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        1. 混頻器IP3的測量以及測試誤差的來源分析

          2021-09-06 來源:微波射頻網 作者:J 字號:

          混頻器線性度一直是射頻系統設計面臨的一個關鍵問題?;祛l器的非線性會產生不需要的、不可濾的雜散、互調和非線性失真。例如,非線性混頻可能導致不希望的雜散,例如2fRF?2fLO 或2fRF?fLO 頻率分量,加劇射頻系統頻譜再生問題。

          1、IP3和IMD

          IP3是分析雙音信號與其產生的互調項之間的關系的線性品質因數。

          PInput 是雙音射頻輸入信號的平均功率。PFund 是頻率 的平均功率。PIMD3 處的交調產物的平均功率(注意這里,非變頻器件的三階產物應該是2f1-f2和2f2-f1;變頻器件雙音互調后,再與LO變頻得到。

          圖1.1 混頻器的輸出理論頻譜

          IIP3和OIP3都可以評估器件的非線性,混頻器中IP3的計算方式可以看下圖,頻譜中包含不需要的雜散,其中越靠近載波的雜散信號,越難濾掉。

          圖1.2 混頻器的實測頻譜

          首先需要明確混頻器的IMD產物和雜散產物的區別。IMD是由多個接近的輸入頻率產生, ,一般認為不是由RF/IF和LO的諧波混合產生的。比如 一般被認為是IMD產物;而1fLO-3fRF 被認為是雜散,是RF的諧波和LO產生的。

          圖1.3 DUT是一個6GRF到下變頻到300MIF

          2、實測結果

          測試方法:固定LO為5.701G,測量RF 6G±0.5M下變頻到299M±0.5M后的頻譜。

          圖2.1 混頻器輸入/輸出接口

          f1 是6.0005G單音信號,功率0dBm;f2 是5.9995G單音信號,功率0dBm。為避免測量誤差,使用功率計在下圖中校準平面校準基波的功率。(校準時,必須單獨每個tone輸出接功率計測量,否則功率計是把所有頻率的所有信號全部計算在內,包括雜散,會造成功率誤差。)

          圖2.2 快速但不理想的混合器IP3測量。

          然后校準LO端功率,此時LO輸出功率一定要大,LO功率過小的話,無法驅動混頻器正常工作(比如得到不正常的變頻損耗),可能得到不正確的ip3測量結果,這里用+15dBm@5.701G的LO重復多次功率校準。

          校準后,按上圖連接。當我們計算IP3值時,我們通常會平均兩個輸入頻率和兩個IMD雜散的功率??梢韵扔嬎慊祛l器的OIP3,然后再計算混頻器的IIP3,因為輸入功率是已知的。

          = (-8.55+-8.28)/2 + {(-8.55+-8.28)/2-(-54.02+-53.93)/2}/2 = +14.4dBm

          圖2.3 實測DUT的IF輸出頻譜

          對于這種直接頻譜測量,結果看上去沒什么問題。但我們沒有考慮測量中的非理想情況,比如測試原理、測試系統帶來的誤差。

          3、測試誤差來源分析

          3.1 誤差來源1

          一個主要誤差來源是兩個RF輸入合成器之間的串擾。所有信號發生器都有鎖相環(PLL),可將輸出頻率鎖定到內部(或外部)參考頻率。當在信號發生器的輸出端口出現反向信號時,無論是來自不匹配負載的反射功率,還是來自外部信號源的串擾,PLL鑒相器都會做出響應。而信號發生器的輸出端口的反向隔離也是有限的,反向信號的功率會泄漏到鑒相器中。

          圖3.1 可能的反向信號泄露到鎖相環的路徑

          而這個反向信號是怎么來的?如圖3.2中所示,由于功分器的2個輸出端口的隔離是有限的,并非理想隔離無窮大。導致2個信號源產生的信號會相互串擾。

          Wilkinson功分器兩個輸出端的隔離遠大于電阻式功分器,從功分器的一個輸出端口泄露到另一個輸出端口的功率會更低。使用Wilkinson功分器代替電阻式功分器,則串擾應該會減少。

          圖3.2 功分器的隔離有限,導致2個信號源之間發生串擾

          圖3.3 使用Wilkinson功分器進行混頻器IP3測量得到的結果,有改善。

          3.2 誤差來源2

          所有頻譜儀在其IF包絡檢波器電路之前都有一個前端混頻器,該混頻器限制了系統的動態范圍。為確保頻譜儀的混頻器不會讓其自身產生諧波成分并干擾測量,必須衰減進入頻譜儀的功率以防止頻譜儀接收機過載。目的是抑制頻譜儀的前端混頻器重新混頻高階互調產物。

          DUT的IIP3大概為+22dBm,簡單計算,對于進入頻譜儀的輸入功率(兩個IF音調為-8dBm),則要求頻譜儀本底噪聲要小于-70dBm。

          如果在上面的測試環境中,增大頻譜儀前端衰減器,發現測試結果有較大改善,說明此時頻譜儀混頻器發生了壓縮。

          總之,為了使結果更可信,測量設備的動態范圍必須遠高于用于測量數據時使用功率范圍。

          主題閱讀:混頻器
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