非線性是如何產生的？如何測試1dB增益壓縮點？

半導體器件是現代電子工業中十分耀眼的明星，近幾十年得到了長足的發展，憑借諸多優勢，已廣泛應用于控制、轉換、放大、運算等功能電路，一直以來備受人們的青睞。愛它就要接受它的缺點，任何事物都有自己的缺點，半導體器件也不例外。對于本文所涉及的射頻放大器等有源器件，非線性就是其缺點之一。

非線性是PA、LNA等射頻有源器件繞不開的話題，雖然不可避免，但仍然希望盡量保持在比較低的水平，以降低對系統的影響。衡量非線性特性的參數較多，其中1dB增益壓縮點通常是必測的項目。非線性是如何產生的，為什么會引起增益壓縮，如何測試1dB增益壓縮點，這將是下文要重點介紹的內容。

1.非線性是如何產生的？

半導體器件之所以得到廣泛的應用，原因之一就是能夠被“控制”，為人們所用。對于一個基本的晶體管，以場效應管為例，通過控制柵極的供電便可以控制晶體管的導通與關斷，可以控制漏源之間電流的大小。晶體管可用于設計射頻放大器，晶體管轉移特性曲線的斜率(跨導) 在一定程度上決定了放大器的增益。然而，晶體管的轉移特性曲線并非是線性的，這意味著放大器的增益也不是恒定的。

圖1. 晶體管DC特性曲線及信號放大示意圖

以共源極放大器為例，柵極作為交流信號輸入端口，放大后的信號由漏極輸出。當設計好直流工作點Q時，射頻信號會疊加在柵極的工作點電壓上，然后經過放大輸出。圖1給出了晶體管典型的轉移和輸出特性曲線以及交流信號被放大的過程示意圖。

當射頻輸入信號比較小時，如果直流工作點選擇得合適，則映射到轉移特性曲線上的區域接近于線性，可以近似認為信號是線性放大的。隨著射頻信號的功率不斷增大，映射到轉移特性曲線上的區域逐漸呈現為非線性，此時放大的波形已與輸入信號有明顯不同，失真越來越明顯。這種失真并不是波形整體放大或縮小這種線性失真，而是非線性的失真。

以圖1為例，考慮一種極端的情況：假設已經選定直流工作點，當輸入信號增大到使得柵源電壓Vgs在部分時刻低于導通閾值電壓時，在這些時刻晶體管就會關閉，當然也就沒有輸出波形，因此輸出波形會嚴重失真，這也意味著放大器已經處于嚴重的非線性工作狀態！

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

說到這，影響放大器線性度的因素主要包括：非線性的轉移特性，直流工作點的選擇以及輸入信號的強弱。

半導體器件的非線性失真機理可能遠比上述介紹復雜，但上述三個因素至少是其中部分原因，這也讓一直將非線性掛在嘴邊的射頻工程師向“知其然，知其所以然”的目標又邁進了一步。

非線性特性并不是“一無是處”，對于放大器而言確實是有害的，但是有些器件就是要利用這種特性實現特定的功能，比如乘法器、混頻器、倍頻器等，關鍵視具體應用而定。

2.什么是1dB增益壓縮點？

通?？梢詫⒎蔷€性電路的輸出信號進行泰勒(Taylor) 級數展開，更具體地講，應該是麥克勞林(Maclaurin) 級數展開：

式中，vin(t)和vout(t)分別為輸入和輸出信號，ci為級數展開常系數。

對于放大器，當饋入單頻點信號時，其輸出特性又是怎樣的呢？

令vin(t)=V0cosω0t ，代入上式可得

可將上式中各個分項展開如下

對于偶數冪次，積化和差后只有DC分量及偶次諧波分量，可簡寫為2i·?0，i為非負整數；

對于奇數冪次，積化和差后只有奇次諧波分量(2i+1)·?0，i為非負整數。

由此可見，因放大器的非線性特性，當輸入單頻點信號時，其輸出信號除包含被放大的原頻點信號外，還會再生一些新的頻率分量，頻率再生也成為非線性失真的一個特點。

對于頻率分量?0，其輸出項為

Taylor級數展開后，階數越高，常系數ci越小，因此，為了方便，上式中只考慮前三項，忽略高次項。

則放大器的電壓增益為

可以將增益分為兩部分：線性放大增益，以及因輸入信號影響而貢獻的增益。

G=c1+?G(V0)

理論上，期望放大器是理想線性的，無論輸入功率多大，輸出功率都是線性增加的，即增益都是恒定不變的。但事實是，當輸入功率較大時，放大器會進入非線性工作區域，導致增益壓縮。因此，上式中?G(V0)是小于0的。

當輸入功率較低時，與輸入信號相關的增益部分趨于0，則此時的增益接近于線性增益。隨著輸入功率的不斷增大，輸出功率近似線性增加，增大到一定程度，非線性越來越明顯，導致增益壓縮，輸出功率增長速度放緩，最后逐步趨于飽和穩定，輸入、輸出功率之間的關系如圖2所示。

圖2. 放大器的增益壓縮特性及1dB增益壓縮點

如何解讀圖2中的曲線關系？

首先需要明確的是，這是輸入、輸出功率的對數表示，因此理想線性放大器的曲線斜率為1，如圖中虛線所示。實線表征的是放大器實際輸入、輸出功率之間的關系，隨著輸入功率的增大，輸出功率增大得速度變慢，越來越偏離理想的曲線，增益逐步變低，這就是增益壓縮效應。

Pout(dBm)=Pin( dBm)+G(dB)

放大器等有源器件通常關注實際增益比線性增益跌落1dB的位置，稱之為1dB增益壓縮點，該點對應的輸入、輸出功率一般分別標記為P1dB,in和P1dB,out。

1dB增益壓縮點越高越好，兩個放大器相比較，誰的壓縮點越高，意味著誰的線性度越好。無線通信系統中，信號通常都具有一定的帶寬，如果總功率接近于1dB壓縮點，則放大器非線性越趨于明顯，就會產生比較強的諧波、交調產物，從而對鄰帶或帶內造成干擾。因此，非線性失真是放大器設計中一個非常重要的考量因素。

3.如何測試1dB增益壓縮點？

前面簡要地介紹了非線性導致增益壓縮的基本內容，那么實際中如何測試1dB增益壓縮點呢？

1dB增益壓縮點的測試方法較靈活，通過矢量網絡分析儀自動測試，可以自動測試一維/二維掃描時的壓縮點；也可以基于信號源和頻譜儀甚至是功率計進行手動測試，這將是下面要著重介紹的方法。

信號源輸出功率與設定值有一定的偏差，而且測試所需要的線纜、衰減器等附件都有一定的損耗，那么需要對這些提前標定嗎？

由于P1dB測試的是絕對功率，所以以上因素還是影響測試結果的。但是，也沒有必要進行全面的標定。下面介紹的P1dB測試思路是，首先確定信號源輸出功率設置多少時增益壓縮1dB，然后記錄該設置功率和頻譜儀測得的功率，最后再扣除線纜和附件的損耗分別確定1dB壓縮點的輸入、輸出功率及增益。

值得一提的是，該測試要求信號源輸出功率的線性度較好，否則會帶來較大的測試誤差。好在通用的射頻源在很寬的功率范圍內都具有良好的線性度。

當然，為了進一步提高測試精度，也可以考慮使用功率計對信號源在一定功率范圍內進行功率校準，進一步改善輸出功率線性度。

圖3. 1dB增益壓縮點測試的典型連接示意圖

實際測試時，具體操作步驟如下：

(1) 測前準備：選擇性能較好的射頻線纜、轉接頭及合適的高功率容量衰減器，對于線纜和轉接頭，尤其要保證在測試頻段內的VSWR要良好；高功率容量衰減器僅僅在測試PA時需要，以保護測試設備，對于小信號放大器的測試，使用頻譜儀內置的衰減器足矣。

(2) 測試連接：按照圖3完成測試連接，如果測試PA，則需要在其后引入合適的衰減器，此時要保證信號源沒有射頻信號輸出。

(3) 參數設置：設置信號源的頻率、功率及功率步進，頻率根據測試頻點設置，建議先設置一個低功率，保證放大器工作在近似線性區域。設置頻譜儀的中心頻率CF和Span，因為測試單頻點信號，建議Span不要太大，內部衰減度的設定需要根據放大器的輸入功率、增益及外部衰減度綜合考慮。

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

(5)P1dB測試：打開信號源的輸出開關，調整頻譜儀的參考電平、衰減度，使得CW信號頻譜得到良好的顯示，并保證有足夠的信噪比。調出頻譜儀的peak marker，一并記錄信號源設置的功率Pin,1及peak marker的功率Pout,1。

不斷地增大信號源輸出的功率，可以通過信號源的導航鍵按照步驟(2) 中設定的步進逐步增大功率，并觀測頻譜儀測得的功率。當信號源的功率調整到Pin,n，且滿足如下公式

Pin,n-Pin,1-(Pout,n-Pout,1)=1dB

則完成了P1dB測試的第一步，但是Pin,n和Pout,n還不是1dB增益壓縮點輸入、輸出功率。

Pout,n是放大器輸出功率經過后級線纜、衰減器等附件后測得的功率，因此補償這些損耗后便得到P1dB,out；Pin,n是放大器增益壓縮1dB時信號源設置的功率，去掉放大器，直接使用頻譜儀測試放大器輸入側的功率即為P1dB,in。1dB壓縮點對應的放大器增益則為

G1dB=P1dB,out-P1dB,in

P1dB測試需要注意哪些事項？

首先放大器上電順序要正確，尤其是功率放大器。對于GaAs、GaN放大器，目前大部分采用的都是耗盡型晶體管設計，柵源電壓為0V時便是打開的狀態，因此這類放大器的柵極一般都工作在負壓狀態。對于這類放大器，出于保護的目的，一定要先加負柵壓，再加漏極電壓。

其次，測試PA時，必須要根據其最大輸出功率選擇合適的衰減器，以免功率過高燒壞頻譜儀的射頻前端。頻譜儀內部衰減器通常最多只能耐受1W的功率，所以經過外部衰減器后的功率一定要遠小于該值。

最后，考慮到測試精度，可以在放大器前后各引入一個合適的衰減器，以改善輸入、輸出匹配。對于PA的測試，由于對驅動功率有一定的要求，PA之前的衰減度不宜太大，要保證信號源經該衰減器后的功率仍然可以驅動PA正常工作。

此外，還要避免頻譜儀進入非線性區域，可以參考頻譜儀的規格書查找其P1dB，只要測試時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性帶來的影響便可以忽略。

還有一種簡單的判斷方法，當找到1dB壓縮點時，手動增大頻譜儀的衰減度，如果測得的信號功率基本不變，那么說明頻譜儀沒有明顯的非線性；如果增大衰減度，測得功率反而變大，則說明頻譜儀的射頻前端已經壓縮了，需要進一步增大衰減度直到測得功率穩定，然后繼續增大信號源輸出功率，尋找放大器真正的1dB壓縮點。

最后，留一個開放性的問題：對于PA，可能存在這樣的情況，在激勵功率遞增時，增益并不總呈現單調降低趨勢，比如隨著激勵功率的提高，PA增益可能先增大后又降低，那么標定1dB增益壓縮點時，應該以哪個增益(或者功率)作為參考呢？

審核編輯：劉清