論如何簡(jiǎn)化放大器和混頻器的測量

　　論文關(guān)鍵詞：放大器；混頻器；測量
　　論文摘要：在構成射頻系統的基本部件中，放大器和混頻器等都是需要經(jīng)常進(jìn)行測試的元器件。多端口測試系統可以同時(shí)實(shí)現高速度和高精度。新型VNA的內部設置有兩個(gè)內置RF信號源，內置兩個(gè)RF信號源來(lái)簡(jiǎn)化放大器和混頻器的測量。對于放大器的測量，可以使用信號合路器將兩個(gè)信號合并，然后送到被測放大器（AUT）的輸入端；混頻器測量的NXN測量法有效的解決了常規測量法所無(wú)法解決的一些困難和技術(shù)難點(diǎn)。
　　
　　目前產(chǎn)品設備中子系統集成程度不斷提高的發(fā)展趨勢，正在改變著(zhù)對放大器和混頻器進(jìn)行的測試方式，使得在測試過(guò)程中對儀表的設置更加簡(jiǎn)單，測量時(shí)間更短，準確性更高。
　　
　　一、多端口測試系統可以同時(shí)實(shí)現高速度和高精度
　　傳統VNA使用一個(gè)作為激勵的RF信號源，并采用多路測量接收機來(lái)測量正反兩個(gè)方向上的入射、反射和傳輸信號；傳統VNA有兩個(gè)測試端口，因為早期的大多數器件只有一個(gè)或兩個(gè)端口。為了對多端口器件進(jìn)行測量，就需要在被測器件(DUT)的各個(gè)端口之間多次變換測試電纜和端接負載，直到完成對所有端口的測量�，F在，RF系統所使用的許多器件都有三、四個(gè)端口，多至七、八個(gè)端口的器件也變得越來(lái)越常見(jiàn)。導致器件端口數量提高的原因有兩個(gè)：一個(gè)是平衡元器件的廣泛使用，另一個(gè)是子組件的集成程度不斷提高，如當前手機中使用的前端模塊。為此，可以考慮增加測試系統的測試端口數量進(jìn)行放大器和混頻器的測量。多端口測試系統與使用傳統的兩端口VNA相比，大大地提高了測試速度。因為它有四大改進(jìn)：
　　（一）兩個(gè)信號源
　　第二個(gè)內部信號源與第一個(gè)信號源的頻率和功率電平設置是相互獨立的。第二個(gè)信號源可用于非線(xiàn)性放大器測試如互調失真（IMD），或用作測試混頻器和變頻器的快速本地振蕩器（LO）。
　　（二）寬帶信號合路器
　　內部信號合路器可以在儀器的相關(guān)測試端口耦合器之前將兩個(gè)源合并在一起。這便簡(jiǎn)化了需要兩個(gè)信號源的放大器測試設置。
　�。ㄈ�）信號切換和接入點(diǎn)
　　輔助開(kāi)關(guān)和射頻接入點(diǎn)能實(shí)現靈活的信號路徑選擇，并增加外部信號調理得硬件（如推動(dòng)放大器）或外部測試設備（如數字信號發(fā)生器或矢量信號分析儀）。
　　（四）脈沖測試能力
　　內部脈沖調制器和脈沖發(fā)生器提供完全一體化的脈沖S參數解決方案。
　　這些改進(jìn)簡(jiǎn)化了測試設置過(guò)程并在測量放大器、混頻器和變頻器時(shí)縮短了測試時(shí)間。這些新增加的特性結合在一起極大地擴大了對被測器件（DUT）進(jìn)行一次連接可以實(shí)現的測量范圍。
　　
　　二、內置兩個(gè)RF信號源來(lái)簡(jiǎn)化放大器和混頻器的測量
　　新型VNA的內部設置有兩個(gè)內置RF信號源，可以對IMD進(jìn)行測量，而以前這主要通過(guò)兩個(gè)外接的信號源和一個(gè)頻譜分析儀來(lái)完成�；�于VNA的測試方法使得在測試過(guò)程中對儀表的設置更加簡(jiǎn)單、測量時(shí)間更短、準確性更高。內置兩個(gè)RF信號源進(jìn)行放大器和混頻器的測量有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，只用一臺測試儀器，只進(jìn)行一次連接便能對全部參數進(jìn)行測量：S參數、增益壓縮、輸出諧波、IMD等等。其次，與使用頻譜分析儀相比，用功率計對VNA進(jìn)行校準之后，測量精度更高。最后，如果使用一臺頻譜分析儀和兩個(gè)獨立的信號源進(jìn)行同樣的測試，完成測試需要花幾分鐘的時(shí)間，但使用PNA-X只需0.6秒。
　　兩個(gè)內置信號源的性能增強，簡(jiǎn)化了放大器和混頻器測量。例如，測試端口可利用的最大信號功率通常為+13至+20 dBm（取決于型號和頻率）。 這對將放大器驅動(dòng)到非線(xiàn)性區很有幫助，并且在把信號源用作測試混頻器的LO信號時(shí)也經(jīng)常要這樣。這兩個(gè)內置信號源的諧波成分也非常低（通常為–60 dBc 或更低），從而提高諧波和IMD測量的精度，在表征放大器的特性時(shí)很容易就可以讓放大器從線(xiàn)性工作范圍轉化到非線(xiàn)性工作范圍。
　　
　　三、如何對放大器進(jìn)行測量
　　對于放大器的測量，可以使用信號合路器將兩個(gè)信號合并，然后送到被測放大器（AUT）的輸入端。AUT的非線(xiàn)性會(huì )引起與被放大的輸入信號一道出現的互調分量。在系統中，這些多余的分量將進(jìn)入工作頻帶且不能通過(guò)濾波去除。實(shí)踐中，只測三階分量，因為它們是造成系統性能下降的最重要因素。在掃描狀態(tài)下進(jìn)行放大器測試，一個(gè)值得注意的改變是對功率電平而不是對頻率進(jìn)行掃描，這有助于研發(fā)工程師們建立晶體管和放大器非線(xiàn)性行為模型。
　　相位與驅動(dòng)的關(guān)系是用PNA-X很容易完成的另一種常見(jiàn)的雙信號源測試。這個(gè)測試參數表征的是當在相鄰通道或帶外存在大信號時(shí)，放大器處理小信號的能力。測試的方法是把不同頻率的一個(gè)大信號和一個(gè)小信號合在一起然后送至被測放大器（AUT），然后在改變大信號的功率時(shí)（使用功率掃描），測量小信號的S21相位。
　　另一種使用雙信號源技術(shù)、在建立晶體管和放大器非線(xiàn)性行為模型時(shí)會(huì )用到的參數是“熱態(tài)S參數”，這種測試方法用來(lái)表征在某一給定頻率下，當存在一個(gè)比較大的偏離于S參數測試信號的另外一個(gè)輸入信號，并且被測放大器的輸出因為這個(gè)大信號的存在而產(chǎn)生壓縮時(shí)，放大器小信號S參數的特性。在進(jìn)行熱態(tài)S參數測試時(shí)，注意不要讓被測放大器輸出的“熱信號”超出了矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀測試接收機的損壞電平。

　　四、NXN技術(shù)在混頻器測試中的應用
　　混頻器作為基本的頻率變換器件，其主要測量參數有傳輸特性（變頻損耗、相位、群延遲）、發(fā)射特性（駐波比、回波損耗、隔離度）、非線(xiàn)形（變頻壓縮、高階混頻產(chǎn)物、雙音IMD）等。
　�。ㄒ唬┏Ｒ帨y量法的主要缺點(diǎn)
　　常規的測量方法主要采用“已知混頻器”（Golden Piece）法。在這種方法中，測量獲得的數據是與“已知混頻器”（Golden Piece）的數據的相對值。這種方法在行業(yè)中已經(jīng)被認為是頻率變換器件測量的標準測量法。在測量中要用到兩個(gè)混頻器，一個(gè)的輸出用于鎖定VNA，另一個(gè)用于測量�；祛l器常規測量法主要存在以下缺點(diǎn)：對于不同參數的測量仍然需要不同的連接方式；由于使用標準混頻器Golden Piece進(jìn)行校準，標準混頻器Golden Piece的任何損耗或損害都會(huì )破壞原有的參考標準；不同來(lái)源的產(chǎn)品的比較是很困難的；不能對源和負載匹配的測量進(jìn)行修正；與進(jìn)行“S”參數測量的連接方式不同。
　　（二）混頻器測量的NXN測量法
　　NXN測量法有效的解決了常規測量法所無(wú)法解決的一些困難和技術(shù)難點(diǎn)。NXN測量法，簡(jiǎn)單的說(shuō)，它是基于混頻器為互易器件的測量方法。其測量需要三個(gè)混頻器，由于混頻器1在兩個(gè)方向上都需要進(jìn)行測量，所以要求混頻器1為雙向混頻器。由于需要濾出鏡頻信號，需要中頻濾波器。該方法主要通過(guò)在校準時(shí)解三個(gè)方程求三個(gè)未知數，即通過(guò)三個(gè)三元一次方程得到唯一解的辦法，然后將解出的參數代入對DUT的測量得到一個(gè)一元一次方程并求出解。
　　混頻器是最常見(jiàn)的變頻器件，而變頻器件的測量一直以來(lái)都相對困難和復雜。傳統的測量方法包括使用功率計、頻譜儀、標量網(wǎng)絡(luò )分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀等。上文主要闡述了NXN技術(shù)（也可以叫三混頻器技術(shù)）在混頻器測試中的應用，通過(guò)這種方法，可以實(shí)現實(shí)時(shí)的誤差修正，同時(shí)測量連接方式簡(jiǎn)單，一次測量就可以得到所有的參數。NXN測量法最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以直接對混頻器的幅度和相位進(jìn)行測量，測量結果是絕對數據，不是相對數據，結果更準確；同時(shí)可以對系統誤差進(jìn)行誤差校準，即12項誤差，如頻率響應、源匹配、負載匹配等，可以得到實(shí)時(shí)的12項誤差校準數據。
　　

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