使用矢网测量PA S12 S22和功率的方法

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1、传统PA的矢网测量方法

DUT的大信号测量是至关重要的,尤其是S22(关系到与天线的匹配)和饱和功率(Psat,直接关系到发射功率)。在测试大功率PA时,由于一般PA输出功率小至几W,大到上百W,如果这么大的信号直接灌进矢网(矢网接收机线性区一般在10dbm左右,接收机最大输入功率30dBm),会导致矢网接收机压缩甚至损坏,所以一般测量DUT增益或Psat的时候应在DUT的输出端连接一个较大的衰减器,再与矢网的测量端口相连。

但是这样会遇到一个问题,如果DUT输出端口接了大衰减器再用矢网2端口去测量DUT的反向S12和输出驻波S22时,进到接收机信号的信噪比(SNR)会显著下降。信噪比的下降对S22  (S22=B/R2)测量结果的影响尤其明显。原因是矢网2端口输出的功率(一般最大只能输出15dBm @ X波段)在到达DUT输出端口之前要经过衰减器的衰减,从DUT反射回来的信号也会再次经过衰减器衰减,才能到达矢网2端口接收机(B接收机),两次信号经过大衰减器后,会使进入B接收机的信号的信噪比变得很差,这会显著降低测量精度。如图1.1在这种情况下测得的S22结果的轨迹噪声很大。

4.1

图1.1 在大功率DUT的输出端和网络仪的测量端口之间连接大衰减进行测量所得到的测量结果,S22有很大的轨迹噪声

2、解决办法,准确测到S22

在矢网的前面板的跳线接口进行了很多专用跳线设计,可以根据不同的需要选择把被测器件和测量信号直接与内部激励源、接收机、定向耦合器和测试端口相连。图2.1展示的是直接接入矢网2端口接收机改进配置方式。在测量DUT的S21 (S21=B/R1)时,矢网的B接收机通过外部定向耦合器直接测量DUT的输出信号。如果输出信号过大,还可选择适当的衰减器接在定向耦合器和B接收机之间保护接收机。同时在矢网2端口和定向耦合器之间连接一个隔离度很高的隔离器,可以把DUT输出的大功率信号进行大幅度的隔离掉以保护网络仪的矢网2端口不被损坏(也可以使用大衰减器,但若使用衰减器,仍然会使矢网2端口出来的信号经过一次衰减器,可根据实际情况调整使用)。在测量DUT的S12 (S12=A/R2)和S22 (S22=B/R2)时,矢网2端口输出的激励信号经过插入损耗很小的隔离器施加给DUT的输出端,与图1.1对比可以显著改善测量的信噪比。

4.2

图2.1 使用接收机直接接入对大功率DUT进行测量得到的测量结果,S22的轨迹噪声显著减小

3、实例分析

图3.1以测量一个输出信号功率为30dBm的大功率DUT为例,比较了图1.1和图2.1两种不同的配置情况下各测量端口上和测量接收机所测量到的信号的功率。如果采用传统的配置方式(图左,对应图1.1)测量DUT的S12和S22时,虽然从端口2输出的测量激励信号的功率是0dBm,由于被测器件输出路径中存在30dB的大衰减器,最后需要测量的从DUT的输出端口反射回来到达B接收机的信号的功率仅为-86dBm (经过两次30dB的衰减+网络仪内定向耦合器26dB的耦合度之后,0dBm的激励信号回到2端口接收机信号只有-86dBm),显然矢网接收机测量如此小的信号是很难得到精确测量结果的。相比之下,使用接收机直接接入(图右,对应图2.1)的配置方式,在测量S22时,B接收机的输入信号的功率可以达到-56dBm (0dBm的激励信号从DUT的输出端反射回来之后,先经过外接的定向耦合器20dB的,再经过衰减器30dB的衰减之后,不经过网络仪内部的定向耦合器直接输入给B接收机),网络仪的接收机在测量这样大小量级的信号时就可以给出很精确的测量结果。在实际测量时甚至还可以把端口2输出信号的功率再提高一些,使得测量S12和S22时的信噪比更好,测量精度也就更高。

4.3

图3.1 使用图1.1(左图)和图2.1(右图)两种配置方式测量大功率DUT时信号功率的比较

4、需要注意的是

  1. 按正常S参数、源功率、接收机电平校准即可;
  2. 搞好图之后才发现PA 输出驻波没考虑到,因此图3.1中暂不考虑PA输出驻波,即假设S22大概在-1~0dB左右;
  3. 隔离器一般可以承受上百W的功率,但需要注意图3.1右图中的反向隔离器接入方向;
  4. 测量DUT前,请先用thru检查一下环境,确保环境没问题再上DUT;
  5. 此配置方式可以精确测量S11、S21、S12、S22以及增益压缩输出功率。

5、提问

如果用矢网测量PA的饱和功率,矢网1端口输出功率(最大大概15dBm)推不饱DUT,该怎么解决呢?

例如:S21=10dB,P3dB≈Psat≈30dBm @ 2.6G

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作者:Jimmy

来源: 微波射频网

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使用矢网测量PA S12 S22和功率的方法

DUT的大信号测量是至关重要的,尤其是S22(关系到与天线的匹配)和饱和功率(Psat,直接关系到发射功率)。在测试大功率PA时,由于一般PA输出功率小至几W,大到上百W,如果这么大的信号直接灌进矢网(矢网接收机线性区一般在10dbm左右,接收机最大输入功率30dBm),会导致矢网接收机压缩甚至损坏,所以一般测量DUT增益或Psat的时候应在DUT的输出端连接一个较大的衰减器,再与矢网的测量端口相连。

使用矢网测量PA S11、S21和饱和功率的方法

在测试大功率PA时,被测器件(DUT)的输出功率会超出测量接收机输入端口的压缩功率,并且可能对网络分析仪的接收机造成损害。一旦在使用中不慎将网络分析仪损坏,会产生高昂的维修费用。因此一般在DUT输出端短接双定向耦合器到矢网接收机,再接隔离器隔离大信号进入矢网来解决这一问题。

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