认知无线网络常常假定其传输链路是可以即时开启和关闭的。然而实际上，直流功率被转化到射频功率放大器以实现完整的输出功率和线型需求之间是存在一些时延的。同时，功放在到达其静态工作条件之前也是存在额外的功率损耗的。这个发现来源于对功放的测量结果。这个结果表示为了能保证正常的运作，排除其他用户干扰带来的杂波失真，在输送能量之后和开始传输之前的时延是必须的。

图1 频谱切换所需的功放定期的开启和关闭

认知无线网络常常被认为是未来适用于极其宽的频段的移动通信标准的一种可行的选择^[1,2]。对于宽带认知无线网络，其中有多个通道可供分享，通过执行一种所谓的“频谱切换”技术，用户的吞吐量可以很大程度上得到提升，这种技术使得在当前运行的通道拥挤时，用户可以切换到空闲通道继续进行数据传输（如图1）。

频谱感知技术用于检测某些通道是否空闲。如果某个通道是空闲的，那么频谱切换就会发生。如图1所示，周期性的频谱感知和访问需要间歇的传动和临时切换频道。^[3]据推测，在传输链中，功放消耗了大量的电源功率，尤其假如高的峰值平均功率比就像现在使用的3G和LTE^[4]通信。为了能够节省电力，功放在传输时是关闭的而不是简单的处于待机的状态。然而通常，功放都被设计成了能够连续进行传输工作。通过被周期性的导通和关闭，功放常常不工作在它正常的工作模式，因此，制造商提供的静态规范将不再适用。

测量设置

图2 放大器导通测试实验原理图

图2阐述了我们使用数字采样示波器的测量方法。这种方法使得功放的射频输出电压和电流损耗能够同时被采样。一个信号发生器（a）产生一个触发信号控制晶体管开关（d），从而输送功率到射频功放（k）。这个触发信号能够直接通过数字示波器馈入，或者通过引可变时延（f）的一个10µs到100ms的555定时延时发生器（b）来实现。对于大于1s的时延，可以使用秒表结合示波器的手动触发来实现。这种时延使得功放的输出电压能够在一个时间偏移量内被采样。

图3 功放导通特性测试电路板

进行这项工作的功放是美国模拟器件公司的ADL5536^[5]，它的1dB压缩点为20dBm。选择的工作频率是600MHz，考虑到这个频段的传输特性和使用情况，这个电视空白频段常常被认为很适用于认知无线网络^[6]。放大器的电流损耗的测试是通过采样带有差分放大器的电流传感电阻的电压来实现的。一个射频信号发生器产生一个双音测试信号。图3给出了我们测试板的照片。其射频输入端连接的SMA接头在底端左侧，输出在底端右侧。上端左侧的SMA接头是触发信号的输入端，上端右侧是电流取样的输出。功放ADL5536在板子的底端，在它上面是一个晶体管，当触发信号出现时，它就接通电源。

双音测试^[7]产生的三阶互调失真（IMD3）通常假定与宽带信号，如LTE，产生的邻道功率（ACP）相等。为了精确的测试ACP，必须在多帧结果中平均。LTE信号的帧长度是10ms。稍后会看到，功放的线性特性在10ms的时间间隔内变化很大。在这项工作中，数据会在2微秒的时间间隔内被收集，而后对其进行快速傅立叶变化得到三阶互调失真。这种情况是假设三阶互调失真不会在2µs的时间发生显著变化。频率为600和610MHz的双频音测试产生的三阶互调失真频率通过快速傅里叶变换精确地得到是590MHz（2*600-610MHz）和620MHz（2*610-600MHz）。

导通时延和电源损耗

图4 双音测试下放大器的导通特性

双音测试显示的放大器的导通特性如图4所示，其显示了触发后9µs的运行情况。触发信号（绿色线）出现在1µs的时刻。射频输入电平已经调整在静态工作条件下，放大器的三阶互调失真达到了WCDMA-33dBc的辐射掩蔽。在这些条件下，输出功率是17.7dBm。尽管功放开始产生一个输出电压（蓝色线），但是是在触发信号发生2µs后（也就是在3µs时），而输出电压经过了4µs（也就是在5µs时）才达到它的最大幅度。功放的导通延时（Td），即到最大的输出电压所需时间，所以被定义为4µs。大电流峰值（红色线）是由于功放偏置网络需要时间来稳定和给电源去耦电容充电以达到稳定的工作条件。

^[8]在静态工作条件下，功放ADL5536在5V的电压下消耗106mA的电流和静态功率消耗530mW。输出功率为17.7dBm，效率为11%，这对于工作在这种条件下的这类功放来说是正常的。通过对1~5µs时间段内的电流消耗进行积分并减去静态功率消耗，剩下的用于导通功放的功率经过计算为590mW。功放在导通到数据传输之间的总的功率消耗可以由以下公式得到：

导通时的互调失真

图5 功放的三阶互调失真

图5显示了随着时间推移的三阶互调失真上下波动和-33dBc的WCDMA辐射掩蔽的比较情况。注意到3µs的结果是通过2和4µs的数据得来的，然而功放的输出功率仍然在加大。

图5显示的三阶互调失真的大幅波动很可能是因为功放的记忆效应，同时，也能解释其不对称性。记忆效应是不仅仅由当前信号幅度影响的失真，同时也受到过去值的影响。这其中包含了热效应，即由于功率损耗导致温度上升从而引起了放大器偏置条件的改变。

在达到静态工作条件前，低的三阶互调失真波动了12dB，高的三阶互调失真波动了9dB。在10微秒时，辐射掩蔽被冲破大约0.25dB而在100ms时候，它又差点被冲破。由于记录的数据间隔比较大，因此可能在这些数据间隔之间，辐射掩蔽也存在被冲破的情况。基于这种情况，认知无线网络要开始传输前至少等待10µs以避免发生冲破辐射掩蔽的情况。然而，为了能够完全确定，它得等待100ms，说明这种特殊的功放并不适合一些发表的情况。

导通时的谐波失真

在导通时（如图4），输出电压显示出不对称的正负偏移。这种不对称在输入频率的倍频程引入了偶数阶的谐波失真。传统的窄带系统是通过滤波来去除谐波信号的，但是这对于工作在多个倍频程的宽带认知无线网络是几乎不可行的，因为这些与谐波相关的寄生参量会很容易影响到其他的用户。

图6 相对于基波的二阶谐波功率

双音测试的三个二次谐波被测出分别为：1200MHz（2*600MHz），1210MHz（600+610MHz），1220MHz（2*610MHz）。它们的混合功率和两个基波的混合功率的计算结果用以确定二次谐波抑制（如图6）。如图5中所示，第一个结果（在3µs处）是在触发信号后的2到4µs之间记录的数据。图6显示，在触发后2到4µs之间的二次谐波非常大。它稳定下来之后，仍然持续波动大约6dB。即使功放在静态工作条件下达到了杂散谐波的辐射掩蔽，3µs的尖峰电压也没有达到。在传输发生前10µs的时延是需要的，这与图5所示的三阶互调失真的结果是一致的。

结论

本文检测了一个射频功放的导通特性。测试结果显示功放需要4微秒来达到完满的输出功率，在这期间需要消耗590mW的功率，其中包括功放530mW的静态功率消耗。考虑到发表文献中提到的例子，这些时延和功率损耗都是微不足道的；然而，功放产生的明显的寄生失真参量是不可忽略的。三阶互调失真和二阶谐波失真都经过了检测。其数据表明，在开始传输前，功放接通电源之后的10µs是至少要等待的时间。一种保守的做法是将等待时间延长到100ms。这是功放所带来的。任何在周期性开启和关闭的认知无线网络（例如周期性频谱感知和频谱切换）上使用的功放都应该进行类似的测试。

这项工作说明了功放已经不能够被当成黑箱子来对待。当设计一个认知无线网络时，都必须将功放合适的延时考虑在内，从而使它能共充分的“热身”以达到稳定的工作状态。为了防止虚假的信息对其他用户产生的影响，在“热身”器件是不允许进行信号传输的。这个发现同样适用于其他的功放周期性开关的应用。

感谢

特别感谢布里斯托大学为本文测试提供的仪器。