在通訊系統中，放大器扮演著通訊鏈結成功與否的關鍵角色。發射端系統的功率放大器必須提供足夠的信號能量，以便抵銷傳送路徑所造成的能量損耗，將信號傳至遠端的接收機；而接收端系統的低雜訊放大器則必須將接收到的微弱信號功率增加並降低接收系統雜訊，以提高接收機靈敏度，成功的將信號解調。

放大器是一個電子元件，將輸入信號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電子電路電壓增益、電流增益或功率增益。一般放大器除了放大增益的規格需求，在各種應用上，也有許多需特別考量的規格，如消費性產品中的放大器需考慮其耗電量以增加電池使用時間；衛星通訊系統地面接收站的低雜訊放大器必須考慮其雜訊指數，以降低接收系統的雜訊指數，進而縮小接收站天線的尺寸，節省衛星的重量、耗電及製造成本。

在許多測試系統中，高頻/微波放大器也是常被使用的，一般而言，寬頻儀器通常需要外加一個放大器以提供增益及功率，來克服系統內高頻信號損失，以驅動高功率元件或改善量測系統的特性。自動測試系統中會有一些高頻切換器、信號路由器、轉頻器及信號傳輸線，這些都會造成測試信號的功率損耗。許多元件都需要以高功率信號來驅動如混波器、高功率放大器。這些元件都對信號位準相當敏感，外加放大器於測試系統中，可改善或增加動態範圍。Preamp是最常見被加在頻譜分析儀上用來增加頻譜分析儀的靈敏度以偵測小信號。

放大器的分類

放大器依工作頻段分為低頻、音頻、中頻及高頻。實際應用上亦分類為音頻放大器、射頻放大器及微波放大器等等。本文著重在射頻放大器及微波放大器。

當頻率低於100kHz，通常量測電壓及電流而不直接量測功率，利用電壓及電流再計算出功率；在射頻頻段，就會直接量測功率；當頻率高過1GHz，功率量測便顯的更加重要，因為此時的電壓及電流量測是無用的，例如在方形導波管中便十分困難去量測電壓及電流。

在微波放大器的輸入端輸入一信號功率為Pi，在其輸出端便可得一較大功率Po的輸出信號，輸出功率比上輸入功率即為功率增益，這是一個放大器的主要特性，微波放大器尚有其他重要的特性會影響其工作，稍後將有說明。

有幾種常見的主動元件會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。在這些元件中最常見的是GaAs MESFET，技術成熟且便宜，在4GHz 至100GHz頻段扮演主要的角色。HEMT和PHEMTS在較高頻率能提供較好的特性，且提供低於1dB的最低雜訊指數，但相對的也需較高技術來製造且昂貴。Silicon FETs 通常應用在高功率輸出用途。Bipolar Silicon Transistor的技術是BPT的延伸，工作頻段為低頻至10GHz，一般應用約至4GHz。

Monolithic Microwave Integrated Circuit（MMIC）實質上是高頻IC的化身，最常見的MMIC是以GaAs為基層材質，然而現在以矽為基層的產品在較高頻段其製程技術較為先進，所以在低於4GHz頻率的無線通訊市場仍佔有優勢。Silicon Bipolar MMIC頻率低於4GHz，功能性多、價格低；GaAs FET MMIC頻率高於1GHz，涵蓋較高頻、價格高；GaAs HBT頻率高於1GH，功能性多、價格中等。

雙端口高頻放大器操作參數及特性

微波放大器的特性有：操作頻率（Frequency）、頻寬（Bandwidth）、增益（Gain）、增益平坦度（Gain flatness）、增益壓縮（Gain compression, P1dB）、AM-PM轉換（AM to PM conversion）、反向隔離度（reverse isolation）、相位線性度（Phase linearity或Deviation from Linear Phase）、群延遲（Group delay）、反射損失（Return loss）、輸入與輸出阻抗（Complex Impedance）、混波（Spurious）、雜訊（Noise）、諧波失真（Harmonic distortion）、雙音/多音交互調變（Two-tone or Multi-tone intermodulation；TOI或IP3）、雜訊指數（Noise figure）、等效雜訊溫度（Equivalent Noise Temperature）、最大功率（Peak Power）與平均功率（Average Power）。

參數定義

操作頻率、頻寬

微波放大器操作頻率與頻寬和一般微波元件並無不同，受限於某些規格的特性下降，可能是輸出功率、增益或是效率。頻寬指的是上波帶頻率減下波帶頻率，頻寬百分比是上下波帶頻率差除以中心頻率。

增益（dB）

放大器增益被定義為：放大器（傳送予一特性阻抗為Z0之負載的）輸出信號功率比上（由一特性阻抗為Z0之信號源）輸入功率。對小信號而言，放大器的輸出功率會正比於輸入功率，小信號增益指放大器工作於線性區。當輸入信號功率增加而放大器接近飽和時，輸出功率會達到一極限，增益便下降，此使放大器工作於非線性區，大信號增益指放大器工作於非線性區。

增益平坦度（dB）

放大器增益平坦度為增益在操作頻率範圍內的峰對峰值。

增益壓縮（dBm）

增益壓縮以放大器的1dB增益壓縮點（P1dB）來決定，當放大器工作在接近非線性區，增益隨輸入功率增加而減少，當增益比小信號增益少1dB時，此時的輸出功率為P1dB。這是一種衡量放大器功率輸出能力的一種常見量測。

AM-PM轉換（o/dB）

AM-PM轉換是量測放大器內因信號振幅變化而造成的信號相位偏移，可能的原因是電源供應器電壓抖動（ripple）或溫度偏移，以及信號震幅本身的調變，如QAM。AM-PM轉換的定義是放大器在P1dB點，輸入功率增加1dB，其輸出相位的變化量，單位為o/dB。

反向隔離度（dB）

在放大器輸出端輸入信號，在輸入端量測其穿透量，類似增益的量測，但是在放大器輸出端給予測試信號。

相位線性度（degree）

線性相位偏移的變化量。理想上，信號經由一放大器的相位偏移與頻率為一線性方程式。

群延遲（psec或nsec）

不同頻率的信號通過一放大器所需的傳輸時間，群延遲與頻率相關，完美的放大器其相位偏移相對頻率會是一固定的變化率，就會產生固定的群延遲。

反射損失（dB）

一放大器的輸入或輸出端相對於系統阻抗的反射匹配量測，該參數可直接推算出駐波比及反射係數。

輸入與輸出阻抗（R：ohm, X：S, C：F or L：H）

一個放大器反射的能量直接與其阻抗相關，複數阻抗包含一個電阻成分及電抗成分，可直接由系統特性阻抗與反射係數直接推算。

混波（dBc）與雜訊（dBm/Hz）

微波放大器輸出信號的頻率除了輸入信號的頻率以外，還包括有混波、諧波及白雜訊（White noise），如(圖四)所示。無論放大器有無輸入信號，白雜訊都會存在。一般而言，基頻載波信號會大於白雜訊。對於低雜訊接收機而言，白雜訊是非常重要的考量。

混波是因信號在放大器內震盪所造成，與基頻載波頻率無關。

諧波失真（dBc）

因為天生的非線性度，放大器會產生多餘的響應信號，其頻率為測試載波頻率的整數倍，稱為諧波。三階諧波頻率即為載波頻率的三倍。諧波位準定義為測試基頻載波與輸出諧波絕對功率的差，單位為dBc（dB相對於載波carrier），依不同的放大器類型，諧波應比基頻載波低幾個dB至30dB。

雙音/多音交互調變（dB）

當兩個或多個正弦波頻率進入一個放大器，其輸出會包含許多增加的頻率成分，稱為交互調變乘積項。輸入頻率為f1及f2的信號予一放大器，輸出信號會包含下列的頻率：nf1+mf2，其中n,m＝0, ±1, ±2, ±3, ±4,...，交互調變失真乘積項的階數定義為i=|n|+|m|，三階乘積項（i=3）是主要的考慮，因為該信號鄰近載波頻率。

雜訊指數（dB）、等效溫度（oK）

雜訊指數定義為放大器輸入端的信噪比與輸出端的信噪比的比值。

因此放大器的雜訊指數即是指信號通過後，信噪比的減少或退化程度。理想的放大器會將輸入端的雜訊連同信號一起放大，使輸出端維持和輸入端同樣的信噪比（SNR）。然而，放大器還會加上一些來自於本身的雜訊，而降低了信噪比。低雜訊意味著放大器所加諸的雜訊非常小。

衛星系統接收器上的低雜訊放大器通常以溫度來表達雜訊指數，該溫度稱為等效溫度Te。

效率（%）

效率是放大器的微波功率輸出比上放大器的總輸入功率。輸入功率包含輸入放大器的微波信號以及會被轉成微波功率的電源供應器功率。

量測架構

量測設備

依據所需的測試設備，將放大器操作參數的特性測試分成三大部分，如下：

向量網路分析儀量測設定

在實際執行量測前，相當重要的是必須先知道待測放大器（AUT）的輸出及輸出功率強度及必須執行的校正方式。

輸入功率

選擇適當的輸入功率位準是最重要的考量，如果小信號增益及1-dB壓縮點已經大略知道，便可粗略估出輸入功率位準。若要使放大器工作在線性區，輸入功率必須適當設定使輸出功率比1-dB壓縮點低3至10dB。

如果向量網路分析儀無法設定太低的測試功率，則需外加衰減器於放大器輸入端口前，缺點是無法測得輸入阻抗匹配。若向量網路分析儀無法設定足夠的測試功率，則需在放大器輸入端口加上一放大器，必然也需在輸出端口前加上一衰減器，以保護向量網路分析儀的接收機，而如此僅可測試S21及S22參數，這類放大器我們歸類為高功率放大器。

輸出功率

預估放大器的輸出功率也是最重要的考量，以避免造成向量網路分析儀測試端口過載或損壞。在 高功率輸出放大器輸出端口加上一衰減器，使輸出信號低於向量網路分析儀接收機的0.1dB壓縮點，以確保測試的準確度。高增益的放大器的輸出功率如過大，將造成儀器過載（IF overload），則應降低輸入信號或 在放大器輸出端口加上一衰減器。

量測校正

執行校正可量測向量網路分析儀系統誤差並將之移除，系統誤差包括頻率響應追蹤、指向性、不匹配及串音等。執行完整雙端口校正（full two-port calibration）可提供最好的精確度，但某些狀況使用其他的校正模式會較為實際，例如僅測試穿透係數的各項參數時，執行穿透校正，或僅測試反射係數的各項參數時，執行單端口校正。校正時，量測所加入的衰減器必須被校正掉，才能將其效應在實際測試時移除。

再次提醒讀者，注意估算放大器的功率輸出是否會造成向量網路分析儀過載或損壞。使用向量網路分析儀測試P1dB有兩種模式：一為頻率掃瞄模式，一為功率掃瞄模式。掃頻模式的優點是可以較快測得各頻率點的P1dB，但缺點是較不精確，而功率掃瞄模式的優點是可以較精確測得單一頻率點的P1dB，但缺點是需要重複做多次才能得到各頻率的點的P1dB。

頻譜分析儀量測

在實際執行量測前，為了保護頻譜分析儀，先估算待測放大器的輸出及輸出功率強度，是一個必須注意的重點。

在測試雙音/多音交互調變失真時，如果所使用的信號產生器僅可輸出單頻信號，則需兩部（或以上）的信號產生器，如果所使用的信號產生器可輸出多載波信號，則僅需一部信號產生器。因信號產生器本身亦會產生諧波，故必須先確定該信號產生器的諧波失真規格是否適合作為本測試的信號源。若用單一信號產生器輸入雙音/多音信號給予待測放大器時，必須注意測試信號本身的交互調變失真是否會影響待測放大器的交互調變失真，否則測得的結果是信號產生器的測試信號失真，而非待測放大器的交互調變失真。目前可使用編輯軟體編輯多載波信號，並同時調整交互調變失真的輸出大小，如此便可確定測試信號的純度以及提高測試結果的準確度。

雜訊指數分析儀量測設定

測試雜訊指數可使用雜訊指數分析儀或內建雜訊指數量測功能的頻譜分析儀，測試時以雜訊源（Noise Source）為輸入信號配件，雜訊源的剩餘雜訊比（ENR）值選擇：如待測放大器的雜訊指數大於20dB，則應選用15dB ENR的雜訊源，若為低雜訊放大器，建議選用6dB ENR的雜訊源。

平衡式放大器測試

目前高頻放大器測試廠面臨的一個挑戰是如何測試平衡式放大器的特性，因為比起以往增加了高頻差動式電路。一個平衡式放大器被精密的設計工作在被要求的模式，一般會是差動模式。因此BALUN便會被使用來將單端（single-ended）信號轉換成差動信號以測試平衡式放大器的差動增益（differential gain）特性。這樣的作法必須確定共模信號（common mode）在輸出端是微小的，而且此法也無法得知共模的特性。

因此，必須使用具有測試平衡式元件特性的四端口網路分析儀，搭配精確的完整誤差校正功能，將測得的單端S參數轉換成混和模式S參數，才能得到差模、共模及模式轉換的特性。

另外，如果網路分析儀提供自訂公式功能或內建VBA程式，則可利用來運算一些特別的參數，並使用儀器直接顯示，例如，K-factor（放大器的穩定參數）可由差模的四個S參數SDD11、SDD12、SDD21、SDD22運算而得；另外可使用內建VBA功能，可控制儀器測試程序，進而顯示放大器在各頻率下的1-dB壓縮點。

使用一差動式放大器（differential amplifier）量測實例來說明。該待測物為一晶片放大器被焊在一PCB板中。板上使用共平面導波管傳輸線（CPW）連接該晶片放大器，另一端焊以SMA接頭，該版中也包含一與CPW線等長的測試線，將以此來決定CPW線的電子長度（electrical length）。我們會分別以四端口元件及雙端口元件來測試該放大器。

使用的測試系統為多端口平衡式元件測試系統（BMS），先行設定頻率範圍（start=2MHz、stop=2GHz and step=2MHz）及功率，執行四端口向量誤差校正，完成校正後，該系統便可準備進行差動式放大器的量測。

分別將差動式放大器的四個SMA接頭接至網路分析儀，將該設備的15-pin接頭接上測試版以提供放大器偏壓，執行量測，儀器會做8次掃描得到16個S參數。

這16個單端S參數所測試的參考平面在CPW版的4個SMA接頭，並非在晶片放大器的接角端，也就是說目前的待測物包含了晶片放大器、CPW傳輸線及SMA接頭，因此必須將CPW傳輸線及SMA接頭的效應移除，所使用的方法為Port Extension，利用測試版中上方的等長測試線測得CPW傳輸線的電子長度為11.6公分，將該值輸入儀器，對4個端口均執行相同的port extension，則所得新的16個單端S參數已將CPW傳輸線及SMA接頭的相位效應移除，所得結果如(圖九)，可以清楚的看見對角線的4個反射係數均有明顯的改變。此法並無法移除CPW傳輸線的衰減及不匹配效應，僅能假設這些效應是完美可被忽略的，若要完全移除CPW傳輸線及接頭的效應，則必須做去埋入（de-embedded）或是執行TRL校正。

以上已測得16個單端S參數，但待測物的設計是被差模信號激發與差模響應，所以必須得到混和模式的16個S參數。接下來便執行模態轉換功能，所得混和模式，每個四分之一模態代表不同的模式反應。（詳細分析請參考本刊今年四月號專欄說明）

注意觀察SDD11的結果，也就是輸入端的差模反射特性，圖中可看出游標標示出SMITH圖圓心的差模阻抗為100歐姆，這是因為原設定系統各電擊點阻抗均為50歐姆，所以系統差模的阻抗便被設為100歐姆（串聯：50＋50）；同樣的，SCC11共模的阻抗就被設為25歐姆（併聯：50×50/（50+50））

而所測試的差動式放大器其輸入與輸出端口均被設計為差模200歐姆，因此必須將系統各電擊點的參考阻抗改為100歐姆，這樣差模Smith圖中的參考阻抗便會自動被設為200歐姆。

接著分析差模增益SDD21，其代表差模信號輸入該放大器，在其輸出端的差模信號放大增益，圖中游標直顯示該差動增益超過20dB。

圖十三所得的混模S參數已完整表達差動式放大器的線性特性，再利用這些混模S參數來計算一些其它的常被使用的差動式放大器參數，並繪出各參數與頻率關係的圖形，這些參數包括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|）

若欲計算輸入與輸出的同步共軛匹配（simultaneous conjugate input and output matching impedances），則需使用公式。

利用測試設備內建的自訂公式功能，將上列公式輸入，便可計算出各個參數與頻率的關係並繪出圖形。

結論

本文介紹了一般高頻功率放大器的各個操作參數的特性意義與測試方法，常見的消費性產品所使用的放大器，如行動電話、無線網路設備、無線麥克風、天車無線遙控器等等，都適用本文所介紹的方法。

一般無線通訊的基地台、點對點微波通訊、衛星通訊的地面接收站、遙測追蹤指令地面站（TT＆C）、廣播電台及國防工業所使用的微波放大器都屬於高功率放大器，測試時需特別考量測試設備架構。（作者任職於台灣安捷倫科技）