AR微波功率放大器在無線通信測試中的應(yīng)用

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

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
含了電磁兼容測試(EMC)，射頻元器件測試、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ATT 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試的應(yīng)用。

2 3IM 的定義和測量方法

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)?；フ{(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)簡單和寬泛的功率放大器線性的驗(yàn)證測試方法，叫做 雙頻 測試法，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，它是由放大器測試數(shù)據(jù)推算得出，利用遠(yuǎn)低于飽和狀態(tài)下的測試數(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?；ㄝ敵鰹橐恍甭蕿? 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。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試應(yīng)用。超寬測頻率覆蓋范圍，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)測試等特殊領(lǐng)域。