半导体器件在现代电子工业中扮演了重要的角色，经过近几十年的发展得到了长足的进步。由于其诸多优势，如控制性能、转换功能、放大能力以及运算特性等，在各种电路中广泛应用，并备受青睐。然而，任何事物都有其缺点，半导体器件也不例外。对于本文所涉及的射频放大器等有源器件而言，非线性特性是其中一个主要的缺点。
非线性特性是有源器件，例如功率放大器（PA）和低噪声放大器（LNA）无法绕过的问题。虽然无法完全避免非线性，但仍然希望将其保持在较低水平，以降低对整个系统性能的影响。衡量非线性特性的参数有很多，其中1dB增益压缩点通常是必须测试的项目。本文将重点介绍非线性是如何产生的、为何会引起增益压缩，以及如何测试1dB增益压缩点。
非线性是如何产生的？
半导体器件之所以被广泛应用，其中一个原因是它可以通过控制来实现各种功能。以场效应管为例，通过控制栅极的电压，可以控制晶体管的导通与关断，从而控制漏源之间的电流大小。晶体管可用于设计射频放大器，而晶体管的转移特性曲线斜率（跨导）在一定程度上决定了放大器的增益。然而，晶体管的转移特性曲线并非是线性的，这意味着放大器的增益也不是恒定的。
以共源极放大器为例，栅极作为交流信号输入端口，放大后的信号由漏极输出。在设定好直流工作点Q后，射频信号会叠加到栅极的工作点电压上，然后经过放大输出。图1展示了晶体管典型的转移和输出特性曲线，并示意了信号被放大的过程。
当射频输入信号较小时，如果选择合适的直流工作点，它映射到转移特性曲线上的区域接近线性，因此可以近似认为信号是线性放大的。随着射频信号功率的增加，它映射到转移特性曲线上的区域逐渐变得非线性，此时放大的波形已经明显偏离输入信号，出现了失真。这种失真不是简单的波形整体放大或缩小的线性失真，而是非线性失真。
以图1为例，考虑一个极端情况：假设直流工作点选择不当，当输入信号增大到使得栅源电压Vgs在某些时刻低于导通阈值电压时，晶体管就会关闭。在这些时刻，没有输出波形，因此输出波形会严重失真，这意味着放大器正处于严重的非线性工作状态！
当输入功率较低时，输出功率与输入功率之间的差距很小，增益保持相对恒定。可以用以下公式来表示输出功率和输入功率之间的关系：Pout (dBm) = Pin (dBm) + G (dB)，其中Pout是输出功率，Pin是输入功率，G是增益。
然而，随着输入功率的增加，输出功率的增加速度开始减慢，这就是增益压缩现象。图2中的实线曲线表示放大器的实际响应曲线，它逐渐偏离理想情况下的直线（虚线）。
增益压缩的原因主要是由于非线性特性引起的。当输入功率较高时，放大器进入了非线性工作区域，这导致输出信号出现失真，波形变形。在这种情况下，输出功率的增加速度放缓，增益相对于输入功率的增加而减小。
通过测试1dB增益压缩点，我们可以确定放大器在达到一定输入功率水平时失去了线性增益。1dB增益压缩点是指当输出功率相对于输入功率下降1dB时的输入功率水平。这个测试可以帮助我们评估放大器的非线性特性并确定其工作范围。
总之，非线性特性是影响放大器性能的重要因素之一。虽然它可能导致增益压缩，但在某些应用中也可以利用非线性特性来实现特定的功能。了解非线性的产生原因，并进行相应的测试和评估，有助于设计更稳定、可靠的电子系统。
在进行1dB增益压缩点测试时，可以采用以下方法：
设置信号源的输出功率：首先需要确定信号源的输出功率设置，以使得增益下降1dB。这可以通过逐步调整信号源的输出功率并观察放大器的输出来实现。
记录设置功率和测得功率：一旦确定了导致1dB增益压缩的设置功率，记录该功率值。然后使用频谱仪或功率计等设备测量放大器输出的功率。
扣除线缆和附件损耗：考虑到线缆和其他附件可能引入的损耗，需要扣除它们对测试结果的影响。测得的功率减去已知的线缆和附件损耗值，即可得到准确的输出功率。
确定输入、输出功率和增益：通过测量信号源的输出功率、减去线缆和附件损耗后的放大器输出功率，可以确定1dB增益压缩点的输出功率（P1dB,out）。同时，还需要测量输入功率（P1dB,in）作为参考，该功率应与设置的输出功率相匹配。增益可以通过P1dB,out减去P1dB,in来计算得出。
为了提高测试精度，还可以考虑以下措施：
使用功率计进行校准：可以使用功率计对信号源在一定功率范围内进行校准，以进一步改善输出功率的线性度。这样可以减少由于信号源的非线性导致的测试误差。
总体而言，测试1dB增益压缩点需要注意设置信号源功率、记录设置功率和测得功率、扣除线缆和附件损耗，并计算输入、输出功率和增益。通过校准功率源和采取其他措施可以提高测试精度。
在进行P1dB测试时，需要注意以下几个事项：
放大器上电顺序：特别是功率放大器，在给其供电时，要确保正确的顺序。对于采用耗尽型晶体管设计（如GaAs、GaN放大器）的情况，栅源电压为0V时即为打开状态。因此，为了保护放大器，必须先加负栅压，再加漏极电压。
选择合适的衰减器：在测试功率放大器时，必须根据其最大输出功率选择适当的衰减器，以避免过高的功率损坏频谱仪的射频前端。频谱仪内部衰减器通常只能耐受1W的功率，因此通过外部衰减器后的功率应该远小于该值。
引入适当的衰减器：为了提高测试精度，可以在放大器的输入和输出处引入适当的衰减器，从而改善输入和输出的匹配。然而，对于功率放大器的测试，由于驱动功率的要求，PA之前的衰减度不应过大，以确保信号源经过衰减器后的功率仍能正常驱动PA工作。
避免频谱仪的非线性区域：需要注意避免频谱仪进入非线性区域。可以参考频谱仪的规格书中的P1dB值，确保测试时馈入频谱仪的功率至少比该值小6dB以上，这样可以忽略频谱仪本身非线性带来的影响。
判断频谱仪的非线性：一种简单的方法是在找到1dB压缩点后，手动增大频谱仪的衰减度。如果测得的信号功率基本不变，则说明频谱仪没有明显的非线性。但如果增加衰减度后测得的功率反而增大，那么说明频谱仪的射频前端已经压缩了，需要继续增大衰减度直到测得功率稳定，然后再增加信号源的输出功率，寻找放大器真正的1dB压缩点。
最后，关于标定1dB增益压缩点时出现增益先增大后降低的情况，应该以哪个增益（或功率）作为参考的问题没有一个固定的答案。这可能因设计、器件或应用的特定要求而有所不同，需要根据具体情况进行判断和确定。
