芯耀
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輸出功率1dB壓縮點（P1dB）
P1dB是功率放大器領(lǐng)域廣泛討論的基本測量指標，是表征放大器在非線性條件下性能的關(guān)鍵指標。P1dB以dBm為單位，指定放大器達到其1dB壓縮點時的輸出或輸入功率。該點標志著放大器偏離線性工作的顯著轉(zhuǎn)折點——此時實際增益開始與理論線性增益產(chǎn)生偏差。起初，放大器在線性區(qū)域工作，隨著輸入功率增加提供恒定增益；然而，超過特定閾值后，增益不再隨輸入功率線性增加，從而導(dǎo)致飽和效應(yīng)。
1dB壓縮點本質(zhì)上是放大器的實際增益與預(yù)期線性增益之差恰好為1dB的臨界點。這一現(xiàn)象清晰表明非線性行為的開始，意味著放大器因飽和而無法再維持其線性放大效率。P1dB指標的重要性在于它能夠量化這種轉(zhuǎn)變，精確測量放大器性能開始壓縮的時間和程度。這使得P1dB成為評估功率放大器等器件非線性特性的關(guān)鍵參數(shù)，為了解其工作極限和在不同功率水平下的行為提供了參考。
測量P1dB壓縮點主要通過繪制輸出功率與輸入功率（均以dBm為單位）的關(guān)系曲線實現(xiàn)。測量需從明確的線性區(qū)域開始，逐步增加輸入功率（建議以1dB為步長），并確保輸入/輸出功率均正確參考被測設(shè)備（DUT，通常為功率放大器）的端口。
1. 線性區(qū)域：
- 初始階段，DUT呈現(xiàn)恒定增益，輸出功率與輸入功率呈1:1線性關(guān)系（輸入增加1dB，輸出同步增加1dB）。
- 該階段在圖表中表現(xiàn)為斜率為1的直線，反映放大器的理想線性放大特性。
圖1
2. 非線性區(qū)域與P1dB點：
- 隨著輸入功率繼續(xù)增加，放大器逐漸飽和，增益開始下降，偏離線性關(guān)系。
- P1dB壓縮點定義為：當(dāng)實際增益比理論線性增益低1dB時的工作點。此時的輸出功率（以dBm表示）即為P1dB閾值，標志著放大器從線性向非線性工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。
除直接繪制輸出-輸入功率曲線外，還可通過繪制增益(dB) vs. 輸入功率曲線確定P1dB：
- 線性區(qū)域：增益曲線保持水平（恒定增益）。
- 非線性區(qū)域：增益曲線開始下降，當(dāng)增益較初始值降低1dB時，對應(yīng)點即為P1dB。
圖2
測量方法一：
實際測量設(shè)置與步驟：
1. 硬件配置：
- RF信號源 → DUT（輸出需要接入衰減器）→ 頻譜分析儀/功率傳感器
- 關(guān)鍵：系統(tǒng)校準及功率基準精確對齊。
2. 操作流程：
- 從低功率開始，以1dB步長逐步增加輸入功率。
- 同步記錄輸入功率、輸出功率及增益變化。
- 觀察增益下降趨勢，捕捉增益比線性值低1dB的臨界點。
測量方法二：
圖3
當(dāng)然我們也可以利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行P1dB的測量，具體步驟如下所示：
1. 硬件配置：
- 矢網(wǎng)Port1 → DUT（輸出需要接入衰減器）→?矢網(wǎng)Port2
- 關(guān)鍵：配置好相應(yīng)掃描功率并對系統(tǒng)進行功率歸零校準。
2. 操作流程：
- 在矢網(wǎng)Sweep Type選項里，把掃描模式修改為功率掃描模式，并設(shè)置好相應(yīng)的掃描功率范圍及測量頻率。
- 選擇S21測量窗口，并對矢網(wǎng)進行功率歸零校準。
- 把DUT接入矢網(wǎng)的Port1和Port2端口，并在DUT輸出口加入衰減器（保護測試儀器），觀察測試曲線。
下圖是某一款放大器的功率掃描曲線，其中Y軸代表器件增益，X軸代表輸入功率，而輸出功率=增益（Y軸）+輸入功率（X軸），其中Mark2代表器件沒有壓縮前的增益（增益約為41dB，Mark2之所以有點上翹是因為該放大器靜態(tài)工作點設(shè)置過低，工作時有點增益擴張），根據(jù)上面的公式我們可以依次計算出放大器1db壓縮點、3db壓縮點、以及飽和對應(yīng)的功率是多少，P1dB=41-6.4=34.6dbm，P3dB=38-1.6=36.4dbm，Psat=37.1-0=37.1dbm。
圖4
盡管測量P1dB的基本方法看似簡單，但實際操作中可能出現(xiàn)若干不確定性：
- 器件差異：由于制造公差，即使相同型號的不同放大器，其P1dB點也可能存在細微差異。這種可變性要求在關(guān)鍵應(yīng)用中進行精確的個性化測量。
- 熱效應(yīng)：工作溫度會顯著影響放大器的性能。隨著元件發(fā)熱，其電氣特性可能改變，進而可能改變P1dB點。為實現(xiàn)精確測量，一致的溫度控制或補償至關(guān)重要。
- 頻率相關(guān)性：P1dB可能在放大器的頻率范圍內(nèi)有所變化。這一特性要求在多個頻率點進行測量，以全面了解放大器的性能范圍。
IMD介紹
當(dāng)兩個或更多的信號在一個非線性元件（有源或無源）中混合時，由于這些原始信號之間的相互作用，會產(chǎn)生新的信號。這種情況被稱為互調(diào)失真（IMD）。
由互調(diào)產(chǎn)生的頻率可能是各種互調(diào)產(chǎn)物頻率的和或差。根據(jù)互調(diào)產(chǎn)物的不同，會有二階、三階、四階等等互調(diào)產(chǎn)物。
這些互調(diào)產(chǎn)物如下圖1所示。
如圖所示，互調(diào)產(chǎn)物有很多，但主要的干擾將來自于2ω1+ω2和2ω1-ω2，因為它們在頻譜中位于所需頻率（ω1，ω2）附近。
圖5
當(dāng)兩個或更多的信號在發(fā)射機的非線性元件（如射頻混頻器、單片微波集成電路放大器等）中混合時，互調(diào)失真就會在發(fā)射機中產(chǎn)生。
下面的表格列出了由于施加兩個輸入頻道頻率f1和f2而產(chǎn)生的三階互調(diào)輸出頻率。
如上文所述，只有輸出端的三階互調(diào)產(chǎn)物在幅度上較高，并且接近所需的頻率f1和f2。因此，這些三階互調(diào)產(chǎn)物會對所需的信號頻率造成干擾。讓我們來了解一下與三階互調(diào)失真曲線（斜率為3）
相關(guān)的術(shù)語 —— 輸入三階截點（IIP3）和輸出三階截點（OIP3）。
輸入三階截點（IIP3）
是指一個假設(shè)的輸入功率電平，在這個電平下，三階互調(diào)產(chǎn)物的功率將等于基波輸出信號的功率，它表明了在出現(xiàn)顯著失真之前，器件對高輸入信號的耐受能力。
圖6它是這樣一個輸出點：當(dāng)輸入到放大器（或非線性射頻電路）的功率增加2dB時，輸出功率僅變化1dB。
1dB曲線顯示了輸入1dB增益壓縮點（IP1dB）和輸出1dB增益壓縮點（OP1dB）。當(dāng)三階互調(diào)產(chǎn)物（IM3）等于0dB（相對于載波）時的外推點被稱為三階截點（IP3）。
基波信號曲線和三階失真產(chǎn)物信號曲線相交的外推點被稱為三階截點（IP3）。
在這一點上，輸入功率電平被稱為輸入三階截點（IIP3），而當(dāng)這種情況發(fā)生時的輸出功率被稱為輸出三階截點（OIP3）點。
如上文所述，輸入三階截點（IIP3）是對應(yīng)于輸出三階截點（OIP3）時放大器輸入處的三階截點。
圖2中還顯示了二階截點（IP2）。這是二階互調(diào)失真產(chǎn)物（即f1+f2和f1-f2）以及二階諧波頻率（2*f1，2*f2）的結(jié)果。
基波信號曲線和二階失真產(chǎn)物信號曲線相交的外推點被稱為二階截點（IP2）。此時的輸入功率電平被稱為輸入二階截點（IIP2），而當(dāng)這種情況發(fā)生時的輸出功率被稱為輸出二階截點（OIP2）點。
輸出三階截點（OIP3）
輸出三階截點（OIP3）表示在這個截點處相應(yīng)的輸出功率電平，它反映了在非線性效應(yīng)變得顯著之前，器件能夠輸出的最大功率。
換句話說，當(dāng)向非線性器件輸入功率強度等于輸入三階截點（IIP3）電平的信號時，該非線性器件的輸出功率就被稱為輸出三階截點（OIP3）。
理想情況下，輸出三階截點（OIP3）通常比1dB增益壓縮點（P1dB）（即輸出1dB增益壓縮點OP1dB）高約10dB。
圖7該圖展示了三階截點（IP3）的測量裝置。OIP3=POUT+ΔP/2
舉例說明：
設(shè)f1和f2信號的測量功率電平為-10dBm（這是輸出功率POUT），而2f1-f2和2f2-f1信號的測量功率電平約為-40dBm。
ΔP=-10-(-40)=+30dBc
OIP3=-10dBm+30/2dB或者OIP3=+5dBm
如果設(shè)備的增益為+6dB, 則IIP3=OIP3-G
因此IIP3=+5-6=-1dBm
三階輸入截點（IIP3）與三階輸出截點（OIP3）之間的關(guān)系：
設(shè)x和y分別為輸入功率和輸出功率。設(shè)A為x與y之間的傳遞函數(shù)。（如果該器件是放大器，A即為 “增益”）
Y=A0+A1.X1+A2.X2+A3.X3+…+Ai.Xi+… An.Xn
其中，
A0是一個常數(shù)項，其值與X的取值無關(guān)。
A1.X是線性部分。
A2.X2是二次項，也就是二階項。
A3.X3是三階部分。
以下等式表示了三階輸入截點（IIP3）和三階輸出截點（OIP3）之間的關(guān)系：
增益（單位：dB）+三階輸入截點（單位：dBm）=三階輸出截點（單位：dBm）
其中，
IIPn是n階輸入截點，在輸入功率軸（即X軸）上測量。
OIPn是n階輸出截點，在輸出功率軸（即Y軸）上測量。
結(jié)論
互調(diào)失真與1dB壓縮點作為非線性元件的關(guān)鍵性能指標，深刻影響通信系統(tǒng)信號質(zhì)量。本文通過闡述互調(diào)產(chǎn)物生成機制、IIP3/OIP3截點定義及P1dB壓縮點測量方法，揭示了器件非線性行為對基波信號的干擾規(guī)律。P1dB量化線性工作邊界，而IIP3/OIP3則表征高功率下的失真耐受能力，三者共同構(gòu)成評估放大器動態(tài)范圍的核心框架。精準測量需克服器件差異、熱效應(yīng)及頻率依賴性等挑戰(zhàn)，為系統(tǒng)設(shè)計提供可靠依據(jù)，確保信號完整性與動態(tài)性能平衡。
