使用矢网测量PA S11、S21和饱和功率的方法

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？
例如：S21=15dB，P3dB≈Psat≈[email protected]
 
1、测量大功率PA背景

上期讲到在测试大功率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。
 
矢网在2.6GHz附近大概能有45dB的动态范围（-30~15dBm，不加源衰减的情况下），虽然能在1端口或者3端口提供指定的输出功率（基于源功率校准），但仅能在矢网能够输出的功率范围内进行测量。而在表征大功率器件的非线性特性时，往往需要对DUT施加更大功率的信号，此时应该怎样搭建测试平台？
 
2、以往的测试方法

图2.1 DA直接驱动PA的简单测试方法

当网络分析仪激励源所提供的输入功率低于DUT输入需要的Pin时，有必要在PA之前通过前置DA（Drive Amplifier）来提高激励功率。外部放大器的另一个优势是可以将其放置在更接近DUT的位置，从而减少电缆损耗以便对DUT施加更高的激励功率，如图2.1。
 
通过功率计进行源功率校准，可最大限度地减少或去除DA的频率响应造成的测量误差。在激励源功率校准完成后，可对矢网的输出功率进行自动调整，以便为DUT的输入端提供所需的功率。激励源功率校准将功率传感器的精度传递到网络分析仪，校准完后一般可使DUT的输入功率的偏差低于0.5dB。
 
但图2.1的测试方法有很多缺点：

2.1 DA长期工作会出现温度漂移现象，DA工作一段时间后由于温度上升，会出现增益和功率下降，导致整个系统校准发生温漂不准。
 
2.2 DA的高反向隔离度会降低PA输入端反射的功率，因此以这种方法测到的S11实际上是DA的S11，并且由于加入了DA，矢网激励源给信号的功率一般会给得较小，因此回到A接收机的功率也比较小，导致S11迹线噪声非常大，如图2.2。

图2.2 原始方法测到的S11和S12带有很大的迹线噪声

2.3 在推动过程中，DA和PA都会发生非线性，因此需要严格计算DA的线性输出功率是否能够推饱PA，若DA线性区选择不好，会导致测量结果同时包含了DA和PA的非线性特性，结果不可行。
 
3、将矢网1端口内部的耦合器拿出来（参考上一期）

图3.1 输入端定向耦合器外接，并接适当的衰减器

图3.1将1端口R和A接收机上的耦合器用外部一正一反定向耦合器（或者1个双定向耦合器）替代
 
这篇文章只讲输入端，输出端请参考上一篇文章！
 
在DA和PA之间加入一正一反定向耦合器，再加适当的衰减器（保证在最大功率是进到A、R1接收机的功率大概在-20dBm左右，此时接收机比较线性）保护接收机。为防止DA发生自激，还可在DA后串联一个小衰减器（负载效应）。
 
此测试方法中S11=A/R1，A和R1功率均是在DA后面测到，因此DA的温漂、AMAM特性、非线性不会影响S11的结果；
 
S21=B/R1矢网可以很准确的计算得到，功率也可以通过增益压缩选件直接在2端口接收机测得。

图3.2 优化配置后测到的S11和S21迹线噪声均可接受

4、注意

4.1 由于加入了DA，因此在校准功率和S参数时，请一定在功率计前端加入衰减器保护功率计，在S参数校准时用小功率校准；
4.2 由于加入了DA，请在链路预算时事先计算好各个端口源衰减、接收机内外接衰减器大小；
4.3 校准完立即降低并关闭源1功率是一个比较好的保护仪器和DUT的操作习惯；
4.4 校准完后的系统验证至关重要；
4.5 大功率测试过程中需要时刻注意DA和PA的工作状态，比较容易烧器件和设备，尤其是自激。