原创 微波器件测量手册内容简介（一）

由安捷伦首席科学家之一的Dunsmore博士撰写的微波器件测量手册(<Handbook of Microwave Component Measurements>)已经可以在Amazon订购,而100多美元的价格让人咂舌,好消息是中文版的翻译工作正在进行当中,估计很快可以与读者见面.这本书是Dunsmore博士30多年工作经验的总结,他以矢量网络分析仪为工具,囊括了几乎所有微波器件的测量领域.其中的原理与方法同样适合其他微波测量仪器的使用.Dunsmore博士是安捷伦高性能网络仪的主要设计者，他还是加州大学伯克利分校的客座教授，同时又经常在全球最重要客户现场解决疑难问题（他在美联航的飞行里程已经超过160万公里，是“百万英里先生”），这些经历注定了他的书来源于实践而又有严谨的数学推理。博主做为原版审稿人之一和中文版的译者之一，也是Dunsmore博士的朋友.将陆续对书中的重要内容做些介绍，以供参考。这些介绍不是中文脚本的简单拷贝，而是内容的概括并不含数学公式。

按博主自己的选择，将首先从放大器测量开始，放大器测量已经是原书第六章的内容，前几章主要是介绍微波测量基础、网络仪结构和测量及校准原理、无源器件的测量，这些内容均为基础性的，将根据需要在后续文中穿插讲述。

对任何通信系统、雷达或卫星转发器系统来说，放大器是构成系统的核心。在其它所有的射频和微波系统中几乎也都要用到放大器。在设计射频和微波系统的过程中，一些经验不是很丰富的工程师们在想到放大器的特性时，往往容易只把它们当成是一个从单方向对信号进行放大、给系统提供增益的模快。然而实际情况是射频和微波放大器有许多复杂和难以琢磨的特性，这是对上述放大器的简单认识的一个挑战。放大器可以被粗略地分成两类：低噪声放大器和大功率放大器。前者是用在接收机系统中的，而后者则是用在发射机系统中。虽然各种不同应用的放大器可能会表现出一些共有的特性，需要测量的参数也一样，但是当非常具体地考虑到每种放大器及其应用的时候，我们就会发现这里面测试的性质和在设计测试系统时对各种因素的相对重要性的考虑是有很大变化的，比如，人们对用在核磁共振成像系统（NMR）中驱动探测部件的大功率放大器和用在空间射电望远镜中低温致冷的低噪声放大器就有非常不同的要求。再以手机为例，前端LNA（低噪声放大器）和智能天线决定了手机识别网络信号的能力，即我们在手机屏幕左上方看到的信号强度格，我们不能指望发射塔发射超大功率的信号，即不经济也不环保，只有不断降低LNA的噪声系数才能获得良好性能；而射频路径上的PA（功率放大器）则直接决定了手机的待机时间，同样的手机电池，如果PA的功率资用效率（PAE）可以提高，则待机时间会延长。

让我们从任何一款放大器的datasheet开始。随便找一个元器件厂商的网站，下载一款放大器的datasheet。我们会看到许多叫法各异的参数指标，诸如Gain，Return Loss，VSWR，Noise Figure，IIP3，P1dB等等。这些参数不外乎两大类，第一是直流参数，第二是交流参数或射频参数。直流参数是指输入电压、电流或可变增益放大器的控制电压；交流参数是指在直流工作点确定后的，S参数，增益压缩，交调失真，噪声系数，D类E类放大器还有脉冲调制下的参数。功放还有根据直流功率和交流功率算出的PAE。所有这些参数，书中都做了详尽的表述并提供测量方法。书中还对最近刚出现的非线性网络仪及其X参数做了描述。

让我们先从最基本的S参数开始。放大器的很多最基本的特性都被认为是线性的，因此在描述大部分放大器的基本特性时会使用放大器的 S 参数矩阵。有一点要注意，凡提到S参数，一定是线性的，所谓非线性S参数是一种错误叫法，虽然我们在测量增益压缩的时候也是通过S21来测量，但此时的S21只是个形式，它代表的是非线性状态下的增益。对于工作在线性模式的放大器来说，对其入射信号和发射信号的定义是和无源器件的情况完全一样的，就像如下公式：

b1 = S11 a1 + S12 a2

b2 = S21 a1 + S22 a2

测量放大器的最主要的工作是测量其小信号增益，然后还会测量诸如输入匹配、输出匹配和隔离度等其它特性。这些测量工作基本上与传统上测量无源线性器件的方法一样，即每次都在 放大器 的一个端口上施加激励，然后测量所产生的各个反射的传输的信号，最后计算出误差经过校准的 S 参数测量结果。但是需要注意的是这种测量方法是依赖于 放大器是一个线性器件，因此一定要保证放大器工作在线性状态下。笔者曾经碰到一些用户做放大器测试，在对功放指标毫不知情的情况下就准备加电测量，这是非常危险的，首先网络仪最大输入功率为+30dBm，而网络仪的默认输出功率是-5dBm，如果该放大器的增益超过40dB，加电后马上就会烧毁网络仪。所以预测试很重要，所谓预测试，就是在知道放大器安全范围的前提下，从一个非常小的输入功率开始测量，不断增大输入功率，直到放大器出现1dB的增益压缩，然后选取合适的输入功率以保证线性工作状态。根据大量的实践证明，对于绝大多数小信号放大器，在知道了1dB压缩时的输入功率后，选择比此功率小20dB的输入功率是一个不错的选择。在书中有更详细的预测试步骤。

在测得S参数后，我们还需要明确一些概念。S11不能和回波损耗（Input Return Loss）以及驻波比（SWR）划等号，S21也不能和增益（Gain）划等号。S参数是在一定直流工作点的线性状态下，根据测试系统的特性阻抗测得的一组线性参数，它是固定的。而回波损耗和增益是由输入输出负载及S参数一同决定的。比如测试系统阻抗为50ohm，测得S21为20dB，在实际应用中不可能有20dB增益，因为输入和输出负载不可能为完美的50ohm匹配负载，所以任何增益一定要在知道输入输出负载前提下得到。