射频基础知识：如何测量P1dB和OIP3

一、非线性效应简介：谐波与互调产物

射频信号质量是设计射频系统时的核心问题。大多数射频电路都要工作在线性工作区，简单说就是：输出功率=输入功率×固定放大倍数，成正比例关系。

一旦输入功率太大，超出了线性范围，电路就会开始“失真”，主要会在输出端产生两种干扰信号：谐波和互调产物。

- 谐波：没用的干扰信号，频率正好是输入信号频率的整数倍（比如2倍、3倍）。

- 互调产物更复杂一点。

如果同时输入两个频率很近的信号f1、f2，而且功率大到让电路进入非线性区，这两个频率就会互相“打架、混频”，除了输出原本的f1、f2信号，还会产生两者的和频、差频信号。

不仅如此，它们还会和各自的谐波继续混频。

其中有两个频率特别麻烦：2f1−f2和2f2−f1。这两个干扰信号离原信号 f1、f2非常近，很难用滤波器滤掉。

一般来说，阶数越高的谐波和互调产物，幅度会越小，对整体信号质量的影响也相对更小。

下图展示了谐波和互调产物的示意图。

想要判断射频器件（尤其是射频放大器）的线性工作范围，常用两种测试：

一种是1dB 压缩点（P1dB）测试，另一种是三阶截点（IP3）测试。

我们可以利用很多测试设备，精准、稳定地完成这些测试。下面详细讲这两种测试。

1、1dB压缩点（P1dB）测试

P1dB，也就是1dB压缩点，用来衡量一个器件的线性工作范围。

下图是典型的P1dB测试连接示意图。

我们可以使用双通道射频信号源，其工作频率8GHz～12.5GHz，可用于P1dB测试。虽然这个测试用不上双通道，但在IP3测试时就很实用，能减少测试仪器数量，简化被测器件（DUT）的测试setup。测量被测件输出功率时，我们可以使用真有效值的功率探头。

我们先在仪器上设置好要测试的频率，然后逐步加大被测件的射频输入功率（Pin），同时测量对应的射频输出功率（Pout）。

把输入功率和输出功率的关系画成图，就会得到类似下图的曲线。

- 输入功率很小时，输出基本在噪声底。

- 输入功率慢慢加大，器件进入线性工作区：

输出功率≈输入功率×固定倍数

这个倍数（Pout/Pin）就是器件增益，在线性区里增益基本不变。

- 继续加大输入，器件就“带不动”了，输出功率开始变缓、走平。

当实际输出功率，比理想线性输出低了1dB时，这个点就叫1dB压缩点（P1dB）。

简单理解：到了1dB压缩点，器件就开始明显“失真、压缩”，不再线性工作了。

三阶截点（IP3）是用来衡量器件产生失真程度的一个理论参考值。

之所以说是理论值，是因为器件在真正达到IP3点之前，就已经进入压缩失真了。

该指标可以通过双音信号法进行测试，如下图所示。

前面讲过（见图1），把两个频率很接近的射频信号输入器件后，会在靠近原信号频率的位置产生三阶互调产物。

这些信号最容易在本信道和相邻信道产生干扰。

三阶产物的幅度（用dB表示）上升速度，是基波信号的三倍。

当基波信号的功率与三阶信号功率相等时，这个交点就叫三阶截点（IP3）。

因为放大器在到达IP3之前就已经进入压缩区了，所以IP3并不是实际测出来的，而是把测量曲线延长，直到两条线相交得到的理论值。

这一点连同P1dB一起，在下图中有直观展示。

搭建一套稳定可靠的测试系统，用于测量 1dB 压缩点（P1dB）和三阶截点（IP3），有助于准确评估射频放大器及其他射频器件，在线性区和非线性区的实际工作表现。