宽带功率放大器行为模型的简化提取方法

2 针对功率放大器的K参数提取平台

2.1 2-6 GHz 3W PA K参数提取平台

针对工作在2至6 GHz频段，输出功率35 dBm功率放大器搭建的K参数提取平台使用是德科技的非线性矢量网络分析仪N5247A来对被测放大器进行测量，并记录实验数据。其中接收机 R1和R3记录输入和输出端口入射波，而接收机A和C记录输入和输出端口反射波。外置正向驱动器放大器可以提供25 dBm的输出，而反向路径中使用MTPA 50 W 2-6 GHz驱动功率放大器放大反向入射波。由于输入端正向激励功率较小，使用NVNA内部耦合器进行入射波及反射波信号提取。对于被测放大器输出端，使用图3- 41中Narda的20 W耦合器用于信号提取。耦合回路中的小功率衰减器用于保护NVNA的接收机，确保其收到的信号功率不超过-20 dBm，以确保测量接收机处于线性区。使用上海华湘的10 dB 100 W衰减器DTS100G-10dB-18G连接到被测放大器的输出端充当被测放大器输出信号的匹配负载，以保护反向驱动功率放大器。

由于K参数的测试对象是经过内匹配的功率放大器或功率模块，其输出电压驻波比（VSWR）一般小于3，即Γ2,1< 0.5。 在上述测试平台中，由于被测件的输出功率为35 dBm，由式（3-48）计算可知，被测件输出端口的反向驱动放大器功率应为30 dBm。考虑到衰减器10 dB衰减量以及耦合器和连接器的1 dB插入损耗，反向驱动放大器的输出应大于41 dBm。由于反向驱动放大器的最大输出功率为47 dBm，其可以回退6 dB功率来提供驱动信号。此时，反向驱动放大器工作在线性区，其产生的谐波可以忽略。

2-6 GHz放大器K参数提取的现场设置将被测放大器的输入功率固定为10 dBm，设定Γ2,1max = 0.5使用动态a2,1扫描法确定反向扫描幅度，并扫描其输入频率从2 GHz至6 GHz，间隔0.5 GHz。使用入射波信号恢复算法对测试数据进行处理，并提取放大器的K参数。

在提取K参数的同时，使用NVNA记录被测件输入、输出端口的电压、电流，并输出为mdf文件。在ADS中导入该文件，和提取的K参数谐波平衡仿真结果进行对比。测试结果和K参数输出端基波，二次谐波和三次谐波结果的比较在2-6 GHz带宽内，提取的K参数模型基波和谐波幅度及相位均和测试结果吻合良好。

在输入频率3 GHz，输入功率从-30 dBm扫描到14 dBm时，提取被测件K参数。输出基波、二次和三次谐波幅度的仿真和测试结果比较基波的吻合度在整个输入功率范围内都很高；当功率放大器的输出功率低于-60 dBm时，二次谐波和三次谐波的仿真和实测结果会有一点差异。这是因为在Kn,h,m矩阵中有6个变量，而扫描的a2,1相位只有8个，导致在小信号激励时提取模型的误差会较大。通过增加模型提取时的相位状态数量，可以提高K参数对于小信号响应项的准确性。

为验证行为模型的负载牵引能力，将阻抗调谐器连接到被测放大器的输出端。3 GHz时，将阻抗调谐器设置为两组不同大小及相位的反射系数时，被测放大器输出的时域测量结果和仿真结果可看出，当放大器负载的反射系数为0.3时，测试结果和仿真结果吻合度较高；当负载反射系数为0.5时，模型的误差会变大。

针对K参数负载牵引能力进行定量分析。扫描阻抗调谐器反射系数幅度从0至0.7，间隔0.1；扫描相位从0°至345°，间隔15°。在圆图上描绘3 GHz时的基波幅度误差如图3- 80所示。在负载反射系数小于0.5时，除反射系数相位15°至95°部分区域外，K参数的基波幅度误差基本小于0.2 dB，可以满足模型的工程仿真应用。

在3 GHz输入功率10 dBm时，PA最大输出功率为35.48 dBm，而K参数仿真结果为35.43 dBm。被测放大器的基波负载牵引测试及负载牵引仿真的输出功率等高线对比图设置等高线最大输出功率为35.4 dBm，等高线间隔0.3 dB，圆图特征阻抗50 Ω，显示区域为反射系数圆小于0.6的部分史密斯圆图。由于在模型提取中将最大目标负载反射系数设置为0.5，在此区域内K参数模型负载牵引仿真结果与实测结果吻合良好。

2.2 0.8-4 GHz 功率放大器K参数提取平台

针对工作频率0.8-4 GHz、连续波输出功率10 W的功率放大器模块，由于其增益较低，只有12 dB，需要在输入端使用外置驱动放大器进行信号放大。被测件的输入、输出功率较大，使用外置耦合器进行入射波、反射波信号提取。

由于功率放大器芯片增益较低，需要较大的驱动功率，在NVNA的输出端口前，增加Aeroflex 25 W驱动放大器模块，并使用Narda 400 W 40 dB大功率耦合器来进行入射、反射波采集。在被测件输出端，使用上海华湘200 W功率容量10 dB衰减器及40 dB大功率耦合器来进行被测件输出信号测量。被测件反向基波信号使用Aeroflex 50 W功率放大器模块来进行驱动。

反向驱动放大器能够输出最大50 W功率，实际工作时为获得较好线性度，回退3 dB进行输出。扣除1 dB线缆损耗及衰减器10 dB衰减量后，到达被测件输出端口的功率为33 dBm，即2 W。被测件测试时，设置的K参数最大反射系数不同，获得的K参数模型负载牵引覆盖范围不同，则此时平台能够测量的被测件最大输出功率也不同。可见，对应匹配较好的被测件，输出最大电压驻波比较小，可以设定被测件最大反射系数较小，则平台能够提取的K参数功率就较大。故本文提出的K参数提取平台主要测试对象是功率放大器电路和模块，而非晶体管。