利用訊號產生器與頻譜分析儀來量測RF放大器的非線性特性.docVIP

利用訊號產生器與頻譜分析儀來量測RF放大器的非線性特性　 　 一般來說，放大器大致上可分為低雜訊(LNA)與高功率(HPA)兩種用途，低雜訊放大器通常用於接收端與天線連接，將所收到的訊號放大到與RF系統連結的後級處理電路可辨識的程度，因為接收端收到的訊號較微弱，所以需要使用LNA放大器來放大，以避免放大器本身所產生的雜訊干擾到想要的訊號，而LNA主要是以雜訊指數來區分等級，雜訊指數的定義是用來衡量此元件或系統本身所產生的雜訊量，所以雜訊指數越小，價格相對越高。換句話說，利用雜訊指數小的LNA來做放大，則傳送範圍可涵蓋越廣。HPA通常用於基地台或有主動電源之電路，來將訊號放大到最大功率後傳輸，這是因為在使用端多以電池來做為主要供電來源，所以必須使用低消耗功率的放大器來增加電池待機時間。本文將針對放大器非線性特性基本原理與實際量測做介紹，且不使用網路分析儀，而是以訊號產生器與頻譜分析儀來做量測。 放大器非線性特性概述在射頻放大器的非線性特性中，除了1dB壓縮點之外，最重要的就是交互調變(intermodulation)，交互調變是由於兩個或兩個以上的輸入頻率訊號，經過放大器的非線性特性之後，在輸出端所產生的頻率集合。這些由非線性所產生的頻率成分包含二階、三階諧波與交互調變；其中最靠近輸入訊號的是三階交互調變，這是無法被濾波器所濾除的，所以它對於射頻放大器非常重要。 1dB壓縮點(Compression)放大器的功率曲線圖定義為輸出功率與輸入功率的比值，理想的曲線圖為線性，但由於元件的非線性特性，使得輸入功率增加到某一程度時，輸出功率會到達飽和點，因此1dB壓縮點是定義為輸出功率落後理想輸出功率1dB，所以比較實際量測與理想曲線的差值，即可找到1dB壓縮點，也就是放大器的最大輸出功率。如圖一是由放大器輸入功率與輸出功率來定義1dB壓縮點；而圖二是由放大增益與輸出功率來定義1dB壓縮點。在實際量測上，使用訊號產生器與頻譜分析儀是最佳的量測方式。如果要使用功率計量器來替換頻譜分析儀量測功率，則必須選擇適當的低通濾波器或帶通濾波器來抑制諧波，以免影響量測結果。另外壓縮點的量測也可利用網路分析儀的功率掃描功能。 圖一 由放大器輸入功率與輸出功率來定義1dB壓縮點　 圖二 由放大增益與輸出功率來定義1dB壓縮點　 非線性一個理想的放大器，在沒有失真的情況之下，其訊號從輸入到輸出的轉換曲線是成一直線的，如此可稱此放大器為線性雙埠元件。方程式1為一雙埠功率轉換公式:Pout(t) =GP · Pin(t) 其中 Pout(t) 雙埠元件的輸出功率 若把功率換成電壓的表示方式，可得到方程式2與3 (2)? (3)　 其中 Rin 雙埠元件的輸入阻抗RL 雙埠元件的負載阻抗vin(t) 雙埠元件的輸入電壓vout(t) 雙埠元件的輸出電壓所以線性雙埠元件的電壓轉換函數如方程式4:?vout(t) = Gv · Vin(t)--------------(4)其中 Gv 雙埠元件的電壓增益 實際上，理想的雙埠元件僅可能用於被動元件。舉例來說，在較廣的限定下可假設阻抗衰減器是理想的。非線性轉換函數能夠近似於功率級數(泰勒級數)，方程式如5: ------------(5) 其中 vout(t) 雙埠元件的輸出電壓vin(t) 雙埠元件的輸入電壓a0 直流成分a1 即為電壓增益Gvan 電壓增益的非線性元素係數在大部分情況下，二次與三次方係數成分以足夠來描述雙埠非線性特性，如方程式5。 諧波若輸入單一頻率的正弦波訊號到雙埠元件，如下所示與圖三:　 經過非線性的特性可得到不同頻率的諧波成分如方程式6: 利用三角轉換公式可得到二次與三次方係數如方程式7 　 圖三 雙埠元件的輸入與輸出頻譜 　 由方程式可得出，當輸入訊號增加時其諧波也相對增加，舉例來說，當輸入訊號增加Δ dB，則諧波會增加n ? Δ dB，其中n為諧波階數。在儀器的規格內，通常會指出二次與三次諧波與基本波的振幅差異。 　 圖四 在雙埠元件中定義二階諧波中斷點(SHI)在輸入(SHIin)與輸出端(SHIout) 　 在實際上，此壓縮點很少能夠達到，因為在較低的輸入振幅時即到達飽和點。這個中斷點將牽涉到輸入與輸出振幅，因此稱輸入與輸出中斷點為(SHIin)與(SHIout)。 若輸入功率與二階諧波已知，則二階諧波中斷點可由下計算:?其中 g為雙埠元件的功率增益， 單位為dB，或 舉例來說:一個0dB輸入功率與30dB輸出功率(增益g 為30dB)的放大器，其諧波率為30dB(K2)，則輸入端的二階諧波中斷點為:SHIin = 30 dB + 0 dBm = + 30 dBm