有源放大器基础知识培训.ppt

Click to edit Master title style,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,有源放大器基础知识培训,射频质量管理部,李文章,2008,年,6,月,应用范围,:,主要用于信号覆盖，如雷达、无线通信、光纤通信等。,市场上主要射频有源产品有低噪声放大器、低噪,-,选带、选带器、功率放大器、信道选择器、频段选择器、上变频器、下变频器、基站塔顶放大器、基站功率放大器、干线放大器、光传输一体化模块。,主要制式有：,TD-SCDMA,、,WCDMA,、,CDMA2000,、,PHS,、,GSM,、,CDMA,、,SCDMA,等。,TD-SCDMA,（,1910MHz,1925MHz):,时分同步码分多址接入（,Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access,）。集成了频分（,FDMA,）、时分（,TDMA,）、码分（,CDMA,）和空分（,SDMA,）四种多址接入技术的优势。,W-CDMA(TX:1920MHz,1980MHz RX:2110MHz,2170MHz,）,:,宽带分码多工存取,Wideband CDMA,。,W-CDMA,也是使用,2GHz,的频率、从名字就可以看出,W-CDMA,跟,CDMA,的原理是一样，和日本,au by KDDI,的,cdma2000 1x,一样是CDMA,。因此，,W-CDMA,跟,cdma2000 1x,是同样的以,CDMA,为平台的系统。,CDMA2000,（,TX:1850,1910MHz RX:1930,1990MHz,）,:,CDMA,指码分多址,(Code-Division Multiple Access),。是,TIA,标准组织用于指代第三代,CDMA,的名称。适用于,3G CDMA,的,TIA,规范称为,IS-2000,，该技术本身被称为,CDMA2000.,PHS:,个人手持电话系统,Personal Phone System,。是日本开发的网络系统。,它采用先进的微蜂窝技术，通过微蜂窝基站实现无线覆盖,将用户端（即无线市话手机）以无线的方式接入本地电话网，使传统意义上的固定电话不再固定在某个位置，可在无线网络覆盖范围内自由移动使用，随时随地接听、拨打本地和国内、国际电话。,GSM,：,全球移动通讯系统（,Global System of Mobile communication,）,CDMA,：,是码分多址的英文缩写,(Code Division Multiple Access),，它是在数字技术的分支,-,扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。,CDMA,技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。,SCDMA,：,同步码分多址,Synchronous Code Division Multiple Access,。它采用了智能天线、软件无线电、以及自主开发的,SWAP+,空中接口协议等先进技术，是一个全新的体系，一个全新的拥有主要自主知识产权的无线通信技术标准。,功放在直放站中的位置框图,功放在宽带直放站的位置框图,TD-SCDMA,中功放的位置框图,TD-SCDMA TRB 2W,功放射频部分的实物照片,环形器,匹配电容,功放管,推动,上行接收,RX),下行（发射,TX),1,、工作频率（,Operating Frequency,）,2,、增益（,Gain)3,、输出功率,(,Output Power,)4,、功率回退（,back-off,）,5,、三阶截点,IIP3,（,Input3rdorderinterceptpoint,）,6,、,1dB,压缩点（,1dBcompressionpoint,）,7,、杂散发射（,spurious emission,）,8,、带外发射（,out-of-band emission,）,9,、邻信道泄漏比,ACLR,（,Adjacent Channel eakage Ratio,）,10,、发射信号频谱模板,11,、增益平坦度,(,Gain Variation,)12,、带外抑制（,out of band rejection,）,13,、回波损耗,RL,（,Return Loss,）,射频放大器主要技术指标,14,、电压驻波,VSWR,（,voltage standing wave ratio,）,15,、噪声系数（,Noise Figure,）,16,、发射信号调制精度,EVM,（,error vector magnitude,）,17,、峰值码域误差,PCDE,（,Peak Code Domain Error,）,18,、输入,/,输出阻抗（,Input,/,Output,Impedance,）,19,、动态范围（,Dynamic range,）,20,、反向隔离度,Reverse isolation,21,、工作温度,(Operating Temperature),22,、效率（,Efficiency,）,射频放大器主要技术指标,23,、功放使能（,PA Enable/Disable,）,24,、过功率告警（,Over Power Alarm,）,25,、驻波告警（,VSWR Alarm,）,26,、前向功率指示（,Forward Power Monitor,）,27,、反向功率指示（,Reverse,Power Monitor,）,28,、过功率关断,29,、温度告警,(Temperature,Alarm,),30,、过温度关断,31,、数控增益衰减,（,numerical control gain attenuation),射频放大器主要技术指标,32,、工作电压,(operating voltage),33,、工作电流,(operating current),1,、工作频率（,Operating Frequency,）,满足或优于指标参数时的工作频率范围。,2,、增益（,Gain),放大信号输出与输入功率之比，它是相对量，通常用,dB,表示。通常在中心频率额定输出电平下测量。,3,、输出功率,(,Output Power,),功率放大器的功率指标严格来讲又有标称输出功率和最大瞬间输出功率之分。前者就是额定输出功率，它可以解释为谐波失真在标准范围内变化、能长时间安全工作时输出功率的最大值；后者是指功率放大器的“峰值”输出功率，它解释为功率放大器接受电信号输入时，在保证信号不受损坏的前提下瞬间所能承受的输出功率最大值。放大器的输出功率有两种表示方式：饱和功率和,1dB,压缩点输出功率。前者是输出的最大功率，后者则是指增益下降,1dB,时的输出功率，前者一般大于后者。对脉冲放大器有峰值功率和平均功率之分，前者表示有信号时的输出功率，后者则是按时间平均后的功率，两者之间的关系与信号的占空比有关。,4,、功率回退（,back-off,）,功率回退法就是把功率放大器的输入功率从,1dB,压缩点向后回退,6-10,个分贝，工作在远小于,1dB,压缩点的电平上，使功率放大器远离饱和区，进入线性工作区，从而改善功率放大器的三阶交调系数。一般情况，当基波功率降低,1dB,时，三阶交调失真改善,2dB,。,功率回退法简单且易实现，不需要增加任何附加设备，是改善放大器线性度行之有效的方法，缺点是效率大为降低。另外，当功率回退到一定程度，当三阶交调制达到,-50dBc,以下时，继续回退将不再改善放大器的线性度。因此，在线性度要求很高的场合，完全靠功率回退是不够的。,5,、三阶截点,IIP3,（,Input3rdorderinterceptpoint当两个或多正弦信号经过放大器时，此时由于放大器的非线性作用，会输出包括多种频率的分量，其中以三阶交调分量的功率电平最大，它是非线性中的三次项产生的，假设两基频信号的频率分别是,F1,和,F2,，那么，三阶交调分量的频率为,2F1-F2,和,2F2-F1,，由于该频率落在频带内，是非线性产物。,IIP3,是工作频率信号在理想线性系统中的输出信号与三阶互调分量幅值相等时的交点，是一个固定点。如图上所示,1,。该点是虚交点，实际系统中无法直接测出，但可以通过相关的测量值计算出来。,虽然侵入系统的强信号可能有,2,个或,2,个以上，但为了测试的方便，假设只有,2,个强的等幅单音信号侵入了系统。若用一个幂级数来表示器件的非线性作用，并假设单音信号的频率分别为,f1,和,f2,，那么不难推出三阶互调分量的频率为,(2f1,f2),或,(2f2,f1),。,IP3(IIP3,，,OIP3),的计算式为,2,：,其中：,IIP3,为输入,IP3,，是,IP3,的横坐标；,OIP3,为输出,IP3,，是,IP3,的纵坐标；,Pin,为单音信号的输入功率电平；,Pout,为单音信号的输出功率电平；,G,为被测件,(Device Under Test-DUT),的小信号增益。,IMD3,为三阶互调失真，他等于干扰信号的输出功率电平减去三阶互调量功率电平的值，即：,式,(2),中各元素的关系如图,2所示。由式,(1),和,(2),可知，如果测出单音信号的输入,/,输出功率和三阶互调分量的电平值，就可求出输入,/,输出,IIP3,的值。,6,、,1dB,压缩点（,1dBcompressionpoint,）,1dB,压缩点,(P1dB),是输出功率的性能参数。压缩点越高意味着输出功率越高。,P1dB,是指与在很低的功率时相比增益减少,1dB,时的输入,(,或输出,),功率点。参见图,2,、，增益随输入功率变化的曲线。注意当输入功率升高时增益是如何下降的。这是因为在其最大输出功率时器件达到饱和于是功率不能继续上升。,1dB,压缩点可以在输入或输出定义。例如，如果输出,P1dB,规范是,+20dBm,，则这个元件的输出功率约为,+20dBm,。减小输出功率使之低于,P1dB,将减小失真,。,元件,(,放大器或混频器,),增益随输入功率变化的曲线。由于输出达到饱和，增益在输出功率较高时将会下降。,放大器有一个线性动态范围，在这个范围内，放大器的输出功率随输入功率线性增加。随着输入功率的继续增大，放大器进入非线性区，其输出功率不再随输入功率的增加而线性增加，也就是说，其输出功率低于小信号增益所预计的值。通常把增益下降到比线性增益低,1dB,时的输出功率值定义为输出功率的,1dB,压缩点，用,P1dB,表示。典型情况下，当功率超过,P1dB,时，增益将迅速下降并达到一个最大的或完全饱和的输出功率，其值比,P1dB,大,3-4dB,。,7,、杂散发射（,spurious emission,）,杂散发射是在必要带宽外某个或某些频率上的发射，其发射电平可降低但不影响相应信息传递。包括：谐波发射、寄生发射、互调产物、以及变频产物，但带外发射除外。,一般来说，落在中心频率两侧，必要带宽,250%,倍处或以外的发射都认为是杂散发射。,8,、,带外发射（,out-of-band emission,）,带外发射是在紧靠必要带宽的外侧，由调制过程产生的一个或多个频率的发射，但杂散发射除外。,一般来说，落在中心频率两侧，必要带宽,250%,倍处以内的无用发射都认为是带外发射。,但对于必要带宽很窄或很宽的情况，这种划分带外发射和杂散发射的方法并不适合。,9,、,邻信道泄漏比,ACLR,（,Adjacent Channel eakage Ratio,）,邻信道泄漏比,(ACLR),被定义为邻信道中集成的信号功率与主信道中集成的信号功率之比，（,ACLR,是指邻道,(,或者带外,),发射信号落入到被干扰接收机通带内的能力，）即,P(f1intbw)/P(fchbw),或者,P(f2intbw)/P(fchbw),。在其它无线系统或其它波形格式中，,ACLR,也指邻信道功率比,(ACPR),。在,GSM,系统中，邻信道泄漏则指输出,RF,频谱,(ORFS),。,使用固定峰值调变技术,(GSM系统就是采用这种调制技术,),的波形可使放大器实现较高的效率。但是具有高峰均比,(,波峰因数,),的信号,(,如,WCDMA,和,cdma2000),可能会导致放大器产生非线性操作和失真。,WCDMA,基站的,ACLR,性能通常为,-45dBc,，这使得功率放大器制造商将放大器的,ACLR,性能指定为,-50dBc,或更高。,用,R&S,公司测试的,TRB,ACLR,值,下图为用安捷伦,E4406,频谱仪测试的,WCDMA,单载频频谱模板,10,、发射信号频谱模板,11,、增益平坦度,(,Gain Variation,),即通带内信号幅度的起伏程度，通常规定起伏的最大值和最小值之差。增益平坦度,(G),：,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。增益平坦度由下式表示：,G=,（,Gmax-Gmin,）,/2dB,G,：增益平坦度,Gmax,：增益,频率扫频曲线的幅度最大值,Gmin,：增益,频率扫频曲线的幅度最小值,12,、带外抑制（,out of band rejection,）,即对工作频带外不需要信号的抑制能力，一般希望尽可能大，并在通带范围外陡峭的下降。通常取通带外与带宽为一定比值的某一频率的衰减值作为此项指标。,13,、回波损耗,RL,（,Return Loss,）,在给定端接负载下，由于端口音反射的功率与输入功率的比值；回波损耗的单位为,dB,。回波损耗说明入射功率的一部分被反射回到信号源。例如，如果注入,1mW(0dBm),功率给放大器其中,10%,被反射,(,反弹,),回来，回波损耗就是,10dB,。从数学角度看，回波损耗为,-10 log(,反射功率,)/(,入射功率,),。回波损耗通常在输入和输出都进行规定。通常要求反射功率尽可能小，这样就有更多的功率传送到负载。典型情况下设计者的目标是至少,10dB,的回波损耗。有时为了获得更好的噪声系数、,IP3,或者系统的增益就不能满足这个“凭经验得出的”,10dB,回波损耗的要求。,14,、输入,/,输出电压驻波,VSWR,（,input/output voltage standing wave ratio,）,微波放大器通常设计或用于,50,阻抗的微波系统中,输入,/,输出驻波表示放大器输入端阻抗和输出端阻抗与系统要求阻抗,(50),的匹配程度。,用下式表示：,VSWR=,（,1+|,）,/,（,1-|,）；,其中,=,（,Z-Z0,）,/,（,Z+Z0,）,VSWR,：输入输电压出驻波比,：反射系数,Z,：放大器输入或输出端的实际阻抗,ZO,：需要的系统阻抗,D:,培训资料,回损与驻波对照表,.doc,15,、噪声系数（,Noise Figure,）,噪声系数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”,。,噪声系数由下式表示：,NF=10lg(,输入端信噪比,/,输出端信噪比）,在放大器的噪声系数比较低（例如,NF1,）的情况下，通常放大器的噪声系数用噪声温度（,T,）来表示。,噪声系数与噪声温度的关系为：,T=,（,NF-1,）,T0,或,NF=T/T0+1,T0-,绝对温度（,290K,）,噪声系数与噪声温度的换算表,16,、发射信号调制精度,EVM,（,error vector magnitude,）,EVM,是衡量发射机发射信号调制精度的一个重要指标，需注意的是该指标不是简单定义射频信号的调制精度，而是先将射频信号映射到,I/Q,平面，然后经过匹配滤波器，再抽样得到离散的,I/Q,数值，,EVM,衡量的是该离散,I/Q,数值的精度。由上看到,EVM,衡量的是离散,I/Q,数据点的精度，它与射频信号的精度是不一样的，原因是在求离散,I/Q,数据点时采用了成型滤波器，在频域上看该滤波器可以将带外噪声抑制掉一些，从而可提高了调制精度指标。,3GPP,标准中还指出在测量时，应尽可能地调整上图解调过程中本振的频率和相位，以及采取所有可能的措施使最终误差最小，这也就是说射频调制信号中有些失真与干扰将不计入,EVM,值，这些包括射频通道的线性失真、载波泄漏、,I/Q,正交调制器的移相偏差、正交分量与同相分量幅度的不平衡，这样算下来，影响,EVM,指标的还有两大因素,:,相位噪声与非线性产物。下面是一个简化公式用来估算,EVM,值。,上式中,ACLR,是指相邻信道的,ACLR,测量值，是累积相位误差，,9.5,是针对,TD-SCDMA,标准的一个修正值。附录一给出了该公式的一个简单推导过程。,为验证上面公式是否正确，我们先利用,ESG,信号源产生简单的,QPSK I/Q,信号，这儿码片速率为,1.28M,，成型滤波器为,0.22,滚降系数的根升余弦滤波器，将该信号加到图,1,所示参考设计的输入端，调整参考设计配置使其输出功率为,21dBm,，这时利用,FSIQ,测得,EVM,约等于,3.5%,，邻信道,ACLR,为,-38.5dBc,；接下来我们移开,ESG,信号源，将参考设计的,TxI+,短接到地，从而在天线端口得到一个正弦波信号，用,FSIQ,测量该正弦波的相位噪声，最后计算出,1KHz1MHz,范围内累积相位噪声约为,1.5,度。我们将上面测试结果代入方程,1,式得,:,比较,EVM,测量值和计算值，其误差不到一个百分点，可见方程,1,作为,EVM,的估算公式还是很有效的。,3GPP,标准要求,EVM,指标不大于,17.5%,，由上面测试结果可以看到图一所示参考设计有很大余量。,17,、峰值码域误差,PCDE,（,Peak Code Domain Error,）,是通过按特定扩频因子将矢量误差功率计算映射到码域。每个码字的码域误差是该码字上的平均映射功率与基准复平面波形平均功率之比，并以,dB,表示。峰值码域误差是所有码字的码域误差中的最大值。,18,、输入,/,输出阻抗（,Input,/,Output,Impedance,）,19,、动态范围（,Dynamic range,）,放大器的动态范围有两种表示方法：,线性动态范围放大器保持线性的最大信号电平,(,通常指,1dB,压缩点时的输入功率值,),最小可检测信号,无杂散动态范围：当放大器最小可检测输出电平与放大器输入等双音时在输出口产生的互调相等时，放大器输入口最小可检测信号与放大器等双音时的输入电平的差值为无杂散动态范围。,20,、反向隔离度,Reverse isolation,简单的定义为放大器输出和输入之间的隔离度。通常是在输出端输入一个信号，然后在输入端进行检测。其典型值为放大器增益的,2,倍。,21,、工作温度,(Operating Temperature),满足指标参数时的工作温度范围,.,一般在,-25,65,之间,.,22,、效率（,Efficiency,）,简单的讲就是放大器输出功率和消耗功率的比值百分,.,如放大器输出功率为,16W,工作电压为,27V,工作电流为,5A,那么它的效率为,16/27*5 *100%=11.6%,Thank you,！,