信号发生器如何用于放大器频宽测量?

信号发生器在放大器频宽测量中扮演着核心角色，通过提供精确的扫频或点频信号，结合功率计、频谱分析仪或网络分析仪等设备，可准确测定放大器的带宽、增益平坦度及截止频率等关键参数。以下是详细步骤及方法：

一、频宽测量的核心原理

放大器频宽（Bandwidth）通常指增益下降至低频段增益的-3dB（或-1dB）时的频率范围，即：

• 3dB带宽：增益下降至最大值的0.707倍（功率下降一半）的频率差。
• 矩形系数：描述带宽内增益平坦度的指标（如60dB带宽与3dB带宽的比值）。

测量需关注：

1. 小信号增益：线性工作区内的增益特性。
2. 大信号增益压缩：输入功率接近1dB压缩点时，带宽可能变窄。
3. 输入/输出匹配：阻抗失配可能导致带宽测量误差。

二、信号发生器在频宽测量中的关键作用

1. 提供可控频率信号
   • 生成连续波（CW）或扫频信号，覆盖放大器预期工作频段（如100kHz~3GHz）。
   • 控制信号幅度和功率，避免放大器进入非线性区（如饱和或压缩）。
2. 配合其他仪器完成测量
   • 频谱分析仪：测量放大器输出信号的幅度随频率的变化，直接显示增益曲线。
   • 网络分析仪：通过S₂₁参数（正向传输系数）测量增益，精度更高且支持自动扫描。
   • 功率计+示波器：手动测量特定频率点的输出功率，适用于低成本或低频场景。

三、具体测量方法与步骤

方法1：使用网络分析仪（推荐）

步骤：

1. 校准网络分析仪
   • 使用校准件（Open/Short/Load）对网络分析仪进行双端口校准，消除线缆和接头误差。
   • 设置频率范围覆盖放大器工作频段，中频带宽（IF BW）适当降低（如1kHz）以提高动态范围。
2. 连接测试系统
   • 信号发生器→网络分析仪源输出→放大器输入端→放大器输出端→网络分析仪端口2（测量S₂₁）。
   • 确保所有连接使用50Ω阻抗线缆和接头，避免额外失配。
3. 测量增益曲线
   • 启动扫频模式，网络分析仪显示S₂₁的幅度（dB）随频率的变化曲线。
   • 标记增益最大值（G_max）及下降3dB的频率点（f_L和f_H），计算带宽：
     BW = f_H - f_L
4. 分析增益平坦度
   • 观察带宽内增益波动（如±0.5dB），评估放大器线性性能。

优点：精度高、自动化程度高，适合高频和宽带放大器；缺点：设备成本较高。

方法2：使用信号发生器+频谱分析仪

步骤：

1. 搭建测试系统
   • 信号发生器→放大器输入端→放大器输出端→频谱分析仪。
   • 在信号发生器与放大器之间插入衰减器（如20dB），防止输入功率过高导致放大器饱和。
2. 设置信号参数
   • 信号发生器输出固定功率（如-20dBm），确保放大器工作在线性区。
   • 设置频谱分析仪中心频率为放大器中心频率，扫描宽度覆盖预期带宽。
3. 测量增益曲线
   • 手动或自动扫描频率，记录输出信号幅度随频率的变化。
   • 计算增益：G(f) = P_out(f) - P_in + 衰减器值（dB）
   • 确定3dB带宽（同方法1）。

优点：适合快速验证；缺点：需手动操作，动态范围受频谱分析仪限制。

方法3：使用信号发生器+功率计（手动点频法）

步骤：

1. 选择测试频率点
   • 在预期带宽内均匀选取频率点（如每10MHz一个点）。
2. 测量输出功率
   • 信号发生器输出固定功率（如-30dBm），功率计测量放大器输出功率。
   • 计算增益：G(f) = P_out(f) - P_in（dB）
3. 绘制增益曲线
   • 将增益数据导入软件（如Excel或MATLAB），拟合曲线并确定3dB带宽。

优点：成本低，适合低频或窄带放大器；缺点：效率低，误差可能较大。

四、关键注意事项

1. 阻抗匹配
   • 确保信号发生器、放大器、频谱分析仪/网络分析仪的阻抗均为50Ω，避免反射导致测量误差。
2. 功率控制
   • 信号发生器输出功率需低于放大器1dB压缩点（P₁dB），防止增益压缩影响带宽测量。
   • 示例：若放大器P₁dB为+20dBm，信号发生器输出功率应≤0dBm（考虑增益后输出≤+20dBm）。
3. 扫频参数设置
   • 扫频速度：过快可能导致频谱分析仪或网络分析仪无法准确捕捉信号。
   • 分辨率带宽（RBW）：RBW越小，频率分辨率越高，但扫描时间越长。通常设置为带宽的1/100~1/10。
4. 校准与验证
   • 使用已知带宽的标准放大器或滤波器验证测试系统准确性。
   • 定期校准信号发生器和测量仪器，确保频率和幅度精度。
5. 环境因素
   • 温度变化可能影响放大器增益和带宽，需在稳定环境中测量。
   • 避免电磁干扰（EMI），使用屏蔽线缆和测试罩。

五、典型应用场景

1. 射频放大器设计验证
   • 测量宽带放大器的3dB带宽，优化匹配网络和有源器件选型。
2. 功率放大器线性度评估
   • 在不同输入功率下测量带宽，分析增益压缩对带宽的影响。
3. 低噪声放大器（LNA）噪声匹配
   • 确保带宽覆盖目标信号频段，同时保持低噪声系数。
4. 收发模块测试
   • 验证发射通道放大器的带宽是否满足通信标准（如Wi-Fi 6的160MHz带宽）。

六、扩展功能：自动测试系统

通过编程控制信号发生器（如使用SCPI命令）和网络分析仪，可实现自动化带宽测量：

python
# 示例：使用Python控制Keysight信号发生器和网络分析仪
import pyvisa
rm = pyvisa.ResourceManager()
sg = rm.open_resource("TCPIP0::192.168.1.100::inst0::INSTR")  # 信号发生器
vna = rm.open_resource("TCPIP0::192.168.1.101::inst0::INSTR")  # 网络分析仪

# 设置信号发生器频率扫频
sg.write("FREQ:START 1GHz")
sg.write("FREQ:STOP 3GHz")
sg.write("POWER -10dBm")

# 触发网络分析仪扫描
vna.write("INIT:IMM")
vna.write("CALC:DATA? S21DB")  # 读取S₂₁幅度数据
data = vna.read_bytes(1024)

# 处理数据并计算带宽...

优势：提高测试效率，适合批量生产或研发迭代。