功率附加效率（PAE）是如何定义的？

功率附加效率 （PAE） 是衡量功率放大器功率转换效率的指标，它以效率百分比的形式呈现。理想情况下，所有提供给放大器的功率都转换为输出功率。然而，实际情况并非如此，因为一定数量的直流功率会以发热的形式损失掉。所以，PAE 是功率放大器的重要性能参数，射频功率放大器的 PAE 规格会因放大器的设计和类别不同而异。PAE通常定义为：

图1. PAE示意图

公式说明有多少直流功率在功率放大器中转换为射频功率。

放大器线性工作区和饱和工作区之间，有一个点是功率放大器效率最高的地方。到达这个点的时候，增加射频输入功率会改善射频输出功率。超过这个点的时候，增加输入功率只会为设备产生更多热量。PAE测量的目标是找到这个最佳点，即功率放大器在将输入功率转换为输出功率时最有效的点。

那接下来，结合实际，工程师如何在实际设计和测试环节中准确的找到这个点呢？从公式中可以看出，PAE是和射频输出功率，输入功率以及直流电源提供的功率相关的，所以我们需要同时对这些参数进行测量来判断这个点的位置。所以用最流行的话来说，放大器的测量是跨界的，直流，射频还有时域需要同时进行。

Keysight在各个测试领域都有自己的王牌武器。

在频域测试方面，PNA-X矢量网络分析仪可以进行射频输入、输出功率及增益的测量。

在直流测试方面，有高精度的直流电源分析仪（SMU）N67XX系列和B29XX系列。直流电源分析仪既可以给被测件提高稳定的直流电压，还能同时测量被测件直流输入端的电压、电流，进而计算出耗散的直流功率。

Keysight对矢量网络分析仪和SMU这两种仪器在软件方面进行了深度的集成。通过USB，LAN，GPIB等互联方式，SMU可以和VNA同步工作，工程师可以在一个界面上同时控制两种仪器，还可以一目了然的看到表征直流和射频关系的曲线。

在时域，基于VNA先进的校准技术，不影响射频和直流测量，可以将一路输出信号接入示波器，工程师可以直接观测放大器的输出信号在时域的畸变。

功率扫描下的直流电压和电流曲线，籍此可以计算出直流功率。

在射频放大器实际的设计中，我们会面对三方面的挑战：

1、静态工作点的选择。

2、动态工作点的选择，寻找最佳负载阻抗以获得最大PAE。

3、如何导出测量结果用于EDA仿真。

对于以上挑战，我们将以一个基本的单管功放做实例，进行实际的测量。放大器的组成可以简化为输入匹配、输出负载电路加直流偏置电路。如下图所示。

图2. 放大器原理图

第一步，我们需要找到合适的直流偏置，也就是静态工作点。借助于VNA和直流表的的高度集成，我们可以直接在VNA的测量界面看到放大器的静态曲线簇。

我们在X轴扫描集电极电压，Y轴是射频输出信号。每一条曲线对应着不同的输入信号幅度。根据上图，我们可以选择一个合适的直流偏置点。

第二步，动态负载测量。

上图中的线段AB是放大器的负载线，所谓动态，是指其斜率发生变化时，放大器的输出变化。一张静态图要表征动态特性，没有足够的想象力确实难以理解。我们借助ADS仿真软件，可以直观的看到放大器的动态特性：

图5. 仿真的放大器动态曲线及输出电压、电流

在上图的仿真中，左图的红色曲线是理想化的静态特性曲线，M1，M2构成的蓝色曲线线对应了负载线。M1，M2可以用鼠标拖动，输出的电压和电流会实时发生变化（此仿真文件及其说明可以从Keysight官网下载）。放大器的动态特性可以在ADS中动态展示。仿真的曲线固然漂亮，实际测量却有很大难度。如果不使用专用的负载牵引设备，如何在实际测量中实现变化的负载呢？

ZL是负载，入射信号a1遇到负载ZL，会产生反射信号b1，如果我们能够控制b1信号的大小，就等于是一个变化的负载，这种操作可以称为有源负载牵引。著名的Doherty放大器，就是使用了有源负载牵引的思想。

我们知道，PNA-X矢量网络分析仪内部有双源，一个源可以做输入，而另外一个源可以用来进行有源负载牵引。

下面这幅图就是一条PAE随着负载变化而得到的曲线，此曲线是VNA上直接测得的PAE曲线：

从上图已经可以看到负载变化已经使得放大器进入了非线性区。此时的测量都是在频域上进行的，是否能够更加直观点，就像教科书上的这幅图，这幅图描述的是负载变化时，时域输出信号发生的畸变：

通过一个外接的定向耦合器，我们可以耦合一路信号到示波器进行时域观察。在如下配置中，可以直接在定向耦合器的输入端口做校准，外接示波器不会对测量结果造成影响。

可以看到，随着负载的变化，输出波形由一个理想正弦信号发生畸变，

当输出波形不再是一个理想正弦波时，其波形可以表示为多个频率正弦信号的叠加，

而放大器的非线性也由此而生。

第三步，导出测量结果。我们的最终目的是帮助工程师提高设计效率。通过S93110B有源热参数选件，我们可以直接预测最佳功率输出和匹配负载。并可以将测量结果以X参数的形式导出，用于ADS仿真。采用负载牵引硬件设备的测量结果是业界认可的测量标准，我们可以用仿真结果与其比较，以此来验证本文有源负载牵引的准确性。

通过仿真和测量，我们加深了对放大器的理解。放大器非线性并不是什么复杂的现象，归根到底是器件的一个物理特性。

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