMD3 等關(guān)鍵參數(shù)的原理及其測(cè)試方法，介紹了AR"S" 系列微波功率放大器在此類測(cè)試中的獨(dú)特設(shè)計(jì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1 QFN 封裝特點(diǎn)

AR 射頻/ 微波儀表部門， 可設(shè)計(jì)制造頻率覆蓋DC~45GHz，功率覆蓋1~16000W 的功率放大器。應(yīng)用范圍包
含了電磁兼容測(cè)試(EMC)，射頻元器件測(cè)試、物理學(xué)(等離子體生長)和化學(xué)(質(zhì)譜)應(yīng)用，軍工(干擾器、雷達(dá))，材料試驗(yàn)(超聲波)，醫(yī)療診斷測(cè)試(核磁共振，MRI)和一般實(shí)驗(yàn)室使用。本文將主要討論AR "S" 系列微波功率放大器在無線通信測(cè)試中的應(yīng)用。
在過去二十多年中，無線通信應(yīng)用呈現(xiàn)爆炸式增長。從AT&T 在1983 年研制開發(fā)Advanced Mobile Phone Service
(AMPS)開始，個(gè)人通訊服務(wù)(PCS)迅速開始盛行。在此期間，通訊測(cè)試系統(tǒng)對(duì)高線性功率放大器的需求程度從未降低。對(duì)放大器的另一個(gè)要求既是頻率覆蓋范圍，表1 中列舉了我國部分民用無線通訊系統(tǒng)的適用頻率范圍，表1 中清楚地顯示了在800MHz~4GHz 頻帶范圍內(nèi)頻率應(yīng)用劃分。AR 射頻/ 微波儀表部門為適應(yīng)無線通訊測(cè)試需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了寬頻帶、高線性的"S" 系列A 級(jí)微波功率放大器。從800MHz 到18GHz 超寬頻帶范圍，功率覆蓋1~800W，能符合任何無線通訊測(cè)試的應(yīng)用。

2 3IM 的定義和測(cè)量方法

功率放大器的頻率范圍由通訊適用頻段而定，同時(shí)對(duì)于無線測(cè)試應(yīng)用還要求放大器的高線性，理想的功率放大器能
真實(shí)再現(xiàn)輸入信號(hào)，而不加入額外的頻率輸出(雜散)。但是，實(shí)際應(yīng)用中的功率放大器都存在一定程度的非線性。在線性放大器的設(shè)計(jì)當(dāng)中，設(shè)計(jì)人員往往會(huì)被半導(dǎo)體器件固有的非線性所限制。這在單頻點(diǎn)放大時(shí)并不是一個(gè)嚴(yán)重的問題，但在實(shí)際無線通訊中信號(hào)往往是多頻點(diǎn)發(fā)射。放大器由于多頻點(diǎn)輸入造成一定程度的非線性，稱之為互調(diào)失真(IMD)。互調(diào)失真主要表現(xiàn)為放大器輸出除了基波之外還包含所有可能的雜散成分。除了諧波之外，這些雜散成分還可能是兩基波一切可能的和、差頻點(diǎn)，定義為集電極電流冪級(jí)數(shù)展開。
雜散頻率一般表示為：
fs =±Mf1±Nf2 (1)
其中，fs 為雜散頻率，M& N 為大于1 的正整數(shù)，f1 、f2 為基波。
圖1 所示顯示了當(dāng)輸入基波為f1、f2時(shí)，放大器的典型輸出，除f1、f2 以外的雜散信號(hào)均為互調(diào)失真導(dǎo)致的。


從圖1 中容易看出，三階互調(diào)(2f1－f2)和(2f2－f1)是最重要的失真信號(hào)，因?yàn)樗鼈冏羁拷ㄐ盘?hào)，其余重要的失真信號(hào)包含三階互調(diào)(2f1 ＋f2)和(2f2 ＋f1)，以及二階互調(diào)(f1 －f2)， (f1 ＋f2)； (2f1)和(2f2 )。
圖1 中還描述了一種相對(duì)簡(jiǎn)單和寬泛的功率放大器線性的驗(yàn)證測(cè)試方法，叫做" 雙頻" 測(cè)試法，利用兩個(gè)相對(duì)靠近的
基波作為放大器的輸入信號(hào)。通常規(guī)定將基波輸出定義為1dB 壓縮點(diǎn)以下6dB 的水平，而AR 的"S" 系列放大器在測(cè)試時(shí)一般將輸出定義為1dB 壓縮點(diǎn)以下10dB，以此避免任何由于基波相位和峰值包絡(luò)變化引起的增益飽和，從而使測(cè)試余量小于6dB 的水平。工作在1dB 壓縮點(diǎn)以下10dB 的水平，就可以距離6dB 的水平有了4dB 的余量。互調(diào)失真的水平主要由3IM來體現(xiàn)，3IM被定義為最靠近基波的三階互調(diào)和基波的相對(duì)值。

3 三階截點(diǎn)(IP3)的定義與測(cè)量方法

另外一種更加方便和準(zhǔn)確的功率放大器線性定義，就是所謂的三階截點(diǎn)(IP3)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于，它是由放大器測(cè)試數(shù)據(jù)推算得出，利用遠(yuǎn)低于飽和狀態(tài)下的測(cè)試數(shù)據(jù)即可得出結(jié)論。


圖2 所示假設(shè)了一個(gè)放大器輸入輸出關(guān)系，此放大器一樣遵循圖1 中的雜散規(guī)律。基波輸出為一斜率為1 的一次函
數(shù)(m=1)。輸出功率隨著輸入功率的增長而線性增長，直到放大器的限流效應(yīng)導(dǎo)致功率輸出逐漸降低，從而偏離了線性關(guān)系。功率實(shí)際輸出和理想輸出相差1dB 時(shí)定義為1dB 壓縮點(diǎn)。
三階互調(diào)的分量也在圖2 中表示出來，這些分量的功率遠(yuǎn)小于基波，但是其增長斜率卻為3(m=3)， IP3 的定義即為兩條曲線延長后的交點(diǎn)，在這一點(diǎn)，三階互調(diào)分量的水平和基波水平相等。值得注意的是， IP3 不是一個(gè)實(shí)際測(cè)量值，而是一個(gè)通過延伸曲線得出的一個(gè)理論值。在1dB 壓縮點(diǎn)以內(nèi)，功率放大器都能保持很好的線性，所以兩條曲線是非常容易得出的。IP3是由三階互調(diào)分量定義得出的，在實(shí)際中，功率放大器在達(dá)到這一點(diǎn)之前就已經(jīng)處在完全飽和的工作狀態(tài)了。即便如此，IP3依舊是一個(gè)非常重要的數(shù)值。
值得關(guān)注的是， IP3 與實(shí)際功率輸出有如下的關(guān)系：
IP3=Power(f1×f2)+ 3IM/2       (2)
其中，Power(f1+f2)為基波功率。
在AR 對(duì)3IM的實(shí)際測(cè)試中，基波水平是低于1dB 壓縮
點(diǎn)10dB，因此：
Power(f1+f2)=P0- 10dB       (3)
其中，P0
是放大器在1dB 壓縮點(diǎn)的輸出功率。
聯(lián)立式(2)可得：
3IM=2[IP3- Power(f1×f2) ]       (4)
 

表2

 

式(4)顯示IP3 在真實(shí)系統(tǒng)要求中的重要作用。AR 功率放大器的技術(shù)文檔一般都標(biāo)明了IP3的值。有了IP3
的數(shù)值，可輕松計(jì)算出在一定功率工作狀態(tài)下的三階互調(diào)分量(IM3)，相反，也可在規(guī)定3IM和線性功率得出IP3。

4 結(jié)束語

表2 所示列出部分AR "S" 系列微波功率放大器的IP3值。AR 射頻/ 微波儀表部門在這個(gè)系列微波功率放大器的設(shè)計(jì)研發(fā)中，一直與通信設(shè)備供應(yīng)商保持著良好的開發(fā)合作關(guān)系，以保證其在無線通訊測(cè)試應(yīng)用中的優(yōu)異表現(xiàn)。憑借著多種自身專有技術(shù)，在放大器的噪聲抑制、提高線性度以及減少相鄰信道干擾等方面均有較好的表現(xiàn)。如此，使得"S" 系列微波功率放大器能有效地應(yīng)用于模擬FDMA 的頻率分割、數(shù)字TDMA 和GSM 等多址接入技術(shù)， 也可以應(yīng)用于CDMA、W- CDMA 等窄頻通信的擴(kuò)頻技術(shù)。在實(shí)際無線應(yīng)用中，"S" 系列微波功率放大器有效地降低雜散信號(hào)，能更有效地提供頻譜利用率，在多址編碼的實(shí)際使用中，通過IP3 可對(duì)線性度和頻率再生進(jìn)行良好的預(yù)測(cè)。因此， IP3 是一個(gè)功率放大器是否可以應(yīng)用于無線通訊測(cè)試的重要確定程序。除了上述提及AR 對(duì)IP3 平均4dB 的改善，AR "S" 系列微波功率放大器還應(yīng)用了獨(dú)特的電路板設(shè)計(jì)，實(shí)踐證明，這樣的設(shè)計(jì)可為IP3 的改善增加3dB。
總之，AR "S" 系列微波功率放大器低噪聲和低雜散的特性使其完全適用于無線測(cè)試應(yīng)用。超寬測(cè)頻率覆蓋范圍，不僅適用與4GHz 以下常用的手機(jī)、藍(lán)牙等無線通訊測(cè)試，還能覆蓋高達(dá)18GHz 的頻率范圍，使其可應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、雷達(dá)測(cè)試等特殊領(lǐng)域。