功率附加效率 （PAE） 是衡量功率放大器功率轉(zhuǎn)換效率的指標，它以效率百分比的形式呈現(xiàn)。理想情況下，所有提供給放大器的功率都轉(zhuǎn)換為輸出功率。然而，實際情況并非如此，因為一定數(shù)量的直流功率會以發(fā)熱的形式損失掉。所以，PAE 是功率放大器的重要性能參數(shù)，射頻功率放大器的 PAE 規(guī)格會因放大器的設(shè)計和類別不同而異。PAE通常定義為：

圖1. PAE示意圖

公式說明有多少直流功率在功率放大器中轉(zhuǎn)換為射頻功率。

放大器線性工作區(qū)和飽和工作區(qū)之間，有一個點是功率放大器效率最高的地方。到達這個點的時候，增加射頻輸入功率會改善射頻輸出功率。超過這個點的時候，增加輸入功率只會為設(shè)備產(chǎn)生更多熱量。PAE測量的目標是找到這個最佳點，即功率放大器在將輸入功率轉(zhuǎn)換為輸出功率時最有效的點。

那接下來，結(jié)合實際，工程師如何在實際設(shè)計和測試環(huán)節(jié)中準確的找到這個點呢？從公式中可以看出，PAE是和射頻輸出功率，輸入功率以及直流電源提供的功率相關(guān)的，所以我們需要同時對這些參數(shù)進行測量來判斷這個點的位置。所以用最流行的話來說，放大器的測量是跨界的，直流，射頻還有時域需要同時進行。

Keysight在各個測試領(lǐng)域都有自己的王牌武器。

在頻域測試方面，PNA-X矢量網(wǎng)絡分析儀可以進行射頻輸入、輸出功率及增益的測量。

在直流測試方面，有高精度的直流電源分析儀（SMU）N67XX系列和B29XX系列。直流電源分析儀既可以給被測件提高穩(wěn)定的直流電壓，還能同時測量被測件直流輸入端的電壓、電流，進而計算出耗散的直流功率。

Keysight對矢量網(wǎng)絡分析儀和SMU這兩種儀器在軟件方面進行了深度的集成。通過USB，LAN，GPIB等互聯(lián)方式，SMU可以和VNA同步工作，工程師可以在一個界面上同時控制兩種儀器，還可以一目了然的看到表征直流和射頻關(guān)系的曲線。

在時域，基于VNA先進的校準技術(shù)，不影響射頻和直流測量，可以將一路輸出信號接入示波器，工程師可以直接觀測放大器的輸出信號在時域的畸變。

功率掃描下的直流電壓和電流曲線，籍此可以計算出直流功率。

在射頻放大器實際的設(shè)計中，我們會面對三方面的挑戰(zhàn)：

1、靜態(tài)工作點的選擇。

2、動態(tài)工作點的選擇，尋找最佳負載阻抗以獲得最大PAE。

3、如何導出測量結(jié)果用于EDA仿真。

對于以上挑戰(zhàn)，我們將以一個基本的單管功放做實例，進行實際的測量。放大器的組成可以簡化為輸入匹配、輸出負載電路加直流偏置電路。如下圖所示。

圖2. 放大器原理圖

第一步，我們需要找到合適的直流偏置，也就是靜態(tài)工作點。借助于VNA和直流表的的高度集成，我們可以直接在VNA的測量界面看到放大器的靜態(tài)曲線簇。

我們在X軸掃描集電極電壓，Y軸是射頻輸出信號。每一條曲線對應著不同的輸入信號幅度。根據(jù)上圖，我們可以選擇一個合適的直流偏置點。

第二步，動態(tài)負載測量。

上圖中的線段AB是放大器的負載線，所謂動態(tài)，是指其斜率發(fā)生變化時，放大器的輸出變化。一張靜態(tài)圖要表征動態(tài)特性，沒有足夠的想象力確實難以理解。我們借助ADS仿真軟件，可以直觀的看到放大器的動態(tài)特性：

圖5. 仿真的放大器動態(tài)曲線及輸出電壓、電流

在上圖的仿真中，左圖的紅色曲線是理想化的靜態(tài)特性曲線，M1，M2構(gòu)成的藍色曲線線對應了負載線。M1，M2可以用鼠標拖動，輸出的電壓和電流會實時發(fā)生變化（此仿真文件及其說明可以從Keysight官網(wǎng)下載）。放大器的動態(tài)特性可以在ADS中動態(tài)展示。仿真的曲線固然漂亮，實際測量卻有很大難度。如果不使用專用的負載牽引設(shè)備，如何在實際測量中實現(xiàn)變化的負載呢？

ZL是負載，入射信號a1遇到負載ZL，會產(chǎn)生反射信號b1，如果我們能夠控制b1信號的大小，就等于是一個變化的負載，這種操作可以稱為有源負載牽引。著名的Doherty放大器，就是使用了有源負載牽引的思想。

我們知道，PNA-X矢量網(wǎng)絡分析儀內(nèi)部有雙源，一個源可以做輸入，而另外一個源可以用來進行有源負載牽引。

下面這幅圖就是一條PAE隨著負載變化而得到的曲線，此曲線是VNA上直接測得的PAE曲線：

從上圖已經(jīng)可以看到負載變化已經(jīng)使得放大器進入了非線性區(qū)。此時的測量都是在頻域上進行的，是否能夠更加直觀點，就像教科書上的這幅圖，這幅圖描述的是負載變化時，時域輸出信號發(fā)生的畸變：

通過一個外接的定向耦合器，我們可以耦合一路信號到示波器進行時域觀察。在如下配置中，可以直接在定向耦合器的輸入端口做校準，外接示波器不會對測量結(jié)果造成影響。

可以看到，隨著負載的變化，輸出波形由一個理想正弦信號發(fā)生畸變，

當輸出波形不再是一個理想正弦波時，其波形可以表示為多個頻率正弦信號的疊加，

而放大器的非線性也由此而生。

第三步，導出測量結(jié)果。我們的最終目的是幫助工程師提高設(shè)計效率。通過S93110B有源熱參數(shù)選件，我們可以直接預測最佳功率輸出和匹配負載。并可以將測量結(jié)果以X參數(shù)的形式導出，用于ADS仿真。采用負載牽引硬件設(shè)備的測量結(jié)果是業(yè)界認可的測量標準，我們可以用仿真結(jié)果與其比較，以此來驗證本文有源負載牽引的準確性。

通過仿真和測量，我們加深了對放大器的理解。放大器非線性并不是什么復雜的現(xiàn)象，歸根到底是器件的一個物理特性。

責任編輯：lq6