功率放大器关键技术参数校准方法及不确定度分析

李 渤

(中国计量科学研究院，北京 100029)



功率放大器关键技术参数校准方法及不确定度分析

李 渤

(中国计量科学研究院，北京 100029)

功率放大器在许多领域都有着广泛的应用，特别在电磁兼容领域有着重要的作用，功率放大器性能的好坏直接影响输出信号的稳定性和可靠性。本文介绍了功率放大器关键参数的技术指标，分析其校准方法，并做出了相应的不确定度分析，便于使用者设备选型和功率放大器性能评价。

电磁兼容；功率放大器；功率增益及平坦度；1dB 压缩点

0 引言

功率放大器在许多领域有着广泛的应用，特别在电磁兼容领域有着重要的作用。功率放大器有3个重要技术指标：功率增益及平坦度、1dB压缩点及输出端口的相对谐波含量。功率增益和平坦度直接体现了功率放大器工作能力的强弱，其特性会随着使用时间的加长发生相应的改变；1dB压缩点则反映了功率放大器的线性工作区域的大小，对其特性和校准方法的深入解析有助于选择功率放大器的最佳工作区域；输出端口的相对谐波含量反映了功率放大器输出信号的谐波失真度，分析其特性和校准方法能更好的选配输出端口的滤波器。详细了解功率放大器的各项重要技术指标的特性，分析其校准方法，对其不确定度进行相应的分析，有助于使用者对功率放大器的正确使用和良好维护。

1 功率增益

1.1 特性解析及校准方法分析

增益是功率放大器的一个关键技术指标，它体现了功率放大器放大能力的强弱。一般厂家给出的增益是在规定工作频段内在额定输入功率时，功率放大器能保证的放大能力，但随着使用时间的加长，增益会逐渐减小。增益校准原理如图1所示。

图1 功率增益校准原理图

由图1可以得到增益测量的数学模型：

G(dB)=Pin+Aatt1-Pout

(1)

式中，Pout为被测的功率放大器经衰减后的输出功率，由功率计测量得到；Pin为被测的功率放大器的输入功率，由信号发生器经衰减后输出得到；Aatt1为大功率衰减器的衰减量。

1.2 不确定度分析

1.2.1 由测量重复性引入的标准不确定度分量urep

对同一台功率放大器进行n次连续的独立测量，重复性用实验标准偏差sr(y)定量表示，则测量重复性引入的标准不确定度分量为(服从正态分布，k=2)：

(2)

1.2.2 由信号发生器引入的不确定度分量u(Pin)

由于信号发生器输出幅值的准确度不高，直接读取数据作为功率放大器的输入功率会造成很大的测量误差，所以，根据需要加入了功率计定标过程，如图2所示。图2中在信号发生器后面接入高精度的固定衰减器是为了增加系统匹配度,在增益校准前需要将信号发生器所需输出的各个频点的幅值用高精度功率探头和功率计进行测量，将实测结果作为被测功率放大器的输入功率, 即式(1)中的Pin，根据图2可以得出：

(3)

图2 功率计定标测试原理图

式中，

P

pow1

为功率计实际测量功率；

Γ

G

为信号源上接的固定衰减器端口反射系数；

Γ

L

为功率探头的反射系数。

根据式(3)可以分析出由信号发生器衰减后的输出功率测量引入的不确定度分量由两部分组成：

1)功率计测量误差upow1，可由功率计及功率探头的校准证书得到，符合正态分布，k=2。

2)功率计和信号源端口失配引入的误差u失配1。由于反射系数ΓG，ΓL的相角不确定，因此，在情况最差的相位组合下，其误差为：

Δ失配1=2ΓGΓL

(4)

(5)

由上可以得到功率放大器的输入功率测量引入的不确定度分量

(6)

1.2.3 由衰减器引入的不确定度分量u(Aatt1)

在规定的频率范围内，用网络分析仪对大功率衰减器的衰减量进行测量，其不确定度分量由三个部分组成：1)测量重复性误差引入不确定度u(A)rep1，由贝塞尔法得到，同式(2)，服从正态分布，k=2；2)网络分析仪传输测量误差引入不确定度u(A)thru1，由网络分析仪的校准证书得到，服从正态分布，k=2；3)由于衰减器插入引入的失配误差u(A)失配1，根据图1所示的校准原理图，可以看出大功率衰减器输入端连接功率放大器，输出端连接功率探头，所以，可以得出它的插入引入的失配误差为[4]：

(7)

式中，ΓG为功率放大器输出端的反射系数；ΓS为功率计的反射系数；S11,S12,S22,S21为二端口网络(即衰减器)的S参数。

(8)

由上述分析可以得出由大功率衰减器引入的不确定度分量

(9)

1.2.4 由功率计及功率探头引入的不确定度分量u(Pout)

由图2可以看出，功率计及功率探头引入的不确定度分量有两部分组成，其一为功率探头失配产生的反射功率造成的测量误差，其二为功率计和功率探头自身的测量不确定度，前者造成的误差影响已包括在衰减器的插入失配影响中，在1.2.3中已作详细分析，所以，此处仅考虑功率计和功率探头自身的测量不确定度。功率计和功率探头的测量不确定度可由校准证书可以得到，符合正态分布，k=2。

综上述分析可以得出功率放大器增益的标准不确定度为：

(10)

2 1dB功率压缩点

2.1 特性解析及校准方法分析

功率放大器有一个线性动态范围，在这个范围内，放大器的输出功率随输入功率线性增加，但随着输入功率的继续增大，功率放大器进入非线性区，其输出功率不再随输入功率增加而线性增加，典型情况下当功率超过1dB压缩点功率后，增益将迅速下降并达到一个最大和完全饱和的输出功率，其值一般比1dB压缩点功率大3～4dB，如图3所示[1]。

图3 功率放大器输出特性示意图

对于使用年限较长的功率放大器来说，只有通过测试1dB功率压缩点才能判断其线性工作区域，用户应注意一旦工作在饱和区域很容易引起设备的损坏，校准原理见图4[2]。

图4 1dB功率压缩点校准原理图

通常采用的方法被称为线性增益法，如图5所示，在线性工作区域随着输入功率的增加，增益保持恒定，此时的增益被称为线性增益Gline。超过线性区域后，随着输入功率的增加，增益开始下降，若输入功率为xi(dBm)时，Gi(dB)-Gline(dB)=1(dB)，其中Gi为输入功率为xi(dBm)时对应的功放增益，Gline为功放线性区域内的线性增益，则P1dB=yi(dBm)为所求得1dB压缩点的输出功率，其中yi为输入功率为xi时对应的功放输出功率。

图5 线性增益法

2.2 不确定度分析

由分析得到影响校准结果的不确定度来源有以下几个方面：

2.2.1 线性增益测量误差带来的不确定度分量u(Gline)

理想情况下在线性区域内增益保持恒定，但实际测量时总会略有偏差，所以，在指定的线性区均匀测量n次功率增益，取平均作为线性增益：

(11)

式中，Gn为在线性区域内多次测量的增益值；n为测量增益次数，该值越大越趋近理想值。

由式(11)可以看出线性增益为多次测得的增益的平均值，所以，其不确定度分量为：

(12)

其中uG的不确定度分析详见1.2节。

2.2.2 1dB压缩点增益的测量误差带来的不确定度分量u(G1dB)

u(G1dB)等同于uG，详细分析见1.2节。

2.2.3 输入功率的增长步进造成误差带来的不确定度分量ustep

由精密步进衰减器增长步进为0.1dB，所以，由于步进带衰减器来的不确定度最大为0.05dB，按正态分布，k=2。

2.2.4 1dB压缩点的输出功率测量带来的不确定度分量u(P1dB)

由图4可得出1dB压缩点的输出功率为功率计输出功率加上大功率衰减器的衰减量，可得出下式：

P1dB=Ppow2+Aatt2

(13)

分析上式可以得出1dB压缩点的输出功率测量带来的不确定度分量有两个：

1)由衰减器带来的不确定度分量u(Aatt2)，分析详见1.2.3节，得到：

(14)

2)由功率计测量误差及功率探头引入的不确定度分量upow2，功率计和功率探头在1dB压缩点的测量不确定度可由校准证书可以得到，符合正态分布，k=2。

所以1dB压缩点的输出功率的测量误差带来的不确定度为：

(15)

综上述分析可以得出1dB功率压缩点的标准不确定度为：

(16)

3 输出端口的相对谐波含量

3.1 特性解析及校准方法分析

任何一个实际的正弦信号，除了基频成分(有用信号)外，还包含一系列的寄生频率，如谐波分量。而功率放大器的谐波失真将会使输出信号产生畸变，影响测试的准确性。用户应根据测量实际情况，在输出端口谐波超过最大限值时，及时在输出端口配置合适的滤波器，以免影响整个实验结果的准确性。

图6 输出端口谐波含量校准原理图

校准原理如图6所示，频谱仪中心频率设为载波频率，调节参考电平，使基波谱线位于顶格处，调节扫频宽度使谱线清晰显示，激活频谱仪“Δ”光标功能，并将中心频率设置为谐波频率，改变参考电平，使谐波谱线接近顶格，其他设置不变，可分别读出二次谐波和三次谐波相对于基波的幅度差(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分别为某一固定频率点下的二次和三次谐波含量，dB；P0为某一固定频率点下的输出功率，dBμV；P2、P3分别为某一固定频率的倍频和三倍频时的输出功率，dBμV。

3.2 不确定度分析

由图6校准原理图分析得到影响校准结果的误差来源有以下几个方面：

3.2.1 系统测量重复性带来的不确定度分量u(T)rep

测量重复性误差引入不确定度u(T)rep，由贝塞尔法得到，同式(2)，服从正态分布，k=2。

3.2.2 频谱分析仪进行相对幅值测量的标准不确度u(LEV)

频谱分析仪进行相对幅值测量的不确定度影响量见表1所示[6]。

表1 频谱分析仪进行相对幅值测量的不确定度影响量

所以，频谱分析仪进行相对幅值测量的标准不确定度为：

(19)

3.2.3 连接衰减器和电缆误差引入的不确定度分量u(Aatt3)

方法同1.2.3分析，可以得出：

(20)

3.2.4 信号源输出信号的谐波含量带来的影响u(SIG)

信号源输出信号自身就含有一定谐波，本来会经过功率放大器放大后会对功率谐波的测量精度造成影响，但因为合理选择带通滤波器，可以将测量频带内信号源输出信号的谐波分量进行进一步抑制，使其影响可忽略。

由上述分析可以得出输出端口相对谐波含量(THD)的标准不确定度为：

(21)

4 总结

因为功率放大器本身的特性决定其无法保证长期指标的一致性，随着其使用时间的加长其技术指标会随之变差，这使得对于功率放大器的测量在很大程度上归结于一种定性的判断，特别是对于一些使用时间较长的功率放大器，其增益降低和线性区域的减小成为一种必然，所以这造成了同一型号的使用年限不同的功率放大器技术指标差异很大，同一台功率放大器随着使用年限不同数据也会有差异。用户应根据使用情况，及时送检，关注功率放大器指标特性的变化，合理使用并根据情况及时维修和更换。

[1]SJ20877—2003《军用射频功率放大器通用规范》

[2]GB/T17626.3—1998 《电磁兼容 试验和测量技术 射频电磁场辐射抗扰度试验.》

[3] 李秀萍，等.微波射频测量技术基础.机械工业出版社，2007

[4]JJG501—2000 频谱分析仪检定规程

[5] 《频谱分析原理》 罗德施瓦茨公司

[6]JJF1059.1—2012测量不确定度评定与表示

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.23