在通讯系统中，放大器扮演着通讯链结成功与否的关键角色。发射端系统的功率放大器必须提供足够的信号能量，以便抵销传送路径所造成的能量损耗，将信号传至远端的接收机；而接收端系统的低杂讯放大器则必须将接收到的微弱信号功率增加并降低接收系统杂讯，以提高接收机灵敏度，成功的将信号解调。

放大器是一个电子元件，将输入信号的功率放大而保存其原有之基本特性，放大器主要的目的是提供电子电路电压增益、电流增益或功率增益。一般放大器除了放大增益的规格需求，在各种应用上，也有许多需特别考量的规格，如消费性产品中的放大器需考虑其耗电量以增加电池使用时间；卫星通讯系统地面接收站的低杂讯放大器必须考虑其杂讯指数，以降低接收系统的杂讯指数，进而缩小接收站天线的尺寸，节省卫星的重量、耗电及制造成本。

在许多测试系统中，高频/微波放大器也是常被使用的，一般而言，宽频仪器通常需要外加一个放大器以提供增益及功率，来克服系统内高频信号损失，以驱动高功率元件或改善量测系统的特性。自动测试系统中会有一些高频切换器、信号路由器、转频器及信号传输线，这些都会造成测试信号的功率损耗。许多元件都需要以高功率信号来驱动如混波器、高功率放大器。这些元件都对信号位准相当敏感，外加放大器于测试系统中，可改善或增加动态范围。 Preamp是最常见被加在频谱分析仪上用来增加频谱分析仪的灵敏度以侦测小信号。

放大器的分类

放大器依工作频段分为低频、音频、中频及高频。实际应用上亦分类为音频放大器、射频放大器及微波放大器等等。本文著重在射频放大器及微波放大器。

当频率低于100kHz，通常量测电压及电流而不直接量测功率，利用电压及电流再计算出功率；在射频频段，就会直接量测功率；当频率高过1GHz，功率量测便显的更加重要，因为此时的电压及电流量测是无用的，例如在方形导波管中便十分困难去量测电压及电流。

在微波放大器的输入端输入一信号功率为Pi，在其输出端便可得一较大功率Po的输出信号，输出功率比上输入功率即为功率增益，这是一个放大器的主要特性，微波放大器尚有其他重要的特性会影响其工作，稍后将有说明。

有几种常见的主动元件会被使用在微波放大器中，包括BiPolar Transistor（BPT）、Bipolar Silicon Transistor、GaAs MEtal-Semiconductor Field-Effect Transistor（GaAs MESFET）、High Electron Mobility FET's（HEMT）、Psuedo-HEMT's （PHEMTS）、Silcon FETs等等。在这些元件中最常见的是GaAs MESFET，技术成熟且便宜，在4GHz 至100GHz频段扮演主要的角色。 HEMT和PHEMTS在较高频率能提供较好的特性，且提供低于1dB的最低杂讯指数，但相对的也​​需较高技术来制造且昂贵。Silicon FETs 通常应用在高功率输出用途。 Bipolar Silicon Transistor的技术是BPT的延伸，工作频段为低频至10GHz，一般应用约至4GHz。

Monolithic Microwave Integrated Circuit（MMIC）实质上是高频IC的化身，最常见的MMIC是以GaAs为基层材质，然而现在以矽为基层的产品在较高频段其制程技术较为先进，所以在低于4GHz频率的无线通讯市场仍占有优势。 Silicon Bipolar MMIC频率低于4GHz，功能性多、价格低；GaAs FET MMIC频率高于1GHz，涵盖较高频、价格高；GaAs HBT频率高于1GH，功能性多、价格中等。

双端口高频放大器操作参数及特性

微波放大器的特性有：操作频率（Frequency）、频宽（Bandwidth）、增益（Gain）、增益平坦度（Gain flatness）、增益压缩（Gain compression, P1dB）、AM-PM转换（AM to PM conversion）、反向隔离度（reverse isolation）、相位线性度（Phase linearity或Deviation from Linear Phase）、群延迟（Group delay）、反射损失（Return loss）、输入与输出阻抗（Complex Impedance）、混波（Spurious）、杂讯（Noise）、谐波失真（Harmonic distortion）、双音/多音交互调变（Two-tone or Multi-tone intermodulation；TOI或IP3 ）、杂讯指数（Noise figure）、等效杂讯温度（Equivalent Noise Temperature）、最大功率（Peak Power）与平均功率（Average Power）。

参数定义

操作频率、频宽

微波放大器操作频率与频宽和一般微波元件并无不同，受限于某些规格的特性下降，可能是输出功率、增益或是效率。频宽指的是上波带频率减下波带频率，频宽百分比是上下波带频率差除以中心频率。

增益（dB）

放大器增益被定义为：放大器（传送予一特性阻抗为Z0之负载的）输出信号功率比上（由一特性阻抗为Z0之信号源）输入功率。对小信号而言，放大器的输出功率会正比于输入功率，小信号增益指放大器工作于线性区。当输入信号功率增加而放大器接近饱和时，输出功率会达到一极限，增益便下降，此使放大器工作于非线性区，大信号增益指放大器工作于非线性区。

增益平坦度（dB）

放大器增益平坦度为增益在操作频率范围内的峰对峰值。

增益压缩(dBi)

增益压缩以放大器的1dB增益压缩点（P1dB）来决定，当放大器工作在接近非线性区，增益随输入功率增加而减少，当增益比小信号增益少1dB时，此时的输出功率为P1dB。这是一种衡量放大器功率输出能力的一种常见量测。

AM-PM转换（o/dB）

AM-PM转换是量测放大器内因信号振幅变化而造成的信号相位偏移，可能的原因是电源供应器电压抖动（ripple）或温度偏移，以及信号震幅本身的调变，如QAM。 AM-PM转换的定义是放大器在P1dB点，输入功率增加1dB，其输出相位的变化量，单位为o/dB。

反向隔离度（dB）

在放大器输出端输入信号,在输出端量测其穿透量,类似增益的量测,但是在放大器输出端给予测试信号。

相位线性度（degree）

线性相位偏移的变化量。理想上，信号经由一放大器的相位偏移与频率为一线性方程式。

群延迟（psec或nsec）

不同频率的信号通过一放大器所需的传输时间，群延迟与频率相关，完美的放大器其相位偏移相对频率会是一固定的变化率，就会产生固定的群延迟。

反射损失（dB）

一放大器的输入或输出端相对于系统阻抗的反射匹配量测，该参数可直接推算出驻波比及反射系数。

输入与输出阻抗(Rohm, X:S, C:F or L:H)

一个放大器反射的能量直接与其阻抗相关，复数阻抗包含一个电阻成分及电抗成分，可直接由系统特性阻抗与反射系数直接推算。

混波（dBc）与杂讯（dBm/Hz）

微波放大器输出信号的频率除了输入信号的频率以外，还包括有混波、谐波及白杂讯（White noise），如(图四)所示。无论放大器有无输入信号，白杂讯都会存在。一般而言，基频载波信号会大于白杂讯。对于低杂讯接收机而言，白杂讯是非常重要的考量。

混波是因信号在放大器内震荡所造成，与基频载波频率无关。

谐波失真（dBc）

因为天生的非线性度，放大器会产生多余的响应信号，其频率为测试载波频率的整数倍，称为谐波。三阶谐波频率即为载波频率的三倍。谐波位准定义为测试基频载波与输出谐波绝对功率的差，单位为dBc（dB相对于载波carrier），依不同的放大器类型，谐波应比基频载波低几个dB至30dB。

双音/多音交互调变（dB）

当两个或多个正弦波频率进入一个放大器，其输出会包含许多增加的频率成分，称为交互调变乘积项。输入频率为f1及f2的信号予一放大器，输出信号会包含下列的频率：nf1+mf2，其中n,m＝0, ±1, ±2, ±3, ±4,...，交互调变失真乘积项的阶数定义为i=|n|+|m|，三阶乘积项（i=3）是主要的考虑，因为该信号邻近载波频率。

杂讯指数（dB）、等效温度（oK）

杂讯指数定义为放大器输出端的信噪比与输出端的信噪比的比值。

因此放大器的杂讯指数即是指信号通过后，信噪比的减少或退化程度。理想的放大器会将输入端的杂讯连同信号一起放大，使输出端维持和输入端同样的信噪比（SNR）。然而，放大器还会加上一些来自于本身的杂讯，而降低了信噪比。低杂讯意味着放大器所加诸的杂讯非常小。

卫星系统接收器上的低杂讯放大器通常以温度来表达杂讯指数，该温度称为等效温度Te。

效率（%）

效率是放大器的微波功率输出比上放大器的总输入功率。输入功率包含输入放大器的微波信号以及会被转成微波功率的电源供应器功率。

量测架构

量测设备

依据所需的测试设备，将放大器操作参数的特性测试分成三大部分，如下：

向量网路分析仪量测设定

在实际执行量测前，相当重要的是必须先知道待测放大器（AUT）的输出及输出功率强度及必须执行的校正方式。

输入功率

选择适当的输入功率位准是最重要的考量，如果小信号增益及1-dB压缩点已经大略知道，便可粗略估出输入功率位准。若要使放大器工作在线性区，输入功率必须适当设定使输出功率比1-dB压缩点低3至10dB。

如果向量网路分析仪无法设定太低的测试功率，则需外加衰减器于放大器输入端口前，缺点是无法测得输入阻抗匹配。若向量网路分析仪无法设定足够的测试功率，则需在放大器输入端口加​​上一放大器，必然也需在输出端口前加上一衰减器，以保护向量网路分析仪的接收机，而如此仅可测试S21及S22参数，这类放大器我们归类为高功率放大器。

输出功率

预估放大器的输出功率也是最重要的考量，以避免造成向量网路分析仪测试端口过载或损坏。在 高功率输出放大器输出端口加上一衰减器，使输出信号低于向量网路分析仪接收机的0.1dB压缩点，以确保测试的准确度。高增益的放大器的输出功率如过大，将造成仪器过载（IF overload），则应降低输入信号或 在放大器输出端口加上一衰减器。

量测校正

执行校正可量测向量网路分析仪系统误差并将之移除，系统误差包括频率响应追踪、指向性、不匹配及串音等。执行完整双端口校正（full two-port calibration）可提供最好的精确度，但某些状况使用其他的校正模式会较为实际，例如仅测试穿透系数的各项参数时，执行穿透校正，或仅测试反射系数的各项参数时，执行单端口校正。校正时，量测所加入的衰减器必须被校正掉，才能将其效应在实际测试时移除。

再次提醒读者，注意估算放大器的功率输出是否会造成向量网路分析仪过载或损坏。使用向量网路分析仪测试P1dB有两种模式：一为频率扫瞄模式，一为功率扫瞄模式。扫频模式的优点是可以较快测得各频率点的P1dB，但缺点是较不精确，而功率扫瞄模式的优点是可以较精确测得单一频率点的P1dB，但缺点是需要重复做多次才能得到各频率的点的P1dB。

频谱分析仪量测

在实际执行量测前，为了保护频谱分析仪，先估算待测放大器的输出及输出功率强度，是一个必须注意的重点。

在测试双音/多音交互调变失真时，如果所使用的信号产生器仅可输出单频信号，则需两部（或以上）的信号产生器，如果所使用的信号产生器可输出多载波信号，则仅需一部信号产生器。因信号产生器本身亦会产生谐波，故必须先确定该信号产生器的谐波失真规格是否适合作为本测试的信号源。若用单一信号产生器输入双音/多音信号给予待测放大器时，必须注意测试信号本身的交互调变失真是否会影响待测放大器的交互调变失真，否则测得的结果是信号产生器的测试信号失真，而非待测放大器的交互调变失真。目前可使用编辑软体编辑多载波信号，并同时调整交互调变失真的输出大小，如此便可确定测试信号的纯度以及提高测试结果的准确度。

杂讯指数分析仪量测设定

测试杂讯指数可使用杂讯指数分析仪或内建杂讯指数量测功能的频谱分析仪，测试时以杂讯源（Noise Source）为输入信号配件，杂讯源的剩余杂讯比（ENR ）值选择：如待测放大器的杂讯指数大于20dB，则应选用15dB ENR的杂讯源，若为低杂讯放大器，建议选用6dB ENR的杂讯源。

平衡式放大器测试

目前高频放大器测试厂面临的一个挑战是如何测试平衡式放大器的特性，因为比起以往增加了高频差动式电路。一个平衡式放大器被精密的设计工作在被要求的模式，一般会是差动模式。因此BALUN便会被使用来将单端（single-ended）信号转换成差动信号以测试平衡式放大器的差动增益（differential gain）特性。这样的作法必须确定共模信号（common mode）在输出端是微小的，而且此法也无法得知共模的特性。

因此，必须使用具有测试平衡式元件特性的四端口网路分析仪，搭配精确的完整误差校正功能，将测得的单端S参数转换成混和模式S参数，才能得到差模、共模及模式转换的特性。

另外，如果网路分析仪提供自订公式功能或内建VBA程式，则可利用来运算一些特别的参数，并使用仪器直接显示，例如，K-factor（放大器的稳定参数）可由差模的四个S参数SDD11、SDD12、SDD21、SDD22运算而得；另外可使用内建VBA功能，可控制仪器测试程序，进而显示放大器在各频率下的1-dB压缩点。

使用一差动式放大器（differential amplifier）量测实例来说明。该待测物为一晶片放大器被焊在一PCB板中。板上使用共平面导波管传输线（CPW）连接该晶片放大器，另一端焊以SMA接头，该版中也包含一与CPW线等长的测试线，将以此来决定CPW线的电子长度（ electrical length）。我们会分别以四端口元件及双端口元件来测试该放大器。

使用的测试系统为多端口平衡式元件测试系统（BMS），先行设定频率范围（start=2MHz、stop=2GHz and step=2MHz）及功率，执行四端口向量误差校正，完成校正后，该系统便可准备进行差动式放大器的量测。

分别将差动式放大器的四个SMA接头接至网路分析仪，将该设备的15-pin接头接上测试版以提供放大器偏压，执行量测，仪器会做8次扫描得到16个S参数。

这16个单端S参数所测试的参考平面在CPW版的4个SMA接头，并非在晶片放大器的接角端，也就是说目前的待测物包含了晶片放大器、CPW传输线及SMA接头，因此必须将CPW传输线及SMA接头的效应移除，所使用的方法为Port Extension，利用测试版中上方的等长测试线测得CPW传输线的电子长度为11.6公分，将该值输入仪器，对4个端口均执行相同的port extension，则所得新的16个单端S参数已将CPW传输线及SMA接头的相位效应移除，所得结果如(图九) ，可以清楚的看见对角线的4个反射系数均有明显的改变。此法并无法移除CPW传输线的衰减及不匹配效应，仅能假设这些效应是完美可被忽略的，若要完全移除CPW传输线及接头的效应，则必须做去埋入（de-embedded）或是执行TRL校正。

以上已测得16个单端S参数，但待测物的设计是被差模信号激发与差模响应，所以必须得到混和模式的16个S参数。接下来便执行模态转换功能，所得混和模式，每个四分之一模态代表不同的模式反应。 （详细分析请参考本刊今年四月号专栏说明）

注意观察SDD11的结果，也就是输入端的差模反射特性，图中可看出游标标示出SMITH图圆心的差模阻抗为100欧姆，这是因为原设定系统各电击点阻抗均为50欧姆，所以系统差模的阻抗便被设为100欧姆（串联：50＋50）；同样的，SCC11共模的阻抗就被设为25欧姆（并联：50×50/（50+50））

而所测试的差动式放大器其输入与输出端口均被设计为差模200欧姆，因此必须将系统各电击点的参考阻抗改为100欧姆，这样差模Smith图中的参考阻抗便会自动被设为200欧姆。

接着分析差模增益SDD21，其代表差模信号输入该放大器，在其输出端的差模信号放大增益，图中游标直显示该差动增益超过20dB。

图十三所得的混模S参数已完整表达差动式放大器的线性特性，再利用这些混模S参数来计算一些其它的常被使用的差动式放大器参数，并绘出各参数与频率关系的图形，这些参数包括Differential Port Impedances、Common-Mode Rejection Ratio、Differential VSWR及K-factor（Differential Stability Factor），如：

Impedance＝（Z1＋Z3）×（1＋Sdd11）/（1－Sdd11）

VSWR（port 1）＝（1＋|（Sdd11）|）/（1－|（Sdd11）|）

CMRR＝Sdd21/Scc21

K－factor＝（1－|SDD11|2－|SDD22|2＋|D|2）/（（2×|SDD12|）×|SDD21|）

若欲计算输入与输出的同步共轭匹配（simultaneous conjugate input and output matching impedances），则需使用公式。

利用测试设备内建的自订公式功能，将上列公式输入，便可计算出各个参数与频率的关系并绘出图形。

结论

本文介绍了一般高频功率放大器的各个操作参数的特性意义与测试方法，常见的消费性产品所使用的放大器，如行动电话、无线网路设备、无线麦克风、天车无线遥控器等等，都适用本文所介绍的方法。

一般无线通讯的基地台、点对点微波通讯、卫星通讯的地面接收站、遥测追踪指令地面站（TT＆C）、广播电台及国防工业所使用的微波放大器都属于高功率放大器，测试时需特别考量测试设备架构。 （作者任职于台湾安捷伦科技）