高功率寬帶放大器的設(shè)計(jì)是一件非常有挑戰(zhàn)性的工作，工程師需要在多個(gè)相互對(duì)立的設(shè)計(jì)參數(shù)之間進(jìn)行折中。對(duì)于一個(gè)用戶來(lái)說(shuō)，如何選擇一款合適的放大器并便捷高效的進(jìn)行測(cè)試是非常重要的考慮因素。本文將深入探討不用應(yīng)用需求對(duì)功放指標(biāo)的要求，介紹最新的可調(diào)節(jié)寬帶放大器的特性，以及給各種應(yīng)用測(cè)試帶來(lái)的便利性和高效性。

1. 引言

射頻寬帶高功率放大器是當(dāng)今無(wú)線功率電子設(shè)備的核心組成部分，具有增益高、效率高、帶寬寬、可靠性高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，在雷達(dá)、導(dǎo)航和電子對(duì)抗等軍用領(lǐng)域以及電磁兼容、通信、廣播電視、安保和醫(yī)療、科學(xué)研究、研發(fā)生產(chǎn)等民用領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。

圖1 R&S BBA130，可以在A類和AB類之間調(diào)節(jié)偏置，以及在輸出端選擇最大輸出功率或高失配容差

寬帶放大器的設(shè)計(jì)者通常需要滿足多種設(shè)計(jì)需求，對(duì)于不同的應(yīng)用，放大器需要滿足的指標(biāo)要求是不一樣的，例如，對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，寬帶放大器需要最夠的線性，且在諧波頻率處是全反射的。此外，對(duì)于雷達(dá)，軍用發(fā)射機(jī)等非廣播電視的應(yīng)用來(lái)講，放大器還必須能夠承受輸出端巨大的失配，這些通常是連接天線的特性，終端負(fù)載，待測(cè)設(shè)備本身的反射等原因造成的。放大器一般都要優(yōu)化到特定的性能，且不能改變。對(duì)于濾波器，開(kāi)關(guān)，放大模塊等射頻器件，其開(kāi)發(fā)，制造，質(zhì)檢的測(cè)試需求，通常需要調(diào)整射頻放大器的特性來(lái)滿足相應(yīng)的測(cè)試條件。因此，只有詳細(xì)的了解應(yīng)用和測(cè)試的需求以及這些需求對(duì)功率放大器的要求，才能精確高效的完成相應(yīng)的測(cè)試。

2. 不同測(cè)試需求對(duì)寬帶放大器的要求

設(shè)計(jì)高功率寬帶放大器時(shí)，工程師需要對(duì)帶寬，增益，輸出功率以及在各種幅度和相位條件下失配的行為特性，線性度，諧波特性，功率效率等進(jìn)行綜合考慮，并從中找出最重要的優(yōu)先考慮的指標(biāo)。同樣的，當(dāng)為某一個(gè)特定應(yīng)用尋找放大器的時(shí)候，最重要的是能清楚了解放大器的各個(gè)參數(shù)，以及對(duì)參數(shù)需求有影響的各種因素。通常來(lái)講，對(duì)功放的特性設(shè)置有影響的因素有下面這些。

2.1 輸入信號(hào)的包絡(luò)

從包絡(luò)的角度，可以把信號(hào)分為恒包絡(luò)信號(hào)，包括連續(xù)波，調(diào)頻，調(diào)相，PSK調(diào)制信號(hào)等；緩變包絡(luò)信號(hào)，包括如調(diào)幅，雙音信號(hào)等；幅度急變信號(hào)，包括高質(zhì)量相位或幅度調(diào)制的單載波以及多載波信號(hào)等，典型的是高峰值因子的OFDM信號(hào)。信號(hào)的包絡(luò)特性決定了放大器是否需要保持大功率來(lái)為信號(hào)的峰值做預(yù)留。不同的包絡(luò)信號(hào)，對(duì)放大器的特性需求是不一樣的。

2.2 輸入信號(hào)的時(shí)域行為

輸入信號(hào)的忠實(shí)放大需要合適的偏置點(diǎn)，連續(xù)波和脈沖的放大設(shè)置是不一樣的。

2.3 放大器本身的傳輸特性

傳輸特性影響放大器的線性，諧波和交調(diào)分量，也決定了放大器能否在飽和狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試工作。不同的應(yīng)用，對(duì)放大器的需求也不一樣，有的要求放大器在放大信號(hào)的同時(shí)，必須保證很高的頻譜純度，有的則只要求很高的輸出功率，而對(duì)輸出信號(hào)的時(shí)域行為和頻譜特性并無(wú)過(guò)多要求。

2.4 輸出端和DUT的阻抗匹配

DUT的阻抗匹配特性決定了放大器的輸出功率是否下降等行為，并且會(huì)影響到放大器電路的設(shè)計(jì)，實(shí)際應(yīng)用中，可以分為如下兩種：良好阻抗匹配的應(yīng)用（50歐姆附件變化），在這種情況下，如果DUT出現(xiàn)性能下降，引起匹配變差，允許放大器降低功率來(lái)保護(hù)自己；匹配很差的應(yīng)用（極端情況，開(kāi)路或短路）， 該應(yīng)用下，放大器應(yīng)能夠持續(xù)輸出功率，并且不降低功率或關(guān)斷。

表2中列出了多種不同測(cè)試以及測(cè)試中放大器需要滿足的不同需求。因此，特性靈活的新型放大器應(yīng)具有如下特點(diǎn)，不僅能夠滿足上述所列的指標(biāo)需求，還能滿足射頻器件在研發(fā)，生產(chǎn)和品控中的多樣測(cè)試需求。

表2 不同測(cè)試對(duì)射頻功放的需求

3. 可調(diào)節(jié)寬帶放大器在測(cè)試中的應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)

羅德與施瓦茨公司的新型R&S BBA130寬帶放大器，就是一臺(tái)可靈活調(diào)節(jié)的放大器，能夠非常方便的滿足測(cè)試中的多樣化需求。 正是針對(duì)上述需求，R&S 推出了全球第一款可以在運(yùn)行中配置發(fā)射特性以滿足具體應(yīng)用的寬帶放大器BBA130。該放大器提供兩個(gè)控制參數(shù)可以讓用戶靈活優(yōu)化輸出信號(hào)，偏置點(diǎn)可以在A類和AB類之間靈活調(diào)節(jié)，高輸出功率和高失配容差之間可以靈活平衡，這兩個(gè)參數(shù)都可以在放大器工作時(shí)隨時(shí)設(shè)置或調(diào)節(jié)，如當(dāng)輸入信號(hào)波形發(fā)生變化時(shí)，或測(cè)試過(guò)程中輸出信號(hào)的需求發(fā)生變化時(shí) ，都可以立即改變放大器狀態(tài)。這些操作可以通過(guò)手動(dòng)，瀏覽器界面或遠(yuǎn)程操作指令等多種方式實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在只用一臺(tái)放大器，就可以測(cè)試DUT是否符合規(guī)范（測(cè)試需要高線性度功放），并確定其負(fù)載極限（只關(guān)注輸出功率）。

3.1 偏置點(diǎn)連續(xù)調(diào)節(jié)

偏置點(diǎn)的連續(xù)調(diào)節(jié)可以改變輸出信號(hào)的特性，A類偏置具有非常好的線性，可以生成頻譜很純的輸出信號(hào)，非常適合放大和生成干凈的連續(xù)波信號(hào)。AB類偏置可以精確的放大脈沖信號(hào)，并改善效率。

3.2 高輸出功率和高失配容差的靈活選擇

R&S BBA130用戶可以選擇需要良好阻抗匹配（最大VSWR 2:1）的高輸出功率模式，也可以選擇高失配容差模式（VSWR 6:1），此時(shí)對(duì)應(yīng)的最大輸出功率會(huì)變小。在設(shè)計(jì)和產(chǎn)品驗(yàn)證測(cè)試中，放大器輸出端的阻抗匹配通常是好的，DUT 一般也是為50歐姆系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，或者放大器和DUT之間裝有環(huán)形器，這些都可以保證良好匹配，這時(shí)放大器的功率能力是可以得到完全利用的。當(dāng)DUT或環(huán)形器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，才會(huì)導(dǎo)致較大的失配，這種情況下，測(cè)試需要停下來(lái)，放大器降低輸出功率來(lái)保護(hù)自身。

對(duì)于EMC 應(yīng)用，天線的匹配通常是不太好的，DUT的輸入阻抗也常常會(huì)嚴(yán)重偏離50歐姆，這種情況寬帶放大器也必須能夠盡可能長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)的輸出功率，并且不能隨著阻抗變化降低輸出功率來(lái)保護(hù)自己（除非非常大的失配）。

圖4 R&S BBA130D300不同設(shè)置對(duì)功率的影響

基于上述兩個(gè)調(diào)節(jié)維度，放大器的性能和典型應(yīng)用的對(duì)應(yīng)關(guān)系可見(jiàn)下圖：

圖5 各種控制參數(shù)下放大器性能和典型應(yīng)用

3.3 雙同頻放大器和雙頻段放大器配置

R&S BBA130還可以進(jìn)行雙同頻放大器和雙頻段放大器配置，將兩個(gè)頻段集成到 4HU 臺(tái)式型號(hào)中。同頻放大器由兩個(gè)放大器構(gòu)成，二者頻段相同，并行工作，這種類型的放大器非常適合雙音測(cè)量，以及在小空間進(jìn)行的相同布置下的多種測(cè)試應(yīng)用，多個(gè)雙同頻單元還安裝在一個(gè)機(jī)架中。雙頻放大器包含兩個(gè)頻段不同的放大器，在任何給定時(shí)間僅其中一個(gè)放大器被激活，這個(gè)選件的可選開(kāi)關(guān)集成在機(jī)箱中。該放大器的緊湊、模塊化設(shè)計(jì)，使之能夠在 19 英寸機(jī)架單元上使用，以搭建高度集成的系統(tǒng)。這些機(jī)架單元的頻率和功率還可以靈活配置。

4. 總結(jié)

R&S BBA130是全球第一款用戶可以在運(yùn)行中改變傳輸特性以滿足具體應(yīng)用的寬帶放大器?，F(xiàn)在只用一臺(tái)放大器就可以最優(yōu)化的應(yīng)對(duì)不同的測(cè)試應(yīng)用，緊湊、模塊化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)靈活的同頻或雙頻放大器配置?；陬l率和功率的可升級(jí)性，R&S BBA130提供給客戶更好的投資安全性和系統(tǒng)升級(jí)的靈活性，滿足未來(lái)新的需求。