功率放大器關鍵技術參數(shù)校準方法及不確定度分析

李 渤

(中國計量科學研究院，北京 100029)

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功率放大器關鍵技術參數(shù)校準方法及不確定度分析

李 渤

(中國計量科學研究院，北京 100029)

功率放大器在許多領域都有著廣泛的應用，特別在電磁兼容領域有著重要的作用，功率放大器性能的好壞直接影響輸出信號的穩(wěn)定性和可靠性。本文介紹了功率放大器關鍵參數(shù)的技術指標，分析其校準方法，并做出了相應的不確定度分析，便于使用者設備選型和功率放大器性能評價。

電磁兼容；功率放大器；功率增益及平坦度；1dB 壓縮點

0 引言

功率放大器在許多領域有著廣泛的應用，特別在電磁兼容領域有著重要的作用。功率放大器有3個重要技術指標：功率增益及平坦度、1dB壓縮點及輸出端口的相對諧波含量。功率增益和平坦度直接體現(xiàn)了功率放大器工作能力的強弱，其特性會隨著使用時間的加長發(fā)生相應的改變；1dB壓縮點則反映了功率放大器的線性工作區(qū)域的大小，對其特性和校準方法的深入解析有助于選擇功率放大器的最佳工作區(qū)域；輸出端口的相對諧波含量反映了功率放大器輸出信號的諧波失真度，分析其特性和校準方法能更好的選配輸出端口的濾波器。詳細了解功率放大器的各項重要技術指標的特性，分析其校準方法，對其不確定度進行相應的分析，有助于使用者對功率放大器的正確使用和良好維護。

1 功率增益

1.1 特性解析及校準方法分析

增益是功率放大器的一個關鍵技術指標，它體現(xiàn)了功率放大器放大能力的強弱。一般廠家給出的增益是在規(guī)定工作頻段內在額定輸入功率時，功率放大器能保證的放大能力，但隨著使用時間的加長，增益會逐漸減小。增益校準原理如圖1所示。

圖1 功率增益校準原理圖

由圖1可以得到增益測量的數(shù)學模型：

G(dB)=Pin+Aatt1-Pout

(1)

式中，Pout為被測的功率放大器經(jīng)衰減后的輸出功率，由功率計測量得到；Pin為被測的功率放大器的輸入功率，由信號發(fā)生器經(jīng)衰減后輸出得到；Aatt1為大功率衰減器的衰減量。

1.2 不確定度分析

1.2.1 由測量重復性引入的標準不確定度分量urep

對同一臺功率放大器進行n次連續(xù)的獨立測量，重復性用實驗標準偏差sr(y)定量表示，則測量重復性引入的標準不確定度分量為(服從正態(tài)分布，k=2)：

(2)

1.2.2 由信號發(fā)生器引入的不確定度分量u(Pin)

由于信號發(fā)生器輸出幅值的準確度不高，直接讀取數(shù)據(jù)作為功率放大器的輸入功率會造成很大的測量誤差，所以，根據(jù)需要加入了功率計定標過程，如圖2所示。圖2中在信號發(fā)生器后面接入高精度的固定衰減器是為了增加系統(tǒng)匹配度,在增益校準前需要將信號發(fā)生器所需輸出的各個頻點的幅值用高精度功率探頭和功率計進行測量，將實測結果作為被測功率放大器的輸入功率, 即式(1)中的Pin，根據(jù)圖2可以得出：

(3)

圖2 功率計定標測試原理圖

式中，

P

pow1

為功率計實際測量功率；

Γ

G

為信號源上接的固定衰減器端口反射系數(shù)；

Γ

L

為功率探頭的反射系數(shù)。

根據(jù)式(3)可以分析出由信號發(fā)生器衰減后的輸出功率測量引入的不確定度分量由兩部分組成：

1)功率計測量誤差upow1，可由功率計及功率探頭的校準證書得到，符合正態(tài)分布，k=2。

2)功率計和信號源端口失配引入的誤差u失配1。由于反射系數(shù)ΓG，ΓL的相角不確定，因此，在情況最差的相位組合下，其誤差為：

Δ失配1=2ΓGΓL

(4)

(5)

由上可以得到功率放大器的輸入功率測量引入的不確定度分量

(6)

1.2.3 由衰減器引入的不確定度分量u(Aatt1)

在規(guī)定的頻率范圍內，用網(wǎng)絡分析儀對大功率衰減器的衰減量進行測量，其不確定度分量由三個部分組成：1)測量重復性誤差引入不確定度u(A)rep1，由貝塞爾法得到，同式(2)，服從正態(tài)分布，k=2；2)網(wǎng)絡分析儀傳輸測量誤差引入不確定度u(A)thru1，由網(wǎng)絡分析儀的校準證書得到，服從正態(tài)分布，k=2；3)由于衰減器插入引入的失配誤差u(A)失配1，根據(jù)圖1所示的校準原理圖，可以看出大功率衰減器輸入端連接功率放大器，輸出端連接功率探頭，所以，可以得出它的插入引入的失配誤差為[4]：

(7)

式中，ΓG為功率放大器輸出端的反射系數(shù)；ΓS為功率計的反射系數(shù)；S11,S12,S22,S21為二端口網(wǎng)絡(即衰減器)的S參數(shù)。

(8)

由上述分析可以得出由大功率衰減器引入的不確定度分量

(9)

1.2.4 由功率計及功率探頭引入的不確定度分量u(Pout)

由圖2可以看出，功率計及功率探頭引入的不確定度分量有兩部分組成，其一為功率探頭失配產(chǎn)生的反射功率造成的測量誤差，其二為功率計和功率探頭自身的測量不確定度，前者造成的誤差影響已包括在衰減器的插入失配影響中，在1.2.3中已作詳細分析，所以，此處僅考慮功率計和功率探頭自身的測量不確定度。功率計和功率探頭的測量不確定度可由校準證書可以得到，符合正態(tài)分布，k=2。

綜上述分析可以得出功率放大器增益的標準不確定度為：

(10)

2 1dB功率壓縮點

2.1 特性解析及校準方法分析

功率放大器有一個線性動態(tài)范圍，在這個范圍內，放大器的輸出功率隨輸入功率線性增加，但隨著輸入功率的繼續(xù)增大，功率放大器進入非線性區(qū)，其輸出功率不再隨輸入功率增加而線性增加，典型情況下當功率超過1dB壓縮點功率后，增益將迅速下降并達到一個最大和完全飽和的輸出功率，其值一般比1dB壓縮點功率大3～4dB，如圖3所示[1]。

圖3 功率放大器輸出特性示意圖

對于使用年限較長的功率放大器來說，只有通過測試1dB功率壓縮點才能判斷其線性工作區(qū)域，用戶應注意一旦工作在飽和區(qū)域很容易引起設備的損壞，校準原理見圖4[2]。

圖4 1dB功率壓縮點校準原理圖

通常采用的方法被稱為線性增益法，如圖5所示，在線性工作區(qū)域隨著輸入功率的增加，增益保持恒定，此時的增益被稱為線性增益Gline。超過線性區(qū)域后，隨著輸入功率的增加，增益開始下降，若輸入功率為xi(dBm)時，Gi(dB)-Gline(dB)=1(dB)，其中Gi為輸入功率為xi(dBm)時對應的功放增益，Gline為功放線性區(qū)域內的線性增益，則P1dB=yi(dBm)為所求得1dB壓縮點的輸出功率，其中yi為輸入功率為xi時對應的功放輸出功率。

圖5 線性增益法

2.2 不確定度分析

由分析得到影響校準結果的不確定度來源有以下幾個方面：

2.2.1 線性增益測量誤差帶來的不確定度分量u(Gline)

理想情況下在線性區(qū)域內增益保持恒定，但實際測量時總會略有偏差，所以，在指定的線性區(qū)均勻測量n次功率增益，取平均作為線性增益：

(11)

式中，Gn為在線性區(qū)域內多次測量的增益值；n為測量增益次數(shù)，該值越大越趨近理想值。

由式(11)可以看出線性增益為多次測得的增益的平均值，所以，其不確定度分量為：

(12)

其中uG的不確定度分析詳見1.2節(jié)。

2.2.2 1dB壓縮點增益的測量誤差帶來的不確定度分量u(G1dB)

u(G1dB)等同于uG，詳細分析見1.2節(jié)。

2.2.3 輸入功率的增長步進造成誤差帶來的不確定度分量ustep

由精密步進衰減器增長步進為0.1dB，所以，由于步進帶衰減器來的不確定度最大為0.05dB，按正態(tài)分布，k=2。

2.2.4 1dB壓縮點的輸出功率測量帶來的不確定度分量u(P1dB)

由圖4可得出1dB壓縮點的輸出功率為功率計輸出功率加上大功率衰減器的衰減量，可得出下式：

P1dB=Ppow2+Aatt2

(13)

分析上式可以得出1dB壓縮點的輸出功率測量帶來的不確定度分量有兩個：

1)由衰減器帶來的不確定度分量u(Aatt2)，分析詳見1.2.3節(jié)，得到：

(14)

2)由功率計測量誤差及功率探頭引入的不確定度分量upow2，功率計和功率探頭在1dB壓縮點的測量不確定度可由校準證書可以得到，符合正態(tài)分布，k=2。

所以1dB壓縮點的輸出功率的測量誤差帶來的不確定度為：

(15)

綜上述分析可以得出1dB功率壓縮點的標準不確定度為：

(16)

3 輸出端口的相對諧波含量

3.1 特性解析及校準方法分析

任何一個實際的正弦信號，除了基頻成分(有用信號)外，還包含一系列的寄生頻率，如諧波分量。而功率放大器的諧波失真將會使輸出信號產(chǎn)生畸變，影響測試的準確性。用戶應根據(jù)測量實際情況，在輸出端口諧波超過最大限值時，及時在輸出端口配置合適的濾波器，以免影響整個實驗結果的準確性。

圖6 輸出端口諧波含量校準原理圖

校準原理如圖6所示，頻譜儀中心頻率設為載波頻率，調節(jié)參考電平，使基波譜線位于頂格處，調節(jié)掃頻寬度使譜線清晰顯示，激活頻譜儀“Δ”光標功能，并將中心頻率設置為諧波頻率，改變參考電平，使諧波譜線接近頂格，其他設置不變，可分別讀出二次諧波和三次諧波相對于基波的幅度差(dBc)即A2F和A3F，其原理可用式(17)和式(18)表示 ：

A2F=P2-P0

(17)

A3F=P3-P0

(18)

式中，A2F、A3F分別為某一固定頻率點下的二次和三次諧波含量，dB；P0為某一固定頻率點下的輸出功率，dBμV；P2、P3分別為某一固定頻率的倍頻和三倍頻時的輸出功率，dBμV。

3.2 不確定度分析

由圖6校準原理圖分析得到影響校準結果的誤差來源有以下幾個方面：

3.2.1 系統(tǒng)測量重復性帶來的不確定度分量u(T)rep

測量重復性誤差引入不確定度u(T)rep，由貝塞爾法得到，同式(2)，服從正態(tài)分布，k=2。

3.2.2 頻譜分析儀進行相對幅值測量的標準不確度u(LEV)

頻譜分析儀進行相對幅值測量的不確定度影響量見表1所示[6]。

表1 頻譜分析儀進行相對幅值測量的不確定度影響量

所以，頻譜分析儀進行相對幅值測量的標準不確定度為：

(19)

3.2.3 連接衰減器和電纜誤差引入的不確定度分量u(Aatt3)

方法同1.2.3分析，可以得出：

(20)

3.2.4 信號源輸出信號的諧波含量帶來的影響u(SIG)

信號源輸出信號自身就含有一定諧波，本來會經(jīng)過功率放大器放大后會對功率諧波的測量精度造成影響，但因為合理選擇帶通濾波器，可以將測量頻帶內信號源輸出信號的諧波分量進行進一步抑制，使其影響可忽略。

由上述分析可以得出輸出端口相對諧波含量(THD)的標準不確定度為：

(21)

4 總結

因為功率放大器本身的特性決定其無法保證長期指標的一致性，隨著其使用時間的加長其技術指標會隨之變差，這使得對于功率放大器的測量在很大程度上歸結于一種定性的判斷，特別是對于一些使用時間較長的功率放大器，其增益降低和線性區(qū)域的減小成為一種必然，所以這造成了同一型號的使用年限不同的功率放大器技術指標差異很大，同一臺功率放大器隨著使用年限不同數(shù)據(jù)也會有差異。用戶應根據(jù)使用情況，及時送檢，關注功率放大器指標特性的變化，合理使用并根據(jù)情況及時維修和更換。

[1]SJ20877—2003《軍用射頻功率放大器通用規(guī)范》

[2]GB/T17626.3—1998 《電磁兼容 試驗和測量技術 射頻電磁場輻射抗擾度試驗.》

[3] 李秀萍，等.微波射頻測量技術基礎.機械工業(yè)出版社，2007

[4]JJG501—2000 頻譜分析儀檢定規(guī)程

[5] 《頻譜分析原理》 羅德施瓦茨公司

[6]JJF1059.1—2012測量不確定度評定與表示

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.23