功率放大器

压缩增益

功率放大器的一个有用参数是压缩增益 G1。这可以通过下图来定义，该图显示了输出功率与输入功率的关系。

在低输入功率下，响应是线性的，但当我们沿着负载线移动时，输入功率达到增益被压缩的点。此时，器件的行为从纯线性转变为非线性。曲线上整个放大器的增益从线性减少 1 dB 的点的输出功率称为 dB 压缩点（或 1 dB 压缩点）。

放大器的最大输出功率称为饱和输出功率（）。通常，这种情况发生在 2 dB 和 3 dB 增益压缩之间。功率放大器在 dB 压缩点工作时具有高效率。

功率附加效率

功率放大器通常是直流电源的主要消耗者，尤其是在手持无线设备中。我们可以将放大器效率定义为射频输出功率与直流输入功率的比率：

Transclude of 漏极效率定义式

该量通常指的是漏极效率（或集电极效率）。这种效率的定义没有考虑传递到放大器输入端的微波功率。实际上，大多数微波功率放大器的增益相对较低，因此上式往往会高估实际效率。

通常使用的衡量标准是功率附加效率，其计算公式为：

Transclude of 功率附加效率计算式

功率放大器通常会针对效率进行优化，即使所得增益低于可能的最大值。通常，功率放大器被指定为在 dB 压缩点处实现最高效率。

多级放大器设计

为了减少达到要求总增益的级数，需要让每一级的放大器都有高增益。并且总级数少的时候，整体的效率会更高。将通过下图进行解释。

输出功率由输出增益级定义，该级的效率将随着功率增益的增加而增加，直到输出功率达到 dB 压缩点。并且仅当只有一个增益级具有高增益时才能达到效率峰值，因为在这种情况下，PAE 大约为输出功率除以直流偏置 ()。

输入增益级将增加总体增益，但不会增加输出级可用的输出功率（我们不能使输出级饱和）。输入增益级需要直流电源输入 ()，从而增加总体功耗。

实际上，单级无法满足总体增益，通常需要两级。一个重要的考虑因素是总体增益压缩是每一级压缩的总和。如果上图中的输入级压缩，则整个两级放大器将在输出级达到 1 dB 压缩点之前压缩。这是效率最高的点。

因此输入级工作在线性区域并且输出级达到增益压缩非常重要。

[! important] 需要继续阅读的内容

1. D. M. Pozar, Microwave Engineering, International Adaption. 4th Edition, Wiley, 2021. (Chapter 12, section 12.5)
2. S.Marsh, Practical MMIC Design, Ch. 5, Artech House, 2006. (Section 5.3.3.2)