518微波功率放大器 51.8.1基本指标 1.功率单位 微波功率放大器一般指PW。目前,商品可到百瓦(厘米波段) 单位:dBm,以1毫瓦(mW)为基准计量的倍数。 P(dBm)=10lg 0(mW) 10 30dBm Imw Imw 例如:1mW=0dBm1W=1000mW=30dBm10w=40dBm 2.电源效率 晶体管放大器射频输出功率P out 77 直流电源供给的直流功率 DO 反映了把直流功率转换成射频功率的能力,但不能反映功 率放大能力
1 §1.8 微波功率放大器 1. 功率单位 微波功率放大器一般指P>1W。目前，商品可到百瓦(厘米波段) 单位：dBm，以1毫瓦(mW)为基准计量的倍数。 dBm mW W l 30 1 1 10 g = §1.8.1 基本指标 mW P mW P dBm l 1 ( ) ( ) 10 g 0 = 2. 电源效率 DC out P P = = 直流电源供给的直流功率 晶体管放大器射频输出功率 例如：1mW=0dBm 1W=1000mW=30dBm 10W=40dBm 反映了把直流功率转换成射频功率的能力，但不能反映功 率放大能力
3.功率附加效率( Power added efficiency)n=mn-m 既反映功率转换能力又反映功率放大能力 4.1dB压缩点( IdB Gain Compressed Poin输出功率PlaB Pout(dBm) 4 G(dB) ldB I dB PldB Pin Pin (dBm) Pin kdb) Pin(dBm) G I dB 增益下降1dB点 Pda-G1dB对应的输出功率 Pn-P1dB对应的输入功率 2
2 DC out in add P P − P 3. 功率附加效率(Power added efficiency) = 既反映功率转换能力又反映功率放大能力。 4. 1dB压缩点(1dB Gain Compressed Point)输出功率 P1dB G1dB-- 增益下降1dB点 P1dB-- G1dB对应的输出功率 Pin -- P1dB对应的输入功率 P1dB Pout(dBm) Pin(dBm) 1dB 0 Pin G0 G(dB) Pin(dBm) 1dB 0 Pin G1dB
有关定义: 输入功率较小时,增益为常数,称为小信号线性增益Gis; 输入功率继续增大,功放输出功率出现非线性,输出功率 与输入功率的比值即增益减小; 当功放增益比小信号线性增益G。下降ldB时,称为“ldB压 缩点增益”G,对应的输出、输入功率称为“ldB压缩点 输出功率”Pld及“1dB压缩点输入功率”Pn )-1dB即 IdB-PinsldBs+GodB-1 dBm oX GIdB=GOdB-1 dB
3 • 输入功率较小时，增益为常数，称为小信号线性增益G0； • 输入功率继续增大，功放输出功率出现非线性，输出功率 与输入功率的比值即增益减小； • 当功放增益比小信号线性增益G0下降1dB时，称为“1dB压 缩点增益”G1dB，对应的输出、输入功率称为“1dB压缩点 输出功率”P1dB及“1dB压缩点输入功率”Pin 。 有关定义： 在P1dB点有： 10lgP1dB=10lg(G0·Pin)-1 dB 即 P1dB=Pin+G0dB-1 dBm 或 G1dB=G0dB-1 dB
5.三阶交调( intermodulation)系数 放大特性岀现非线性时,多个微波信号之间将出现交叉调制 谐波。 土mO1±nO2 Or (2 21O2 221302-2a1 三阶交调分量(m+=3时):(2O1-a2)(2O2-1) 最靠近有用信号的杂波分量,将造成话路串扰、误码率增加
4 5. 三阶交调(Intermodulation)系数 w1 w2 2w1-w2 2w2-w1 P w 3w2-2w1 w1 w2 P w • 放大特性出现非线性时，多个微波信号之间将出现交叉调制 谐波。 mw1 nw2 • 三阶交调分量(|m|+|n|=3时)： ( ) 2w1 −w2 ( ) 2w2 −w1 最靠近有用信号的杂波分量，将造成话路串扰、误码率增加
三阶交调电压幅度 三阶交调系数M3=2N输出基波电压幅度Q 衡量放大器非线性失真的程度 输入输出电压拟合: V=ktky+kv+kvs+. (kn,k,…,为实常数,V<1)放大器输入、输出曲线 输入信号:V= A cos ot 输出信号:V -ko+k,A+k,A+k, at + a2 cos 2ot t-ka' cos ot t 4
5 3 20 g dB 输出基波电压幅度 三阶交调电压幅度 M = l V0 = k0 + k1 V + k2 V 2 + k3 V 3 + 输入信号： V = Acoswt 输出信号： + + + + + = + k A t k A t V k k A k A k A t w w w cos 3 4 1 cos 2 2 1 cos 4 3 2 1 3 3 2 2 3 1 3 2 0 0 2 • 三阶交调系数 V0 0 V 放大器输入、输出曲线 输入输出电压拟合： 衡量放大器非线性失真的程度 (k0，k1，，为实常数，V<1)
非线性基波电压增益:G1=44+3k1A1A k1+k3 非线性基波功率增益: k,A+3k2A3/4 G(dB)=201g 20g(k1+-k342) A 4 K,A 小信号功率增益:G0(dB)=20g=20gk *k1为小信号电压增益;k3为负,代表压缩特性 6
6 1 1 0 ( ) 20lg 20lg k A k A 小信号功率增益： G dB = = * k1为小信号电压增益；k3为负，代表压缩特性。 非线性基波功率增益： ) 4 3 20lg( 3 / 4 ( ) 20lg 2 1 3 3 1 3 k k A A k A k A G dB = + + = 非线性基波电压增益： 2 1 3 3 1 3 4 3 / 4 3 k k A A k A k A GV = + + =
A 输入: √203+200(使总功率保持不变) 输出基波:1 k,A+=,A'(cos @,t+cos o 三阶交调分量:28 43|os2o1-a2)+cos(2o2-o) 1dB压缩点三阶交调系数 M=20g基波电压幅度0=2373Bk 实际经验值略小,通常取 M3B≈-23dB
7 M l dBc 3 1d B = 20 g 1d B = −23.75 基波电压幅度 三阶交调分量电压幅度 • 1dB压缩点三阶交调系数 实际经验值略小，通常取 M3 1dB -23dB t A t A V 1 2 cos 2 cos 2 = w + w k A k A ( t t) 1 2 3 1 3 cos cos 8 9 2 1 w + w + 输入： 输出基波： (使总功率保持不变) 三阶交调分量： k A ( )t ( )t 1 2 2 1 3 3 cos 2 cos 2 8 3 2 1 w −w + w −w
6.三阶交调截止点 A很小时的基波:k1A三阶交调分量: k,A k,A/√2 A/√2 基波输出功率:Pam=10g =10gk+10lg 0 dB in dB 三阶交调输出功率 3k343/8)/ 10 1g 10g(3k0)2+10g (A/√2) k3 dB +3P in dB 结论:当Pn减小ldB时,Po减小1dB,P3减小3dB 即:输入功率每减小ldB,三阶交调系数改善2dB
8 6. 三阶交调截止点 A很小时的基波： 三阶交调分量： 基波输出功率： 3 3 8 3 2 1 k1 A k A 2 1 d B i d B out d B G P Z A k Z k A P 0 n 0 2 2 1 0 2 1 / 2 10lg 10lg / 2 10lg = + = = + 三阶交调输出功率： ( ) ( ) i d B d B k P Z A k Z Z k A P n ' 3 d B 3 0 2 2 3 0 0 2 3 3 3 3 / 2 ) 10lg 2 3 10lg( 3 / 8 / 2 10lg = + = = + 结论：当Pin减小1dB时，Pout减小1dB，P3减小3dB 即：输入功率每减小1dB，三阶交调系数改善2dB
任意输入功率时的三阶交调系数 t Pout(dBm) 三阶交调 3 dB 2375-2( in <ldB in dB 截比1P3 为获得高指标线性度常用功率倒退法: out a 输入功率倒退1dB,M3改善2dB M3 dB 由于PaB= P+GodB-1 P3 a 小信号工作时Pm=Pm+ 0 dB Pina Pin (dBm out dBslidB 3 dB 23.75-2( ldB out dB +1)
9 23.75 2( 1) M3 dB = − − P1dB − Pout dB + 23.75 2( ) M3 dB = − − Pi n 1dB − Pi n dB P1dB = Pin 1dB + G0 dB −1 Pout dB = Pin dB + G0 dB P1dB Pout(dBm) Pin(dBm) 1dB 1 3 1 1 三阶交调 截止点 IP3 M3 dB Pout a Pin a P3 a • 任意输入功率时的三阶交调系数 由于 ⎯⎯Pout d B ⎯P1d B ⎯−1 → 小信号工作时 • 为获得高指标线性度常用功率倒退法： 输入功率倒退1dB，M3改善2dB
倒退值:AP=-(Pn-Pma) M3dB+2375 +1 M,+23.75 +1+P=P+△P out dB 2 需要输入功率:PndB=PndB-Gd 三阶交调截止点 M3dB≈2(P out dB IP3)IP3≈P+12 这个规律虽不严格但非常准确
10 1 2 23.75 ( ) 3 d B 1 d B + + = − − = M P Pd B Pout 这个规律虽不严格但非常准确。IP3 P1dB +12 倒退值： • 三阶交调截止点 P P P M Pout + + d B = d B + + = 1 1 3 d B d B 1 2 23.75 需要输入功率： Pin dB = Pout dB − G0 dB 2( ) 3 dB 3 M dB Pout − IP