射频放大模块总合参量测量

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1 实验讲义 王子立 浙江大学信息电子工程系 010 年 月

2 一 实验目的 射频放大模块综合参量测量 一个无线收 发的通信系统都少不了射频放大模块, 而射频放大模块一般来说由放大器 ( 包括低噪声放大 功率放大 ) 滤波器组成, 模块性能好坏直接影响到通信质量 那么一个射频放大器到底有那些重要参数呢? 它们的概念和物理意义是什么? 一般来说一个射频放大器主要参数有 : 输入阻抗 输入反射系数 S 11 ( 关系到与前级匹配 ) 传输系数 S 1 ( 放大器增益 ) 输出反射系数 S ( 关系到与后级匹配 ) -dbm 带宽 (B-dB) 通带内纹波 带外抑制度 带内相位延时 群时延 -1dBm 输出功率 (P-1dBm) 互调抑制 临近频道干扰等 本实验就是通过这些参数测量来领会以上参数的基本概念 掌握这些参量的测量方法, 为通信系统设计与今后工作 研究打好基础 二 实验原理 图 1 实验装置实物图图 1 与图 分别为为实验装置和射频放大模块的实物图 实验用到的设备包括直流电源 AT-801D 合成频率信号发生器 ( 已改装, 输出信号可加调制信号 ) AV619 矢量网络分析仪 AV406 频谱分析仪 射频放大模块 图 是射频放大模块的内部结构图 1

3 图 射频放大模块实物图 电 源 输出 输入 低噪声放大器低噪声放大器 射频放大器模块图 滤波器 图 射频放大模块框架图 在放大电路的研究中, 以晶体管放大器为例, 将它的伏安特性在工作电处展开为幂级数, 可得如下式子 : c a0 a1v av av an v (1) N 假设放大器输入为余弦信号 : v t V cos t, 当输入信号幅度 V 比较大, 使 (1) 式 中高次项的影响不能忽略时, 输出电流为 : s t a V 1 a V cos t a V a1v cos t a V a 4 V a cos t V cos t a cos t V 4 cos t () 由 () 式可知, 输入单一频率信号通过非线性器件, 输出电流中含有平均分量, 基波频率分量和各次谐波分量 1 互调失真: 当放大器输入端除有用信号外, 还有一个或多个干扰信号时, 由于器件的非线性, 会引起多个信号间的相互作用而造成干扰 假设输入两个信号 : t V cos t V cos t v 1m 1 m, 代入 (1) 式可知, 除了两频率

4 信号的基波和各次谐波分量外, 还会产生许多组合频率分量 当两个信号频率十分接近时, 除了基波外, 还可能有组合频率 1 和 1 落在放大器频带内, 这些组合频率形 成对有用信号的干扰 这是由两个输入信号的相互调制引起的, 称为互调失真 由非线性器 件的三次方项引起的互调成为三阶互调 之比 衡量放大器的互调失真程度有两个指标 : (1) 互调失真比 IMR: 定义为某一输入信号幅度下, 三阶互调分量的幅度与基波幅度 () 三阶互调截点 : 定义为三阶互调功率达到和基波功率相等的点, 此点所对应的输 入功率表示为 IIP, 对于的输出功率表示为 OIP 1dB 增益压缩点 : 当信号大到器件的高次项不能忽略时, 假设只考虑三次项, 则由 () 式可得基波信号 电流为 : s1 a1v a V cos t a1 a V v t () 4 4 根据跨导的定义, 得出大信号平均跨导 : g m a1 a V (4) 4 由此可以看出, 电路的非线性不仅在于出现了谐波, 它的基波增益中出现了与输入信号幅度 有关的失真项 对于小于零的 a, 平均跨导随输入信号幅度的增大而减小, 此现象称为增 益压缩 在射频线性放大器电路中, 常用 1dB 压缩点来度量放大器的线性 它定义为使增 益比线性放大器增益下降 1dB 所对应得输入信号幅度值 V 比值 实验中出现的一些术语 : (1) 输入反射系数 S 11 与传输系数 S 1 : 对于一个双端口网络 : S 1 : 定义为传输到输出端口 的信号功率比上输入端口 1 的入射功率 S 11 : 定义为输入端口 1 的反射功率比上输入端口 1 的入射功率 ()db 带宽 : 电路输出电压幅度值等于 1 时所对应的频率响应宽度 () 带外抑制 : 指通带以外指定频点或某一频率范围的信号相对于中心频率处的幅度 (4) 相位延时 : 定义为 t p, 其中 是系统的相移特性 它是系统对给定 角频率的正弦信号产生的延时 相位延时出现在载波因子中, 它表示的是单一频率的载波的 延时

5 (5) 临近频道干扰在一个通讯信道内往往有多个通信频道, 两个相临的频道称临近频道, 临近频道之间的相互干扰则称临近频道干扰三 实验内容与操作 1 传输系数 S 1 测量实验装置图如图 4 所示 网络分析仪 RF 输出 输入 电源 被测射频模块 RF 输入 输出 图 4 S 1 测量实验装置图 实验步骤 : (1) 将矢量网络分析的信号输出端口电缆与被测射频模块连接, 射频模块输出端口与矢量网络分析的信号输入端口电缆连接 将电源接至被测射频模块, 直流电源 9V 供电 () 打开电源和网络分析仪开关, 在网络分析仪面板上如下按键操作 : 按 通道 [1] 选择 [ 传输 ], 选择测试射频放大器模块的传输特性 S 1 ; 按 格式 选择 [ 对数幅度 ]; 图 5 传输特性曲线 S 1 按 频率 选择 [ 开始频率 ], 输入 850 [MHz], 选择 [ 终止频率 ], 输入 940 4

6 [MHz], 设置网络分析仪的扫频范围为 850MHz-940MHz 按 比例 选择 [ 自动比例 ]; 如图 5 所示, 网络分析仪上将得到传输特性曲线 S 1 () 通带中心频率和系统增益测量 : 按 光标 进入 [ 光标搜索 ] 选择 [ 最大值搜索 ] 观察 S 1 特性曲线, 读出通带的中心频率及在此频率上的射频模块系统增益 (4)dB 带宽测量 : 按 光标 进入 [ 光标搜索 ] 选择 [ 带宽 ] 读出此时的 BW 数值及系统的 db 带宽 (5) 带外抑制 : 按 频率 选择 [ 开始频率 ], 输入 800 [ MHz], 选择 [ 终止频率 ], 输入 1000 [MHz], 设置网络分析仪的扫频范围为 800MHz-1000MHz, 增加扫频带宽 按 光标 [1>], 选择光标 1, 旋转网络分析仪面板上的旋转键, 移动光标, 观察传输特性曲线的带外抑制性能 (6) 传输特性曲线的相位与相位延时 : 按 格式 选择 [ 相位 ], 观察通带内的相位特性曲线 按 格式 选择 [ 延时 ], 观察相位延时曲线, 通常情况下, 曲线越平坦, 表明延时越少 输入反射系数 S 11 测试 网络分析仪 网络分析仪 RF 输出 电源 RF 输出 电源 输出 输入 被测射频模块 被测射频模块 图 6 S 11 测量实验装置图 图 7 S 测量实验装置图 实验装置图如图 6 所示 实验步骤 : (1) 反射系数和相位 : 如图 所示连接仪器, 5

7 按 通道 选择 [ 反射 ], 选择测试射频放大器模块输入端的反射特性 S 11 ; 按 格式 选择 [ 对数幅度 ]; 按 频率 选择 [ 开始频率 ], 输入 860 [ MHz], 选择 [ 终止频率 ], 输入 940 [MHz], 即设置网络分析仪的扫频范围为 860MHz-940MHz 按 比例 选择 [ 自动比例 ]; 观察反射系数在通带范围内的幅值, 通常情况下, 反射系数小于 -15dB 为佳 按 格式 选择 [ 相位 ], 观察反射系数的相位特性 () 反射系数的史密斯圆图 : 按 格式 选择 [ 史密斯圆图 ], 观察反射系数的史密斯圆图, 见图 8; 按 光标 [ 全关闭 ][1>], 先关闭所有光标, 然后开启光标 1, 以便于观察, 移动光标观察各频率上的反射系数, 读出中心频率的反射系数和等效阻抗 互调测试 图 8 史密斯圆图 双频信号源 频谱分析仪 射频输入 电源 输出 输入 被测射频模块 图 9 互调测量实验装置图 6

8 实验装置图如图 9 所示 三阶互调截点 (IP) 测量 : 图 10 反映了基波 ( 一阶互调 ) 功率与三阶互调功率曲线, 当输入功率逐渐增加到 IIP 时, 基波功率与三阶互调功率曲线相交, 对应的输出功率为 OIP IIP 与 OIP 分别被定义为输入三阶互调截点和输出三阶互调截点 图 10 增益曲线放大器的增益 G 表示基波 ( 一阶互调 ) 功率曲线的斜率,G 表示三阶互调功率曲线的斜率, 也就是三阶互调输出功率是基波输出功率的三倍, 当输入功率等于 IIP 时, 对应的基波功率和三阶互调输出功率都等于 OIP, 也就是说三阶互调输出功率与基波功率功率相等 基波功率曲线可以用直线方程表示 : OIP a G( IIP P ) (5) 三阶互调功率曲线可由直线方程表示 : t OIP b G( IIP P ) (6) 由 (5) 与 (6) 解出 : OIP a ( a b) (a b) (7) IIP OIP G (8) 因此只要测出 a b G 的值即可以算出 OIP 和 IIP 实验步骤 : 调节双频信号源的输出信号的频率为 890MHz, 频偏 MHz, 信号衰减 10dB, 设置信号源的调制模式为不加调制, 输出模式为双频信号 7

9 在频谱仪上按 频率 选择 [ 中心频率 ], 输入 891 [ MHz]; 扫宽 输入 10 [ MHz]; 关联 选择 [ 分辨率带宽自动 * 手动 ] [1], 输入 00 [ KHz]; 图 11 互调失真如图 11 所示, 此时频谱仪上将出现两个主峰和两个次峰, 若无次峰, 则增加信号源的输入功率, 直至出现明显的次峰, 通过 峰值 次峰值 左峰值 右峰值 等按键, 可将光标移到各个峰上, 分别记录 4 个峰值的频率和幅度, 计算三阶互调截点 4 临近频道干扰测试: 如图 5 所示, 连接仪器, 接通电源 调节双频信号源的输出信号的频率为 890MHz, 信号衰减 10dB, 设置信号源的调制模式为调制 ( 即在输出信号上加入 10KHz 的调制信号 ), 输出模式为单频信号 在频谱仪上按 频率 选择 [ 中心频率 ], 输入 890 [ MHz]; 关联 选择[ 分辨率带宽自动 * 手动 ] [1], 输入 [ KHz]; 扫宽 输入 00 [ KHz]; 8

10 图 1 加入调制的射频信号在频谱仪上读出偏离中心频率 40KHz 处的幅度, 此幅度与中心频率上的幅度之比即为临道干扰抑制度 5 1dB 压缩点测量 : 实验装置连接仍如图 5 所示 调节双频信号源的输出信号的频率为 890MHz, 信号衰减 0dB, 设置信号源的调制模式为不加调制, 输出模式为单频信号 在频谱仪上按 频率 选择 [ 中心频率 ], 输入 890 [ MHz]; 扫宽 输入 100 [ MHz]; 关联 选择[ 分辨率带宽自动 * 手动 ] [1], 输入 1 [ MHz]; 按 峰值 键, 使频谱仪光标跳到信号的峰值上, 观察此时信号的频率 幅度等数值 改变双频信号源的衰减量, 测量输出信号的功率, 记录读数 表 1 1dB 压缩点测试 信号源 衰 减 (db) 输出功率根据读数画出曲线, 找到 1dB 压缩点 9

11 四 实验报告内容要求 1 在通带的中心频率上的 S 1 S 11 读数为多少, 分别代表什么意义? 在通带内的反射系数的相位特性如何? 计算三阶互调截点, 并确定截点上的输入功率 IIP 和输出功率 OIP 4 分析系统的临近频道干扰情况 5 根据测量值计算放大器的 1dB 压缩点, 分析放大器的线性特性 6 实验的收获与体会 [1] 注释说明 : 在文中网络分析仪前面板输入的硬键和软键的描述形式为 : 硬键即前面板按键, 由键名加 来描述, 如 复位 ; 软件为 8 个空白键, 列在矢量网络分析仪对应的屏幕边上, 文中用这些键的键名加 [ ] 来描述, 如 [ 扫描时间 ]; 如果软件包含两种状态, 那么前面有 * 表示其状态有效, 例如 :[ 扫描时间 * 手动自动 ] 表示扫描时间手动有效 频谱仪按键描述同上 10

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