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                      增益壓縮的意義及矢網實操測量方法

                      2021-01-21 來源:微波射頻網作者:Jimmy 我要評論(0) 字號:

                      1、增益壓縮的含義

                      1.1 增益壓縮的含義

                      當放大器的輸入功率增加到使放大器的增益降低且引起輸出功率呈非線性增大時,此時該放大器就發生了增益壓縮。任何射頻放大器的增益都是輸入信號電平的函數,即AM-AM曲線(如圖1.1);增益壓縮越早,信號經過放大器后輸出失真就越大;不同應用場景對放大器的線性區線性度要求不同,例如在高端音響中,要求功率放大的線性非常好,這樣在不同的高低音和響度都能表現出色。但在射頻下行鏈路基站中,對天線前端PA的線性度要求就不高,考慮更多的是PA的效率。

                      1.2 1dB壓縮點的含義

                      放大器的1dB壓縮點是當實際輸出功率與理想輸出功率相差1dB時,將輸入輸出功率進行簡單計算,即可得到增益和壓縮特性。理想情況下,圖1.1中(輸出功率vs輸入功率)對輸入功率都是線性的,但實際當輸入功率逐漸增加時,輸出功率會出現不再隨輸入功率線性增加,最終輸出功率不再隨輸入功率增加而增加。(橫縱坐標都不是從0dBm開始)

                      圖1.1 理想非線性放大器增壓壓縮特性

                      2、增益壓縮的測量方法

                      增益壓縮特性有三種測量方法

                      1. 使用信號源+功率計單頻點掃輸入功率,得到輸出功率再計算壓縮特性;
                      2. 使用信號源+頻譜儀單頻點掃輸入功率,得到輸出功率再計算壓縮特性;
                      3. 使用矢網自動2D掃描,可迅速得到不同頻點的壓縮特性;
                      2.1 傳統測量方法——使用信號源+功率計和信號源+頻譜儀

                      圖2.1 measure method soft diagram

                      如圖2.1 所示,使用信號源+功率計和信號源+頻譜儀只能在固定頻點掃描輸入功率,在器件的線性區范圍內,輸出功率呈線性上升,在非線性區,DUT輸出功率開始偏離理想值。如果將該頻點下的Pin、Pout完整記錄下來,則可以精確的計算出DUT的增益,如圖2.2所示。

                      圖2.2 Gain compression measure vs Pin at single freq point

                      需要注意的是,使用功率計來得到輸出功率時,功率計將基波、2次諧波、3次諧波等的總功率全部計算在內;而頻譜儀一般只關注基波功率;這就造成在對同一個DUT進行測量的時候,兩種測試環境得到的輸出功率數據會有差別;尤其針對大功率PA,這個差異將變得不可接受,因為大功率PA的諧波失真在飽和區會變得非常嚴重。

                      2.2 先進測量方法——使用矢網

                      主流射頻儀器廠商都逐漸推出先進的增益壓縮測量解決方案,矢網選件Gain Compression Application可以用新穎的方式來完成精確、自動的壓縮測量。圖2.3顯示了增益壓縮二維測量方法和計算方式,以這種二維的掃描方式對DUT的輸入功率與頻率依次進行激勵和測量,得到一個二維的數據,從而計算出每個頻率/功率點下的增益,再計算壓縮特性。

                      圖2.3 矢量矢網Gain Compression Application測試計算方式

                      2.2.1 矢網有三種測量方法

                      圖2.4 矢網測量P1dB硬件連接block diagram

                      1. 2D Sweep Power per Frequency ——每個頻率點掃描功率
                      2. 2D Sweep Frequency per Power——每個功率點掃頻
                      3. SMART Sweep ——智能迭代掃描

                      本文以一個4.9G放大器作為DUT,給大家講解一下大概的測試配置和校準方法;

                      1. Preset回到初始化界面,此時矢網會默認打開Channel1,將Channel設置為Gain Compression Application;
                      2. 根據DUT特性配置頻率和IFBW

                      圖2.5 GCA 頻率設置界面

                      3. 根據DUT特性配置功率和掃描設置

                      圖2.5 GCA 功率設置界面

                      4. 選擇合適的測量方式和增益壓縮設置

                      圖2.5 GCA 功率設置界面

                      5. 調出你關注的trace

                      ParameterDescription
                      CompIn21Input power at the compression point.
                      CompOut21Output power at the compression point.
                      CompGain21Gain at the compression point.
                      CompS11Input Match at the compression point.
                      RefS21Linear Gain value used to calculate the compression level.  This is calculated differently depending on the compression method.
                      DeltaGain21CompGain21 MINUS Linear Gain (in Log Mag format).  This trace can be used to learn a lot about the DUT compression point.

                      6. 使用功率計和電子校準件校準

                      7. 連接DUT進行測試,如圖2.5,RefS21與CompGain21的差值并未到1dB,說明此時給DUT的輸入功率還未使DUT增益壓縮1dB,繼續往上推功率,直至得到P1dB為止。

                      圖2.5 一個4.9G放大器增益壓縮測量結果

                      2.2.2 優勢

                      矢網可以靈活配置多壓縮參數,包括增益、壓縮時的輸入功率、壓縮時的輸出功率、輸入匹配和壓縮等級等。有多種壓縮方法可供選擇,包括compression from linear gain, compression from max gain, compression from back-off, X/Y compression, and compression from saturation。

                      可外掛耦合器、衰減器對大功率PA進行增益壓縮測量。

                      支持脈沖測量,對大功率PA進行增益壓縮測量。

                      3、總結

                      需要評估DUT大概指標(即預測試),主要評估矢網是否能提供足夠的功率來驅動放大器進入飽和狀態。評估矢網是否能承受足夠大的功率(DUT Psat附近);如果矢網不能提供足夠大的輸出功率,可以在DUT前加預驅放;如果矢網不能承受DUT的輸出功率,可在DUT輸出端使用一個衰減器,并且可以通過校準將鏈路中的驅放、衰減器、線損校準,將校準端面移到線纜端面(即DUT連接端面);

                      校準必須考慮衰減器和耦合器的頻率響應;增強響應校準可顯著降低鏈路誤差;

                      降低IFBW或打開測量平均可提高測量精度,但測量速度會顯著下降。

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