功率附加效率 （PAE） 是衡量功率放大器功率轉(zhuǎn)換效率的指標(biāo)，它以效率百分比的形式呈現(xiàn)。理想情況下，所有提供給放大器的功率都轉(zhuǎn)換為輸出功率。然而，實(shí)際情況并非如此，因?yàn)橐欢〝?shù)量的直流功率會(huì)以發(fā)熱的形式損失掉。所以，PAE 是功率放大器的重要性能參數(shù)，射頻功率放大器的 PAE 規(guī)格會(huì)因放大器的設(shè)計(jì)和類別不同而異。PAE通常定義為：

圖1. PAE示意圖

公式說明有多少直流功率在功率放大器中轉(zhuǎn)換為射頻功率。

放大器線性工作區(qū)和飽和工作區(qū)之間，有一個(gè)點(diǎn)是功率放大器效率最高的地方。到達(dá)這個(gè)點(diǎn)的時(shí)候，增加射頻輸入功率會(huì)改善射頻輸出功率。超過這個(gè)點(diǎn)的時(shí)候，增加輸入功率只會(huì)為設(shè)備產(chǎn)生更多熱量。PAE測(cè)量的目標(biāo)是找到這個(gè)最佳點(diǎn)，即功率放大器在將輸入功率轉(zhuǎn)換為輸出功率時(shí)最有效的點(diǎn)。

那接下來，結(jié)合實(shí)際，工程師如何在實(shí)際設(shè)計(jì)和測(cè)試環(huán)節(jié)中準(zhǔn)確的找到這個(gè)點(diǎn)呢？從公式中可以看出，PAE是和射頻輸出功率，輸入功率以及直流電源提供的功率相關(guān)的，所以我們需要同時(shí)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行測(cè)量來判斷這個(gè)點(diǎn)的位置。所以用最流行的話來說，放大器的測(cè)量是跨界的，直流，射頻還有時(shí)域需要同時(shí)進(jìn)行。

Keysight在各個(gè)測(cè)試領(lǐng)域都有自己的王牌武器。

在頻域測(cè)試方面，PNA-X矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以進(jìn)行射頻輸入、輸出功率及增益的測(cè)量。

在直流測(cè)試方面，有高精度的直流電源分析儀（SMU）N67XX系列和B29XX系列。直流電源分析儀既可以給被測(cè)件提高穩(wěn)定的直流電壓，還能同時(shí)測(cè)量被測(cè)件直流輸入端的電壓、電流，進(jìn)而計(jì)算出耗散的直流功率。

Keysight對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和SMU這兩種儀器在軟件方面進(jìn)行了深度的集成。通過USB，LAN，GPIB等互聯(lián)方式，SMU可以和VNA同步工作，工程師可以在一個(gè)界面上同時(shí)控制兩種儀器，還可以一目了然的看到表征直流和射頻關(guān)系的曲線。

在時(shí)域，基于VNA先進(jìn)的校準(zhǔn)技術(shù)，不影響射頻和直流測(cè)量，可以將一路輸出信號(hào)接入示波器，工程師可以直接觀測(cè)放大器的輸出信號(hào)在時(shí)域的畸變。

功率掃描下的直流電壓和電流曲線，籍此可以計(jì)算出直流功率。

在射頻放大器實(shí)際的設(shè)計(jì)中，我們會(huì)面對(duì)三方面的挑戰(zhàn)：

1、靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇。

2、動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)的選擇，尋找最佳負(fù)載阻抗以獲得最大PAE。

3、如何導(dǎo)出測(cè)量結(jié)果用于EDA仿真。

對(duì)于以上挑戰(zhàn)，我們將以一個(gè)基本的單管功放做實(shí)例，進(jìn)行實(shí)際的測(cè)量。放大器的組成可以簡(jiǎn)化為輸入匹配、輸出負(fù)載電路加直流偏置電路。如下圖所示。

圖2. 放大器原理圖

第一步，我們需要找到合適的直流偏置，也就是靜態(tài)工作點(diǎn)。借助于VNA和直流表的的高度集成，我們可以直接在VNA的測(cè)量界面看到放大器的靜態(tài)曲線簇。

我們?cè)赬軸掃描集電極電壓，Y軸是射頻輸出信號(hào)。每一條曲線對(duì)應(yīng)著不同的輸入信號(hào)幅度。根據(jù)上圖，我們可以選擇一個(gè)合適的直流偏置點(diǎn)。

第二步，動(dòng)態(tài)負(fù)載測(cè)量。

上圖中的線段AB是放大器的負(fù)載線，所謂動(dòng)態(tài)，是指其斜率發(fā)生變化時(shí)，放大器的輸出變化。一張靜態(tài)圖要表征動(dòng)態(tài)特性，沒有足夠的想象力確實(shí)難以理解。我們借助ADS仿真軟件，可以直觀的看到放大器的動(dòng)態(tài)特性：

圖5. 仿真的放大器動(dòng)態(tài)曲線及輸出電壓、電流

在上圖的仿真中，左圖的紅色曲線是理想化的靜態(tài)特性曲線，M1，M2構(gòu)成的藍(lán)色曲線線對(duì)應(yīng)了負(fù)載線。M1，M2可以用鼠標(biāo)拖動(dòng)，輸出的電壓和電流會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)生變化（此仿真文件及其說明可以從Keysight官網(wǎng)下載）。放大器的動(dòng)態(tài)特性可以在ADS中動(dòng)態(tài)展示。仿真的曲線固然漂亮，實(shí)際測(cè)量卻有很大難度。如果不使用專用的負(fù)載牽引設(shè)備，如何在實(shí)際測(cè)量中實(shí)現(xiàn)變化的負(fù)載呢？

ZL是負(fù)載，入射信號(hào)a1遇到負(fù)載ZL，會(huì)產(chǎn)生反射信號(hào)b1，如果我們能夠控制b1信號(hào)的大小，就等于是一個(gè)變化的負(fù)載，這種操作可以稱為有源負(fù)載牽引。著名的Doherty放大器，就是使用了有源負(fù)載牽引的思想。

我們知道，PNA-X矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部有雙源，一個(gè)源可以做輸入，而另外一個(gè)源可以用來進(jìn)行有源負(fù)載牽引。

下面這幅圖就是一條PAE隨著負(fù)載變化而得到的曲線，此曲線是VNA上直接測(cè)得的PAE曲線：

從上圖已經(jīng)可以看到負(fù)載變化已經(jīng)使得放大器進(jìn)入了非線性區(qū)。此時(shí)的測(cè)量都是在頻域上進(jìn)行的，是否能夠更加直觀點(diǎn)，就像教科書上的這幅圖，這幅圖描述的是負(fù)載變化時(shí)，時(shí)域輸出信號(hào)發(fā)生的畸變：

通過一個(gè)外接的定向耦合器，我們可以耦合一路信號(hào)到示波器進(jìn)行時(shí)域觀察。在如下配置中，可以直接在定向耦合器的輸入端口做校準(zhǔn)，外接示波器不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。

可以看到，隨著負(fù)載的變化，輸出波形由一個(gè)理想正弦信號(hào)發(fā)生畸變，

當(dāng)輸出波形不再是一個(gè)理想正弦波時(shí)，其波形可以表示為多個(gè)頻率正弦信號(hào)的疊加，

而放大器的非線性也由此而生。

第三步，導(dǎo)出測(cè)量結(jié)果。我們的最終目的是幫助工程師提高設(shè)計(jì)效率。通過S93110B有源熱參數(shù)選件，我們可以直接預(yù)測(cè)最佳功率輸出和匹配負(fù)載。并可以將測(cè)量結(jié)果以X參數(shù)的形式導(dǎo)出，用于ADS仿真。采用負(fù)載牽引硬件設(shè)備的測(cè)量結(jié)果是業(yè)界認(rèn)可的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，我們可以用仿真結(jié)果與其比較，以此來驗(yàn)證本文有源負(fù)載牽引的準(zhǔn)確性。

通過仿真和測(cè)量，我們加深了對(duì)放大器的理解。放大器非線性并不是什么復(fù)雜的現(xiàn)象，歸根到底是器件的一個(gè)物理特性。

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