Emily ＆ MacGyFu: 3月 2025

2025年3月5日星期三

功率放大器Ruggedness失配條件多少VSWR餘量才夠？

功率放大器最基本的特性指標為功率、線性度與效率，這是基本一定要滿足的指標，除此之外當然更重要的是產品的一致性、可靠性與健壯性Ruggedness[1]，一般功率放大器的規格書都會定義在特定的工作電壓(Voltage)、溫度(Temperature)、輸出功率(Output Power)、調製波形(Modulation)與阻抗失配下(output/input impedance mismatching)下會不會燒毀，其中輸出阻抗失配主要是要類比當天線失配的時候，功率放大器會不會突然掛掉，不同應用場景的放大器會有不同的規格，例如經典Phase II或Phase III 2G TXM模組會看到VSWR 15 to 1或20 to 1 ，MMPA模組會有VSWR 6 to 1 or 10 to 1這些規格，為什麼一樣是功率放大器規格會不一樣?

這個主要是取決模組使用的場景，會有高失配的場景大多是在天線被其它金屬干擾，例如iPhone 4曾經發生的天線門事件，手機天線設計在金屬外框，如果不帶殼的情況下接觸天線金屬面特定位置，天線阻抗可能會有比較大的失配，反映到待測物訊號會經過開關，匹配網路與其它器件，這些會有一定的損耗，透過阻抗轉移的公式[2][3]計算功率放大器看到的負載阻抗Γ_DUT為多少。

假設天線阻抗因為某些狀況開路或短路了，假設短路為Zmin為0.5Ω開路阻抗高達5000Ω，此時對應的反射係數Γ為0.98換算成VSWR高達100 to 1，聽起來很恐怖對吧，但透過公式計算可以在不同Loss (dB)的情況下，待測物看到的反射係數Γ DUT會下降很多，這也為什麼衰減器有時候也被稱為Matching Pad的原因。

以MMPA多模多頻功率放大器為例，輸出功率放大器到天線埠會經過匹配網路、雙工器Duplexer與數個開關路徑，下表是列出了天線阻抗或駐波比VSWR在100 to 1的時候，經過不同衰減值在待測物端看到的駐波比，因為濾波器回應的關係衰減值一般會落在2.5 ~ 4.0dB不等，用最小值2.5dB為例子原本VSWR 100 to 1會被縮到VSWR 3.5 to 1，這數字看起來就應該搞不死放大器才對。

下面用QUCS架設一下實驗環境，因為天線反射係數Γ是帶相位，這裡可以用一個無損的傳輸線來取代，類似機械阻抗調諧器(Load Pull Tuner)的原理[1]，一個等駐波比的值在史密斯圖上面會以50Ω為圓心的一個圓，經過一個2.5dB衰減器整個圈圈會縮小，如果衰減夠大例如10dB就會縮成一個點，也就是Matching Pad的功用。

如果以MMPA的極端案例來看，即使天線開路或短路，VSWR 也會縮到3.5 to 1 那VSWR 6 to 1 是不是有點測試過於嚴苛？但其實不然我們在看一下原本的假設是把功率放大器輸出匹配到50Ω，也就是VSWR 1 to 1的條件，所以公式中的S11與S22都會等於零，但實際上功率放大器匹配可能會為了某些特性把阻抗特定匹配到非50 Ω的位置，假設匹配到VSWR 1.5 to 1的位置，輸入匹配這裡用了電容與傳輸線來搭配來達成任意阻抗的調整，假設原始狀態傳導阻抗調整到了VSWR 1.5 to 1 相位在90deg的位置，這是參考了廠商LoadPull的資料讓效率最佳化。

此時天線突然失配到VSWR 100 to 1的任意相位，整個待測物看到的阻抗也會隨著這個平移向上，導致最大的VSWR從原本3.5 to 1變大到5.2 to 1，這已經相當接近VSWR 6 to 1了。

那有朋友可能會問，剛剛的例子是輸入阻抗VSWR 1.5 to 1 相位90度的情形，如果是其它相位呢？直覺上想其實最大的數值應該是不會變化，只會隨著不同初始位置繞一圈，但一樣可以用軟體協助我們把參數掃一圈最大的失配條件也是在VSWR 5:2 to 1，所以這個使用條件下MMPA Ruggedness測試VSWR 6 to 1不能說抓了太多餘量，這是考慮到實際匹配網路的應用場景，不然廠商也不是吃飽了沒事幹，要把自己玩死，畢竟一顆功率放大器沒多少錢，但壞了手機不只是某個頻段不能使用，燒毀短路通常會導致短路，這會讓手機發燙甚至無法開機使用。