增益壓縮的意義及矢網(wǎng)實(shí)操測(cè)量方法

1、增益壓縮的含義

1.1 增益壓縮的含義

當(dāng)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(shí)，此時(shí)該放大器就發(fā)生了增益壓縮。任何射頻放大器的增益都是輸入信號(hào)電平的函數(shù)，即AM-AM曲線(如圖1.1)；增益壓縮越早，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器后輸出失真就越大；不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)放大器的線性區(qū)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(xiàn)出色。但在射頻下行鏈路基站中，對(duì)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(diǎn)的含義

放大器的1dB壓縮點(diǎn)是當(dāng)實(shí)際輸出功率與理想輸出功率相差1dB時(shí)，將輸入輸出功率進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)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(duì)輸入功率都是線性的，但實(shí)際當(dāng)輸入功率逐漸增加時(shí)，輸出功率會(huì)出現(xiàn)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(biāo)都不是從0dBm開(kāi)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(cè)量方法

增益壓縮特性有三種測(cè)量方法

1. 使用信號(hào)源+功率計(jì)單頻點(diǎn)掃輸入功率，得到輸出功率再計(jì)算壓縮特性；
2. 使用信號(hào)源+頻譜儀單頻點(diǎn)掃輸入功率，得到輸出功率再計(jì)算壓縮特性；
3. 使用矢網(wǎng)自動(dòng)2D掃描，可迅速得到不同頻點(diǎn)的壓縮特性；
2.1 傳統(tǒng)測(cè)量方法——使用信號(hào)源+功率計(jì)和信號(hào)源+頻譜儀

圖2.1 measure method soft diagram

如圖2.1 所示，使用信號(hào)源+功率計(jì)和信號(hào)源+頻譜儀只能在固定頻點(diǎn)掃描輸入功率，在器件的線性區(qū)范圍內(nèi)，輸出功率呈線性上升，在非線性區(qū)，DUT輸出功率開(kāi)始偏離理想值。如果將該頻點(diǎn)下的Pin、Pout完整記錄下來(lái)，則可以精確的計(jì)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(jì)來(lái)得到輸出功率時(shí)，功率計(jì)將基波、2次諧波、3次諧波等的總功率全部計(jì)算在內(nèi)；而頻譜儀一般只關(guān)注基波功率；這就造成在對(duì)同一個(gè)DUT進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，兩種測(cè)試環(huán)境得到的輸出功率數(shù)據(jù)會(huì)有差別；尤其針對(duì)大功率PA，這個(gè)差異將變得不可接受，因?yàn)榇蠊β蔖A的諧波失真在飽和區(qū)會(huì)變得非常嚴(yán)重。

2.2 先進(jìn)測(cè)量方法——使用矢網(wǎng)

主流射頻儀器廠商都逐漸推出先進(jìn)的增益壓縮測(cè)量解決方案，矢網(wǎng)選件Gain Compression Application可以用新穎的方式來(lái)完成精確、自動(dòng)的壓縮測(cè)量。圖2.3顯示了增益壓縮二維測(cè)量方法和計(jì)算方式，以這種二維的掃描方式對(duì)DUT的輸入功率與頻率依次進(jìn)行激勵(lì)和測(cè)量，得到一個(gè)二維的數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出每個(gè)頻率/功率點(diǎn)下的增益，再計(jì)算壓縮特性。

圖2.3 矢網(wǎng)Gain Compression Application測(cè)試計(jì)算方式

2.2.1 矢網(wǎng)有三種測(cè)量方法

圖2.4 矢網(wǎng)測(cè)量P1dB硬件連接block diagram

1. 2D Sweep Power per Frequency ——每個(gè)頻率點(diǎn)掃描功率
2. 2D Sweep Frequency per Power——每個(gè)功率點(diǎn)掃頻
3. SMART Sweep ——智能迭代掃描

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

1. Preset回到初始化界面，此時(shí)矢網(wǎng)會(huì)默認(rèn)打開(kāi)Channel1，將Channel設(shè)置為Gain Compression Application；
2. 根據(jù)DUT特性配置頻率和IFBW

圖2.5 GCA 頻率設(shè)置界面

3. 根據(jù)DUT特性配置功率和掃描設(shè)置

圖2.5 GCA 功率設(shè)置界面

4. 選擇合適的測(cè)量方式和增益壓縮設(shè)置

圖2.5 GCA 功率設(shè)置界面

5. 調(diào)出你關(guān)注的trace

6. 使用功率計(jì)和電子校準(zhǔn)件校準(zhǔn)

7. 連接DUT進(jìn)行測(cè)試，如圖2.5，RefS21與CompGain21的差值并未到1dB，說(shuō)明此時(shí)給DUT的輸入功率還未使DUT增益壓縮1dB，繼續(xù)往上推功率，直至得到P1dB為止。

圖2.5 一個(gè)4.9G放大器增益壓縮測(cè)量結(jié)果

2.2.2 優(yōu)勢(shì)

矢網(wǎng)可以靈活配置多壓縮參數(shù)，包括增益、壓縮時(shí)的輸入功率、壓縮時(shí)的輸出功率、輸入匹配和壓縮等級(jí)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(duì)大功率PA進(jìn)行增益壓縮測(cè)量。

支持脈沖測(cè)量，對(duì)大功率PA進(jìn)行增益壓縮測(cè)量。

3、總結(jié)

需要評(píng)估DUT大概指標(biāo)（即預(yù)測(cè)試），主要評(píng)估矢網(wǎng)是否能提供足夠的功率來(lái)驅(qū)動(dòng)放大器進(jìn)入飽和狀態(tài)。評(píng)估矢網(wǎng)是否能承受足夠大的功率（DUT Psat附近）；如果矢網(wǎng)不能提供足夠大的輸出功率，可以在DUT前加預(yù)驅(qū)放；如果矢網(wǎng)不能承受DUT的輸出功率，可在DUT輸出端使用一個(gè)衰減器，并且可以通過(guò)校準(zhǔn)將鏈路中的驅(qū)放、衰減器、線損校準(zhǔn)，將校準(zhǔn)端面移到線纜端面（即DUT連接端面）；

校準(zhǔn)必須考慮衰減器和耦合器的頻率響應(yīng)；增強(qiáng)響應(yīng)校準(zhǔn)可顯著降低鏈路誤差；

降低IFBW或打開(kāi)測(cè)量平均可提高測(cè)量精度，但測(cè)量速度會(huì)顯著下降。