微波功率放大器的性能以及增益的测量

摘 要： 介绍一种微波功率放大器增益的测量方法。经校准件进行TRL校准，校准后分别对所用的两只定向耦合器进行耦合衰减、方向性系数、主线插损和输入口驻波比的频率反应进行测量，同时对终端负载的输入驻波比进行测量。最后由安捷伦矢量网络分析仪组建网络参数测试系统对微波功率放大器的增益进行测量。

关键词： 功率放大器；增益；TRL校准；测量

0 引言

在近代RF和微波系统中，放大是最基本和最广泛存在的微波电路功能之一。功率放大器常用在雷达和无线电发射机的末级，其作用是把信号功率最终放大到足够的电平，以便能通过适当的天线进行微波发射[1]。近年来，由于科学技术的迅猛发展，微波功率放大器已经广泛的应用在微波通信、卫星通信、雷达、电子对抗、导弹制导、导航、遥控、遥测等系统中，并且成为必不可少的器件。微波功率放大器的工作特性将直接影响所在系统的整体性能指标。因此在使用之前，对其性能参数进行测量是非常必要的。本文介绍了微波功率放大器的基本参数，并且介绍了微波功率放大器增益测量方法。

1 微波功率放大器的性能参数指标

1.1 工作频率范围（f）

工作频率范围指放大器在满足各项指标下的工作频率范围。放大器的工作频率范围可能会大于定义的工作频率范围。

1.2 输出功率（Pout）

放大器的输出功率有两种方式表示：饱和功率和1dB增益压缩点输出功率。饱和功率指输出的最大功率。1dB增益压缩点输出功率是指放大器增益偏离线性而比线性增益低1dB的这一点。1dB增益压缩点所对应的输出功率记为P1dB，该点常用以表征放大器处理能力[2]。

1.3 噪声系数（Noise Figure）

噪声系数（NF）是指输入端信噪比与放大器输出端信噪比的比值，单位常用“dB”表示。噪声系数NF=10lg（输入端信噪比/输出端信噪比）。

1.4 功率增益（G）

增益指的是放大器的放大能力。增益是天线的主要指标之一，它是方向系数与效率的乘积，是天线辐射或接收电波大小的表现。增益大小的选择取决于系统设计对电波覆盖区域的要求。在同等条件下，增益越高，电波传播的距离越远。而功率放大器的接收增益值越大，则接收性能越强。对功率放大器，常用的功率增益定义为交付给负载的功率Pout对输入功率Pin之比，即：G=Pout/Pin。

2 微波功率放大器的测量

2.1 测试过程

整个测试过程包括：对矢量网络分析仪进行TRL的校准，定向耦合器的测量以及功放的测量三大部分。

2.2 TRL校准技术

TRL校准法[，3]是目前矢量网络分析仪中较普遍使用的一种双端口校准法，能够修正网络仪的全部12项误差。与传统的SOLT 校准法不同，用TRL方法进行校准时不必已知所有校准标准件的特性指标，网络分析仪通过“T”、“L”标准的两次传输反射测量和”R”标准在各个端口的反射测量可以得到14组参数，利用这14组参数除了可以解出系统误差外还能得到另外两组常数即“R”标准的反射系数和“L”标准的长度。因此， TRL校准法只要求传输线标准的特性阻抗和系统特性阻抗一致。这样就很大程度上减少了校准精度对校准标准件的依赖， 提高了校准精度。

2.3 定向耦合器的测量

2.3.1 定向耦合器

定向耦合器[4]在本次测量过程中起非常重要的作用，如下图所示，1端口为输入端口，2端口为隔离端口，3端口为耦合端口，4端口为隔离端口。本次测试中4端口已经接上匹配负载。

图1 定向耦合器示意图

2.3.2 测试过程

测试定向耦合器1，由于4口本身已经接了负载，所以先将2接入匹配负载，1口和3口分别接到3mm矢网（PNA-X，N5347A）的两个接口，测出的S21即为S31，即耦合度C；此时，从矢网上取下耦合器，重新将匹配负载接入到3口，此时，将1，2口接入到3mm矢网，测出S21，即隔离度I。最后得到定向耦合器1的方向性：D=I-C。定向耦合器2的测试过程与1相同。两个耦合器的测试结果可以得到，定向耦合器1的方向性比定向耦合器2的好。在功放的测量过程中，为了达到有最小的反射，故把定向耦合器1放在功率放大器的输入端，把定向耦合器2放到功率放大器的输出端。

2.4 功放的测量

连接好系统，测试原理图如下：

图2 功放的测试原理图

由安捷伦矢量网络分析仪组建网络参数测试系统。经校准件进行TRL校准，校准后分别对所用的两只定向耦合器进行耦合衰减、方向性系数、主线插损和输入口驻波比的频率反应进行测量，同时对终端负载的输入驻波比进行了测量。

如上图所示，信号源经过扩频器，信号被放大，输入到定向耦合器1，定向耦合器1的耦合端接入功率计上，通过预先对定向耦合器1的测量出来的耦合度，方向性和插损就可计算出加入到功率放大器的输入功率Pin；定向耦合器2接入功率计上，通过预先对定向耦合器2测量出的耦合度可以计算出功放的输出功率Pout。由此，即可以得到功率放大器的增益G。测得两只定向耦合器的耦合衰减量，方向性系数，主线插损，输入口驻波比2。再根据公式的计算，即可得到输入功率Pin和输出功率Pout，最后得到增益。

3 小结

本文提出的微波功率放大器的测试方法，可以用矢量网络分析仪搭建系统进行测量，也可以用功率计进行测量，能比较精确的测试出微波功率放大器的增益，得到想要的结果。

参考文献：

[1]张肇仪，微波工程，北京：电子工业出版社，2006，03.

[2]李绪益，微波技术与微波电路，广州：华南理工大学出版社，2011，8：255-257.

[3]汤世贤，微波测量，北京：国防工业出版社，1991.

[4]王文祥，微波工程技术，成都：电子科技大学出版社，2006，10：90.