半導(dǎo)體器件是現(xiàn)代電子工業(yè)中十分耀眼的明星，近幾十年得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，憑借諸多優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于控制、轉(zhuǎn)換、放大、運(yùn)算等功能電路，一直以來(lái)備受人們的青睞。愛(ài)它就要接受它的缺點(diǎn)，任何事物都有自己的缺點(diǎn)，半導(dǎo)體器件也不例外。對(duì)于本文所涉及的射頻放大器等有源器件，非線(xiàn)性就是其缺點(diǎn)之一。

非線(xiàn)性是PA、LNA等射頻有源器件繞不開(kāi)的話(huà)題，雖然不可避免，但仍然希望盡量保持在比較低的水平，以降低對(duì)系統(tǒng)的影響。衡量非線(xiàn)性特性的參數(shù)較多，其中1dB增益壓縮點(diǎn)通常是必測(cè)的項(xiàng)目。非線(xiàn)性是如何產(chǎn)生的，為什么會(huì)引起增益壓縮，如何測(cè)試1dB增益壓縮點(diǎn)，這將是下文要重點(diǎn)介紹的內(nèi)容。

01【非線(xiàn)性是如何產(chǎn)生的】
半導(dǎo)體器件之所以得到廣泛的應(yīng)用，原因之一就是能夠被“控制”，為人們所用。對(duì)于一個(gè)基本的晶體管，以場(chǎng)效應(yīng)管為例，通過(guò)控制柵極的供電便可以控制晶體管的導(dǎo)通與關(guān)斷，可以控制漏源之間電流的大小。晶體管可用于設(shè)計(jì)射頻放大器，晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)的斜率(跨導(dǎo)) 在一定程度上決定了放大器的增益。然而，晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)并非是線(xiàn)性的，這意味著放大器的增益也不是恒定的。

圖1. 晶體管DC特性曲線(xiàn)及信號(hào)放大示意圖

以共源極放大器為例，柵極作為交流信號(hào)輸入端口，放大后的信號(hào)由漏極輸出。當(dāng)設(shè)計(jì)好直流工作點(diǎn)Q時(shí)，射頻信號(hào)會(huì)疊加在柵極的工作點(diǎn)電壓上，然后經(jīng)過(guò)放大輸出。圖1給出了晶體管典型的轉(zhuǎn)移和輸出特性曲線(xiàn)以及交流信號(hào)被放大的過(guò)程示意圖。

當(dāng)射頻輸入信號(hào)比較小時(shí)，如果直流工作點(diǎn)選擇得合適，則映射到轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)上的區(qū)域接近于線(xiàn)性，可以近似認(rèn)為信號(hào)是線(xiàn)性放大的。隨著射頻信號(hào)的功率不斷增大，映射到轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)上的區(qū)域逐漸呈現(xiàn)為非線(xiàn)性，此時(shí)放大的波形已與輸入信號(hào)有明顯不同，失真越來(lái)越明顯。這種失真并不是波形整體放大或縮小這種線(xiàn)性失真，而是非線(xiàn)性的失真。

以圖1為例，考慮一種極端的情況：假設(shè)已經(jīng)選定直流工作點(diǎn)，當(dāng)輸入信號(hào)增大到使得柵源電壓Vgs在部分時(shí)刻低于導(dǎo)通閾值電壓時(shí)，在這些時(shí)刻晶體管就會(huì)關(guān)閉，當(dāng)然也就沒(méi)有輸出波形，因此輸出波形會(huì)嚴(yán)重失真，這也意味著放大器已經(jīng)處于嚴(yán)重的非線(xiàn)性工作狀態(tài)！

如果直流工作點(diǎn)選擇得合適，放大器可能在很寬的輸入功率范圍內(nèi)都不會(huì)存在明顯的非線(xiàn)性失真；而如果選擇得不合適，比如靠近導(dǎo)通閾值電壓，那么即使輸入信號(hào)較小，也可能會(huì)存在明顯的非線(xiàn)性失真。

說(shuō)到這，影響放大器線(xiàn)性度的因素主要包括：非線(xiàn)性的轉(zhuǎn)移特性，直流工作點(diǎn)的選擇以及輸入信號(hào)的強(qiáng)弱。

半導(dǎo)體器件的非線(xiàn)性失真機(jī)理可能遠(yuǎn)比上述介紹復(fù)雜，但上述三個(gè)因素至少是其中部分原因，這也讓一直將非線(xiàn)性?huà)煸谧爝叺纳漕l工程師向“知其然，知其所以然”的目標(biāo)又邁進(jìn)了一步。

非線(xiàn)性特性并不是“一無(wú)是處”，對(duì)于放大器而言確實(shí)是有害的，但是有些器件就是要利用這種特性實(shí)現(xiàn)特定的功能，比如乘法器、混頻器、倍頻器等，關(guān)鍵視具體應(yīng)用而定。

02【什么是1dB增益壓縮點(diǎn)？】
通?？梢詫⒎蔷€(xiàn)性電路的輸出信號(hào)進(jìn)行泰勒(Taylor) 級(jí)數(shù)展開(kāi)，更具體地講，應(yīng)該是麥克勞林(Maclaurin) 級(jí)數(shù)展開(kāi)：

式中，v_in(t) 和v_out(t) 分別為輸入和輸出信號(hào)，c_i 為級(jí)數(shù)展開(kāi)常系數(shù)。

對(duì)于放大器，當(dāng)饋入單頻點(diǎn)信號(hào)時(shí)，其輸出特性又是怎樣的呢？

令v_in (t)=V₀ cosω₀ t ，代入上式可得

可將上式中各個(gè)分項(xiàng)展開(kāi)如下

對(duì)于偶數(shù)冪次，積化和差后只有DC分量及偶次諧波分量，可簡(jiǎn)寫(xiě)為2i·?₀ ，i 為非負(fù)整數(shù)；

對(duì)于奇數(shù)冪次，積化和差后只有奇次諧波分量(2i+1)·?₀，i 為非負(fù)整數(shù)。

由此可見(jiàn)，因放大器的非線(xiàn)性特性，當(dāng)輸入單頻點(diǎn)信號(hào)時(shí)，其輸出信號(hào)除包含被放大的原頻點(diǎn)信號(hào)外，還會(huì)再生一些新的頻率分量，頻率再生也成為非線(xiàn)性失真的一個(gè)特點(diǎn)。

對(duì)于頻率分量?₀ ，其輸出項(xiàng)為

Taylor級(jí)數(shù)展開(kāi)后，階數(shù)越高，常系數(shù)c_i 越小，因此，為了方便，上式中只考慮前三項(xiàng)，忽略高次項(xiàng)。

則放大器的電壓增益為

可以將增益分為兩部分：線(xiàn)性放大增益，以及因輸入信號(hào)影響而貢獻(xiàn)的增益。

G=c₁+?G(V₀)

理論上，期望放大器是理想線(xiàn)性的，無(wú)論輸入功率多大，輸出功率都是線(xiàn)性增加的，即增益都是恒定不變的。但事實(shí)是，當(dāng)輸入功率較大時(shí)，放大器會(huì)進(jìn)入非線(xiàn)性工作區(qū)域，導(dǎo)致增益壓縮。因此，上式中?G(V₀ ) 是小于0的。

當(dāng)輸入功率較低時(shí)，與輸入信號(hào)相關(guān)的增益部分趨于0，則此時(shí)的增益接近于線(xiàn)性增益。隨著輸入功率的不斷增大，輸出功率近似線(xiàn)性增加，增大到一定程度，非線(xiàn)性越來(lái)越明顯，導(dǎo)致增益壓縮，輸出功率增長(zhǎng)速度放緩，最后逐步趨于飽和穩(wěn)定，輸入、輸出功率之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2. 放大器的增益壓縮特性及1dB增益壓縮點(diǎn)

如何解讀圖2中的曲線(xiàn)關(guān)系？

首先需要明確的是，這是輸入、輸出功率的對(duì)數(shù)表示，因此理想線(xiàn)性放大器的曲線(xiàn)斜率為1，如圖中虛線(xiàn)所示。實(shí)線(xiàn)表征的是放大器實(shí)際輸入、輸出功率之間的關(guān)系，隨著輸入功率的增大，輸出功率增大得速度變慢，越來(lái)越偏離理想的曲線(xiàn)，增益逐步變低，這就是增益壓縮效應(yīng)。

P_out (dBm)=P_in ( dBm)+G(dB)

放大器等有源器件通常關(guān)注實(shí)際增益比線(xiàn)性增益跌落1dB的位置，稱(chēng)之為1dB增益壓縮點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入、輸出功率一般分別標(biāo)記為P_1dB,in 和P_1dB,out 。

1dB增益壓縮點(diǎn)越高越好，兩個(gè)放大器相比較，誰(shuí)的壓縮點(diǎn)越高，意味著誰(shuí)的線(xiàn)性度越好。無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，信號(hào)通常都具有一定的帶寬，如果總功率接近于1dB壓縮點(diǎn)，則放大器非線(xiàn)性越趨于明顯，就會(huì)產(chǎn)生比較強(qiáng)的諧波、交調(diào)產(chǎn)物，從而對(duì)鄰帶或帶內(nèi)造成干擾。因此，非線(xiàn)性失真是放大器設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的考量因素。

03
【 如何測(cè)試1dB增益壓縮點(diǎn)？】
前面簡(jiǎn)要地介紹了非線(xiàn)性導(dǎo)致增益壓縮的基本內(nèi)容，那么實(shí)際中如何測(cè)試1dB增益壓縮點(diǎn)呢？

1dB增益壓縮點(diǎn)的測(cè)試方法較靈活，通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀自動(dòng)測(cè)試，可以自動(dòng)測(cè)試一維/二維掃描時(shí)的壓縮點(diǎn)；也可以基于信號(hào)源和頻譜儀甚至是功率計(jì)進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試，這將是下面要著重介紹的方法。

信號(hào)源輸出功率與設(shè)定值有一定的偏差，而且測(cè)試所需要的線(xiàn)纜、衰減器等附件都有一定的損耗，那么需要對(duì)這些提前標(biāo)定嗎？

由于P_1dB 測(cè)試的是絕對(duì)功率，所以以上因素還是影響測(cè)試結(jié)果的。但是，也沒(méi)有必要進(jìn)行全面的標(biāo)定。下面介紹的P_1dB 測(cè)試思路是，首先確定信號(hào)源輸出功率設(shè)置多少時(shí)增益壓縮1dB，然后記錄該設(shè)置功率和頻譜儀測(cè)得的功率，最后再扣除線(xiàn)纜和附件的損耗分別確定1dB壓縮點(diǎn)的輸入、輸出功率及增益。

值得一提的是，該測(cè)試要求信號(hào)源輸出功率的線(xiàn)性度較好，否則會(huì)帶來(lái)較大的測(cè)試誤差。好在通用的射頻源在很寬的功率范圍內(nèi)都具有良好的線(xiàn)性度。

當(dāng)然，為了進(jìn)一步提高測(cè)試精度，也可以考慮使用功率計(jì)對(duì)信號(hào)源在一定功率范圍內(nèi)進(jìn)行功率校準(zhǔn)，進(jìn)一步改善輸出功率線(xiàn)性度。

圖3. 1dB增益壓縮點(diǎn)測(cè)試的典型連接示意圖

實(shí)際測(cè)試時(shí)，具體操作步驟如下：

(1) 測(cè)前準(zhǔn)備：選擇性能較好的射頻線(xiàn)纜、轉(zhuǎn)接頭及合適的高功率容量衰減器，對(duì)于線(xiàn)纜和轉(zhuǎn)接頭，尤其要保證在測(cè)試頻段內(nèi)的VSWR要良好；高功率容量衰減器僅僅在測(cè)試PA時(shí)需要，以保護(hù)測(cè)試設(shè)備，對(duì)于小信號(hào)放大器的測(cè)試，使用頻譜儀內(nèi)置的衰減器足矣。

(2) 測(cè)試連接：按照?qǐng)D3完成測(cè)試連接，如果測(cè)試PA，則需要在其后引入合適的衰減器，此時(shí)要保證信號(hào)源沒(méi)有射頻信號(hào)輸出。

(3) 參數(shù)設(shè)置：設(shè)置信號(hào)源的頻率、功率及功率步進(jìn)，頻率根據(jù)測(cè)試頻點(diǎn)設(shè)置，建議先設(shè)置一個(gè)低功率，保證放大器工作在近似線(xiàn)性區(qū)域。設(shè)置頻譜儀的中心頻率CF和Span，因?yàn)闇y(cè)試單頻點(diǎn)信號(hào)，建議Span不要太大，內(nèi)部衰減度的設(shè)定需要根據(jù)放大器的輸入功率、增益及外部衰減度綜合考慮。

(4) 打開(kāi)放大器：注意上電順序，尤其是對(duì)于PA而言，詳見(jiàn)下面的注意事項(xiàng)。建議先給柵極上電，再給漏極上電。

(5) P_1dB 測(cè)試：打開(kāi)信號(hào)源的輸出開(kāi)關(guān)，調(diào)整頻譜儀的參考電平、衰減度，使得CW信號(hào)頻譜得到良好的顯示，并保證有足夠的信噪比。調(diào)出頻譜儀的peak marker，一并記錄信號(hào)源設(shè)置的功率P_in,1 及peak marker的功率P_out,1 。

不斷地增大信號(hào)源輸出的功率，可以通過(guò)信號(hào)源的導(dǎo)航鍵按照步驟(2) 中設(shè)定的步進(jìn)逐步增大功率，并觀測(cè)頻譜儀測(cè)得的功率。當(dāng)信號(hào)源的功率調(diào)整到P_in,n，且滿(mǎn)足如下公式

P_in,n-P_in,1-(P_out,n-P_out,1)=1dB

則完成了P_1dB 測(cè)試的第一步，但是P_in,n 和P_out,n 還不是1dB增益壓縮點(diǎn)輸入、輸出功率。

P_out,n 是放大器輸出功率經(jīng)過(guò)后級(jí)線(xiàn)纜、衰減器等附件后測(cè)得的功率，因此補(bǔ)償這些損耗后便得到P_1dB,out；P_in,n是放大器增益壓縮1dB時(shí)信號(hào)源設(shè)置的功率，去掉放大器，直接使用頻譜儀測(cè)試放大器輸入側(cè)的功率即為P_1dB,in 。1dB壓縮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的放大器增益則為

G_1dB=P_1dB,out-P_1dB,in

P_1dB 測(cè)試需要注意哪些事項(xiàng)？

首先放大器上電順序要正確，尤其是功率放大器。對(duì)于GaAs、GaN放大器，目前大部分采用的都是耗盡型晶體管設(shè)計(jì)，柵源電壓為0V時(shí)便是打開(kāi)的狀態(tài)，因此這類(lèi)放大器的柵極一般都工作在負(fù)壓狀態(tài)。對(duì)于這類(lèi)放大器，出于保護(hù)的目的，一定要先加負(fù)柵壓，再加漏極電壓。

其次，測(cè)試PA時(shí)，必須要根據(jù)其最大輸出功率選擇合適的衰減器，以免功率過(guò)高燒壞頻譜儀的射頻前端。頻譜儀內(nèi)部衰減器通常最多只能耐受1W的功率，所以經(jīng)過(guò)外部衰減器后的功率一定要遠(yuǎn)小于該值。

最后，考慮到測(cè)試精度，可以在放大器前后各引入一個(gè)合適的衰減器，以改善輸入、輸出匹配。對(duì)于PA的測(cè)試，由于對(duì)驅(qū)動(dòng)功率有一定的要求，PA之前的衰減度不宜太大，要保證信號(hào)源經(jīng)該衰減器后的功率仍然可以驅(qū)動(dòng)PA正常工作。

此外，還要避免頻譜儀進(jìn)入非線(xiàn)性區(qū)域，可以參考頻譜儀的規(guī)格書(shū)查找其P_1dB，只要測(cè)試時(shí)饋入頻譜儀的功率低于該值至少6dB以上，那么頻譜儀自身的非線(xiàn)性帶來(lái)的影響便可以忽略。

還有一種簡(jiǎn)單的判斷方法，當(dāng)找到1dB壓縮點(diǎn)時(shí)，手動(dòng)增大頻譜儀的衰減度，如果測(cè)得的信號(hào)功率基本不變，那么說(shuō)明頻譜儀沒(méi)有明顯的非線(xiàn)性；如果增大衰減度，測(cè)得功率反而變大，則說(shuō)明頻譜儀的射頻前端已經(jīng)壓縮了，需要進(jìn)一步增大衰減度直到測(cè)得功率穩(wěn)定，然后繼續(xù)增大信號(hào)源輸出功率，尋找放大器真正的1dB壓縮點(diǎn)。

最后，留一個(gè)開(kāi)放性的問(wèn)題：對(duì)于PA，可能存在這樣的情況，在激勵(lì)功率遞增時(shí)，增益并不總呈現(xiàn)單調(diào)降低趨勢(shì)，比如隨著激勵(lì)功率的提高，PA增益可能先增大后又降低，那么標(biāo)定1dB增益壓縮點(diǎn)時(shí)，應(yīng)該以哪個(gè)增益(或者功率)作為參考呢？