射频器件-PA基础知识

三、PA非线性的表现形式

功率放大器非线性失真特性主要有两种:

1.一种为非线性的增益特性,即输出信号与输入信号的功率之间不是线性关系,对应于单频信号的输入,将会产生谐波失真;而对于双频信号的输入,除谐波外,还会产生交调分量,引起交调失真。

2.另一种为非线性的相移特性,即输入输出的相位差随功率不同而改变,结果会产生调幅/ 调相( A M / P M ) 效应。

四、PA非线性产生的原因

功率放大器不是纯线性器件,分析非线性电路常用的方法有:幂级数法和Volterra级数法,现在用幂级数法来说明非线性元件在不同激励所产生的结果。

交调项对信号的影响很普遍同时也很严重，不能用调谐失真来描述，故用另一个指标-交调点来表征系统的线性特性。

五、PA的主要参数

增益(Gain):在工作范围内,功率放大器输出信号与输入信号功率的(对数)差值.

注意我们规格书里面关于增益的描述为small singal gain(小信号增益)，这里为什么是小信号呢？因为绝对按照功率放大器来放大输入功率的放大器是理想器件，实际是不存在的。一个真实的放大器具有不同的饱和区，从而导致在一个区段内增益不同。另外不同的输出功率，增益也会有所不同。

一般来说，PA的增益越大，PA最终的输出功率就越大，所以我们实际选择器件时可以结合增益与输出功率来做恰当的选择。

5.2、效率（Efficiency）

功率放大器是将电源的直流功率转化为交流信号功率输出，只有一部分直流功率被转化成为有用的信号功率并为负载所获得，另一部分被放大器本身以及电路的寄生元件所消耗，功放把直流电源提供的能量转化为射频能量的能力由功放的效率体现，所以功率放大器的的直流转交流效率对于功率放大器来说是一个重要指标，一般来说判断功率放大器效率有两种标准，一是漏极效率（η），二是功率附加效率（PAE）。

Pin代表射频输入功率，PDC 代表消耗的直流功率。

一般规格书中没有直接列出PA的效率这个参数，需要我们直接计算，可以参考上面的公式，举一个例子，就以上面规格书的数据来计算:输出功率27dbm（500mw）时，电流为600mA,工作电压为5V。

则效率η=0.5W/0.6A*5V*100%=16.7%   --这个效率是不是很低啊？

5.3、1dB功率压缩点（P1dB）

P1dB定义：增益下降到比线性增益小1dB时的输出功率值。可以表示为：P1dB-Pin=Gout-1

怎么来理解呢？--放大器有一个线性动态范围，在这个范围内，输出功率随着输入功率的增加而线性增加。但是随着输入功率的继续增大，放大器进入非线性区域，其输出功率不再随着输入功率的增加而线性增加，也就是说此时的输出功率低于小信号增益所预计的值。

一般来说，1dB压缩点越高意味着输出功率越高，典型情况喜爱，当功率超过P1dB时，增益将迅速下降并达到一个最大的或完全饱和的输出功率，其值比P1dB大3-4dB。

5.4、三阶交调点

三阶交调（双音三阶交调）是用来衡量非线性的一个重要指标。用两个相隔⊿f，且电平相等的单音信号（f1,f2）同时输入一个射频放大器，则放大器的输出频谱大致如下图所示：

从上图可以看出，三阶交调信号2f1-f2,2f2-f1很接近主频信号f1，f2,无法用滤波器滤除。容易对邻信道产生干扰。此时非线性将表现的非常明显，两个邻近的干扰产生就用三阶交调点来表征。IMD3(三阶交调失真)为：

                              Δ=Pf1-P2f2-f1(dBc)     --信号幅度

5.5 、三阶截止点（IP3）

任一射频单元电路，输入双音信号同时增加1dB，输出三阶交调产物将增加3dB，而主输出信号仅增加1dB（不考虑压缩），这样输入信号电平增加到一定值时，输出三阶交调产物与主输出信号相等，这一点称为三阶截止点，对应的输入信号电平称为输入三阶截止点，对应的输出信号电平称为输出三阶截止点。注意：三阶截止点信号电平是不可能达到的，因为在这时早已超过射频单元电路的承受能力。

IP3为为基频信号功率与三阶交调失真信号功率的虚拟延伸线的交点，其关系式为：

小结：P1dB是输出功率性能参数，压缩点越高意味着输出功率越高，输入1dB压缩点用来表征谐波的失真程度。IP3表示线性度与失真性能的参数，IP3越高表示线性度越好和更少的失真。

六、邻信道功率比（ACPR）

由于功率放大器的非线性效应，当信号通过功率放大器时会产生频谱“扩散”现象，中心频率fc,带宽为B1中的功率，与距离中心频率fc-f0,带宽为B2中的功率比值即为ACPR.

当然PA还有很多其它参数，比如2-3次谐波，这里就不再赘述。从上面的一些PA的基础知识，我们也可以看出，PA一直在追求线性，低功耗，但是随着应用场景的变化，这一趋势也发生了变化，比如WIFI7 的到来，针对WIFI7的宽频带，多频段带来的高功耗问题，在WIFI7的射频前端模组中就引入非线性FEM的应用。