实验五GSM可调增益放大器实验
一实验目的
1.了解射频放大器的基本原理和主要技术参数
2.掌握用网络分析仪测试放大器的方法
3.学会使用微波仿真软件对射频放大器的设计和仿真，并分析结果
二实验原理
1.射频放大器的基本概念
射频放大器是将信号放大到一定电平的器件，是射频通信电路中最常用的器件。射频放大器与常规低频电路的设计方法完全不同，它需要考虑一些特殊的因素。尤其是入射电压波和入射电流都必须与有源器件良好匹配，以便降低电压驻波比、避免寄生振荡。这样才能使电路中的有源器件发挥出它的最佳性能。
射频放大器以射频晶体放大管为核心，一般包括输入和输出匹配网络、直流偏置网络。常规放大器系统如下。
图5-1 常规放大器系统结构
类似于低频模拟放大器中用的晶体管，射频晶体放大管一般也是以三极管和场效应管为主，不过为了能够在射频频段工作，必须在结构和材料上改进实现在高频段也能使用，最常用的是双极三极管和砷化镓场效应管。
要实现最大的功率传输和最小的反射，必须使负载阻抗和源阻抗相匹配。实
现上述匹配的通常做法是在源和负载之间再插入一个无源网络，这种无源网络通常就被视为匹配网络。然而它们的功能并不仅限于为实现理想功率传输而在源和负载之间进行阻抗匹配。事实上，许多实际的匹配网络并不是仅仅为减小反射而设计的，他们还具有其他功能，如减少噪声干扰、提高功率容量和提高频率响应的线性度等。通常认为，匹配网络的作用就是实现阻抗变换，就是将给定的阻抗值变换成其他更合适的阻抗值。
所有射频放大器不可缺少的电路单元就是有源或无源偏置网络。偏置的作用是在特定的工作条件下为有源器件提供适当的静态工作点，也就是直流偏置，并抑制晶体管参数的离散性以及温度变化的影响从而保持恒定的工作特性。并要求偏置网络对主电路的微波特性影响应尽可能小，即不应造成大的附加损耗、反射及高频能量沿偏压电路泄漏，结构紧凑。
一般射频放大器只要求其增益，如果对放大器噪声系数有特别高的要求就称为低噪声放大器；对放大器的工作带宽如果有较高的要求就称为宽带放大器；对放大器的输出功率有较高的要求称为功率放大器。一般这些要求是相互矛盾的，要达到某一方面，只能牺牲其他方面的指标。本电路模块通过数字衰减器来控制放大器的增益衰减，可用在通信领域的很多场合。
2. 射频放大器的技术参数
射频放大器主要的技术指标有：
工作频率和带宽：工作频率就是放大器的能够正常工作的频率范围，最大的工作频率与最小的工作频率之差就是放大器的带宽。
增益：增益是表示放大电路对有用信号的放大能力。通常用在中心频率上功率增益两种方法表示：功率增益 i
P P P A 00 ，式中0P 、i P 分别为放大电路中心频率上的输出、输入功率。通常增益用分贝(dB)表示。
输入输出反射系数：表征放大器的输入输出端口对信号反射的大小，即失配程度，一般用放大器两端口的S 参数S 11和来S 22表示。
噪声系数：噪声系数NF 是用来描述放大器本身产生噪声电平大小，定义如下。
NF =输出端的信噪比输入端的信噪比
增益平坦度：指在一定温度下，在整个工作频率范围内，放大器增益变化的范围。
图5-2 增益平坦度
增益平坦度由下式表示： max min G G G ?=-dB
其中 G ?：增益平坦度
G max ：增益—频率扫频曲线的幅度最大值
G min ：增益—频率扫频曲线的幅度最小值
输出功率：输出功率衡量放大器能够输出的功率大小。一般放大器的输入－
输出功率曲线和输入功率－增益曲线如下，由于晶体管的功率容量有限，当输入功率增大时，就会
图5-3 放大器输出功率曲线图
呈现出非线性，导致输出功率不能和输入功率保持线性同步增长，因此增益也会随之下降，就如曲线所表示的那样。当然输入功率增大到一定阶段时，
输出功率基本不变，此时的输出功率称为饱和功率，即晶体管能输出的极限P 1dB
in in
G in in G
功率，此时非线性失真已经非常严重了。而一般能够用到的最大功率是1dB 压缩点输出功率，即当功放增益比小信号线性增益G
下降1dB时，称为“1dB
压缩点增益”G
1dB ，对应的输出、输入功率称为“1dB压缩点输出功率P
1dB
及
“1dB压缩点输入功率” P
in《1dB》
如图所示。
三阶截点（IP3）：如果有两个频率相近的信号输入到放大器，由于放大器
的非线性作用，将产生交调产物，其中三阶交调可能出现在输出的通带范围内，从而造成干扰。三阶交调抑制度是指输出端有用信号与三阶交调信号的功率之比。该参数对于功率放大器放大多信号时非常重要，而且它与输入功率成正比，当输入信号减小1dB时，三阶交调抑制度增加2dB。
测量放大器的非线性特性，最简单的方法是测量1dB压缩点功率电平
P
1dB
。另一个颇为流行的方法是利用两个相距5到10MHz的邻近信号，当频
率为f
1和f
2
的这两个信号加到一个放大器时，该放大器的输出不仅包含了
这两个信号，而且也包含了频率为mf
1+nf
2
的互调分量（IM），这里，称m+n
为互调分量的阶数。在中等饱和电平时，通常起支配作用的是最接近基音频率的三阶分量（见图5-4）。
图5-4 频率为f1和f2的信号及其互调分量频谱
因为三阶项直到畸变十分严重的点都起着支配作用，所以常用三阶截点（IP
3
）来表征互调畸变。三阶截点是描述放大器线性程度的一个重要指标。三
阶截点功率的典型值比P
1dB 高10-12dB。IP
3
可以通过测量IM
3
得到，计算公式为：
IP
3=P
SCL
+IM3/2； P
SCL
——单载波功率；
如三阶互调点已知，则基波与三阶互调抑制比与三阶互调点的杂散电平可由下式
估计：基波与三阶互调抑制比=2[IP
3-（P
IM
+G）]三阶互调杂散电平=3（P
IM
+G）-2IP
3
三实验设备及装置图
实验测量对象是一个使用Sirenza的SGA-4586放大管设计的放大器。
SGA-4586是一种由双极三极管构成的MMIC放大管。整个放大器的原理图如下所示。Cb是隔直电容，防止直流偏置电压进入前后级。偏置电路由偏置电阻Rbias 和扼流圈RFC组成，Rbias为放大管提供合适的偏置电压，RFC防止射频信号进入偏置网络。由于SGA-4586是MMIC，内部集成匹配网络，所以电路上不需要匹配网络。HMC273MS10G是一个五位数字衰减器芯片，可调范围从1dB到32dB。放大器模块上的五位拨码开关1对应1dB，2对应2dB，3对应4dB，4对应8dB，5对应16dB；拨动开关可衰减相应大小。放大器使用网络分析仪AV3620测试，将网络分析仪与放大器的输入、输出端口连接，连接图如下所示。
图5-5 SGA-4586放大器的电路原理图和电路板图
图5-5 网络分析仪与放大器的连接
四实验内容及步骤
?使用网络分析仪AV3620观察射频放大器的频响特性，验证衰减功能。
?测量放大器的增益、带内增益波动、输出功率1dB压缩点输出功率及谐
波测量。
步骤一调用误差校准后的系统状态
校准后的误差标准已经事前存储在网络分析仪中，只要调用一下即可。
步骤二选择测量参数
设置网络分析仪的频率范围为900MHz-1GHz，将功率电平设置为-40dBm。步骤三连接放大器并测量放大器的频响特性和技术参数
a)将电源调整到10V后关闭。将网络分析仪输出和输入端与模块连接，
并将电源输出端接在模块上的输入端，接地端接在小弹片上。（！注
意：接通电源之前一定要检查设置是否正确，设置错误会导致仪器
损坏。）
b)打开电源，记录网络分析仪显示增益大小，及在频带内的波动。
c)记录960MHz频点上的信号幅度，记为L（dB）放大器的增益。
d)在900MHz至1GHz频段内，测量幅度曲线上的最大值，记为L1（dB）。
然后测量幅度曲线上的最小值，记为L2（dB），则增益波动为
?=-。
12
G L L
e)在网络分析仪上观察模块的输入、输出驻波比，记录相应频点的结
果。
f)拨动开关，验证衰减器功能是否达到要求。
步骤四增益压缩测量
增益压缩测量，通过执行CW频率的功率扫描来测量1dB压缩点的输入功率和压缩点的绝对输出功率。在频带上找出增益压缩情况最差的点。
a）将衰减器的衰减量打在-16dB（注意不要遗漏这一步），给待测放大器设置激励和响应参数，减小轨迹上的噪声影响，按：
【Avg】［IF BW］【1000】【×1】
【Chan 1】【MEAS】［Trans:FWD S21(B/R)］
b）执行下面步骤，得到归一化轨迹：
◇按【Display】［DUAL︱QUAD SETUP］并选择［DUAL
CHANNEL ON］来同时观察两条通道。
◇按【Chan 2】【MEAS】［Trans:FWD S21(B/R)］
◇对通道激励去耦使通道功率非耦合，按：【Sweep Setup】
［COUPLED CH OFF］
这允许对通道2 和通道1 的功率分别做增加操作，使得在通
道1 保持不变的时候，能观察通道2 的增益压缩。
◇在通道2 上显示通道2 和通道1 的数据比，按：
【Chan 2】［DISPLAY］［MORE］［D2/D1 to D2 ON］
这样就得到了仅仅代表增益压缩的轨迹
c）按【Marker】［MARKER 1］，将光标定位在近似的跨度的中点。
d）按【Scale Ref】［SCALE/DIV］【×1】把刻度改为每格1dB。
e）按【Power】
f）用步进键或前面板旋钮提高功率，直到通道2 上的压缩近似为1dB 为止。
g）找出轨迹上最差的点，按：【Marker Search】［SEARCH:MIN］
h) 若选择了［CUOPLED CH OFF］，需重新耦合通道激励，按：
【Sweep Setup】［COUPLED CH ON］
i) 要将光标“恰好”放在测量点上，按：
【Marker Fctn】［MARKER MODE MENU］［MARKERS:DISCRETE］j) 在进入功率扫描模式前设置中心频率，按：
【Seq】［SPECIAL FUNCTIONS］［MARKER→CW］
k) 按【Sweep Setup】［SWEEP TYPE MENU］［POWER SWEEP］
l) 输入扫描的起始和终止功率电平。
现在通道1 正显示一条增益压缩曲线。（此时不必关心通道2）m) 按【Chan 2】【Display】［DUAL︱QUAD SETUP］［DUAL CHAN ON］
n) 若已经选择了［D2/D1 to D2 ON］,按［MORE］［D2/D1 to D2 OFF］
o) 按【Meas】［INPUT PORTS］［B］，此时通道2 显示绝对输出功率。
p) 按【Scale Ref】［SCALE/DIV］【10】【×1】把通道2 的刻度改为每格10dB。
q) 按【Chan 1】【1】【×1】把通道1 的刻度改为每格1dB。
r) 按【Marker Fctn】［MARKER MODE MENU］［MARKERS:COUPLED］
s) 在通道1 上找到1dB 的压缩点，按：
【Marker Search】［SEARCH:MAX］【Marker】［MKR ZERO］
【Marker Search】［SEARCH:TARGET］【-1】【×1】
注意通道2 上的光标跟踪通道1 上的光标。
t) 按【Chan 2】【Marker】［MKR MODE MENU］
［MARKERS:UNCOUPLED］。
u) 将通道2 上的光标退出Δ模式，这样就能读出放大器的绝对输出功率，按：【Marker】［ΔMODE MENU］［ΔMODE OFF］
步骤五增益和隔离的同步测量。
a) 按【Sweep Setup】［COUPLED CH ON］。
使通道耦合能使通道1 和通道2 相同的频率范围。
b) 按【Power】［PORT POWER [UNCOUPLED]］。
使端口功率去耦后可在每个端口设置不同的功率，如在端口1 做增
益测量（S21），功率设为-25dBm；端口2 做反向隔离测量（S12），
功率设为0dBm。
c) 按【Chan 1】【Meas】［Trans:FWD S21(B/R)］【Power】，设置端
口1 功率电平。
d) 按【Chan 2】【Meas】［Trans:REV S12(A/R)］【POWER】，设置
端口2 功率电平。
e) 按【Display】［DUAL︱QUAD SETUP］［DUAL CHAN ON］
用双通道显示模式可同步观察两通道。若两端口的功率电平在不同
功率范围上，则显示的测量之一将不再连续更新，并且在屏幕左侧
显示“tsH”。
五结果分析和实验报告
1实验目的、内容、系统简图；
2步骤简述，记录有关数据；
3数据处理，算出射频放大器的各技术参数。