PAE量測功能添力　RF放大器功率測試更精準

近來無線通訊裝置須具備多個傳輸標準，例如手機上2G、3G、長程演進計畫(LTE)、全球衛星定位系統(GPS)與無線區域網路(Wi-Fi)，但若這些傳輸標準同時並行，勢必造成電池續航力降低，因此如何達到省電以延長電池使用時間是一大難題。其中射頻放大器是否省電，是增加電池續航力的主要關鍵，PAE則是設計放大器時所需分析的關鍵參數。

除了S參數、增益、Hot S22與放大器穩定度(Stability)以外，PAE也是設計放大器的一個重點參數，主要用意在於分析放大器中直流(DC)電源供電能量轉換成交流(AC)射頻訊號放大的能量轉換效率。

PAE的定義如下：

PAE的測試目標在於找到放大器最佳輸出效率點，此時射頻能量轉換功率與直流功率的比值是最大值。若是超過這個最佳效率點時，放大器將產生額外的廢熱而且導致效率下降，而若未達此最佳效率點，放大器會處於非常線性的狀態。

尤其在行動通訊裝置如手機相關的應用，非常重視延長電池的壽命，根據這個市場的需求，射頻工程師必須將功率放大器最佳化至高效率，通常此放大器必須操作於1dB壓縮點甚至超越1dB壓縮點之操作環境。

目前的向量式網路分析儀(VNA)可提供PAE量測的功能，除了電源供應器以外，此功能須並聯一顆高精度電阻來做為電流的量測，而測試過程皆可由向量式網路分析儀來完成。

新網路分析儀可完成PAE量測

PAE量測功能需要網路分析儀直流量測功能，有些向量式網路分析儀的直流量測是選配功能，有些則已內建在單機上，而這些量測需要量測配件，並要額外並聯一顆電阻以完成PAE測試。

目前市面上向量式網路分析儀韌體可以提供PAE的量測功能，並且不需要額外的軟體選配功能，而直流輸入是必要的，其輸入腳位是使用BNC母接頭。

使用向量網路分析儀量測PAE之直流量測功能如圖1所示，可分為三種量測種類：

圖1　向量網路分析直流量測功能

‧	定電壓源，包含並聯電阻做直流電流量測。
‧	定電流源，包含直流電壓量測。
‧	直流電壓與電流量測，包含並聯電阻做直流電流量測。

測試人員根據手邊可以使用的硬體資源與待測物特性來決定要使用哪一種量測方式(例如功率損耗)。

大部分的狀態，可使用定電壓源，包含並聯電阻做直流電壓量測，主要是可藉由並聯電阻之電壓降來量測直流電流，以及待測物電壓輸入端的直流電壓。使用這種量測法，待測物直流輸入電壓可以被正確量出來，這對計算直流電壓功率而言相當重要。

如圖2所示，每一個直流量測輸入可以選擇直流電壓量測的電壓範圍，這個特色可提高直流量測的精準度。

圖2　量測種類--可調式電壓電流量測

底下的量測範例顯示使用R&S ZNB向量網路分析儀之韌體來量測PAE。在此所使用之待測物為頻率1G～3GHz之固態放大器；使用的量測方式為定電壓源，包含一顆1歐姆(Ω)並聯電阻，誤差為1%。

‧	量測步驟一：建立量測環境
	完成基本網路分析儀量測設定(開始截止頻率、點數、測試功率、IF頻寬、平均及步階式衰減器等)。
‧	量測步驟二：校正
	包含系統誤差校正以及功率校正。其中系統誤差校正為標準系統誤差校正(如UOSM或TOSM之校正方法，包含Unknown Through、Through、Open、Short與Match等之標準鍵)；另外，功率校正方面，使用功率計量測待測物的a1波(輸入功率)與b2波(輸出功率)必須是絕對功率，因此要針對訊號源輸出連接埠1之a1參考接收機(Ref. Receiver)與連接埠2之b2量測接收機(Meas. Receiver)進行校正。

一般建議，功率校正時，同時進行平坦度的校正，以因應網路分析儀功率掃描模式(校正待測物精準的輸入功率)的使用。

目前市面上新型向量網路分析儀支援SMARTerCal的功能，同時包含功率校正與系統誤差之校正。做完SMARTerCal之後，待測物訊號源之功率校正亦包含平坦度的校正，SMARTerCal與功率校正都是該網路分析儀之標準內建功能，可以在Cal選單中找到。

‧	量測步驟三：連接待測物
	連接待測物於連接埠1(待測物輸入端)與連接埠2(待測物輸出端)，並且將待測物連接至電源供應器以及網路分析儀的直流輸入，如圖3所示，直流輸入為訊號(BNC芯線)與接地(BNC外導體)。

圖3　PAE與直流量測接線方式

值得注意的是，有些網路分析儀中並沒有內建SMARTerCal，若要達到如SMARTerCal的校正結果，須執行Full Two Port的校正再執行功率校正，接下來再開啟儀器上的Enhanced Wave Correction與Load Match Correction。對訊號源之接收機執行平坦度校正，可以解決待測物輸入端與儀器訊號輸出埠之間不匹配所產生的誤差。

‧	量測步驟四：執行量測
	所有設定結束後，點選OK來執行量測，網路分析儀會新增一條量測曲線並顯示量測結果，如圖4。

網路分析儀不僅能針對增益、S參數與放大器穩定度之量測，還可以使用其直流量測功能，對電壓電流進行測試，進而分析放大器功率轉換效率等之曲線，同時可自由編程搭配程式化的巨集之使用，量測出1dB壓縮點所對應的頻率對放大器功率轉換效率曲線。

圖4　PAE量測結果

(本文作者任職於羅德史瓦茲)