1、交调失真的意义

非线性DUT(例如LNA、PA、塔放),当输入多个频率的信号时,各个频谱分量之间会产生互相作用,产生新的频谱分量(频谱再生);当输入信号足够小放大器工作在线性区,交调失真不会恶化,保持在一个比较均衡的水平;随着输入到DUT的功率的增大,放大器逐渐进入压缩区,交调失真将发生快速恶化。

 

假设两个频率信号分别是f1和f2,那么三阶交调分量的频率为2f1-f2和2f2-f1,并且2f1-f2和2f2-f1这两个频率紧挨f1、f2,因此会干扰工作带内频率信息,如图1.1所示。而偶次阶交调产生的产物比如f2-f1距离主音信号较远,一般不关注偶次交调产物。

 

图1.1 有源器件交调失真产生的频率信号

 

图1.2 OIP3、P1dB与Pin、Pout的关系

 

由图1.2图可以看出,当主音信号输入功率每增加1dB,3阶交调产物输出功率就会增加3dB,Pin逐渐增加至理想线性Pout虚线延长线与三阶交调信号虚线延长线相交,对应的输出功率为OIP3;此时的IIP3被定义为输入三阶交调截取点(INPUT THIRD-ORDERINTERCEPT POINT),OIP3被定义为输出三阶交调截取点(OUTPUT THIRD-ORDERINTERCEPT POINT)。

 

2、交调失真的测试原理

2.1 表征交调失真的参数

1).Tone Power

主音调信号输出的功率值,dBm;

 

2). Tone Gain

放大器的增益,通过主音Pout、Pin可以计算得到

 

3). Intermodulation Distortion

IMD是衡量主音信号与交调产物的差值,IMD越大表明此时交调越小,如图1.1中虚线处,计算公式:

IMD3(dB)=Pout-IM3

 

4). Intercept Point Parameters

随着主音信号输出功率的增加(图1.1中黑色箭头),交调产物输出功率以更陡的速率增加(图1.1中蓝色、绿色箭头)。在功率提高到某种程度,交调产物功率将等于主信号的功率,此时的功率等级被称为截距点,但这一般是不可实现的,只能根据线性区测试结果来预测。

 

2.2 OIP3的测试原理

2.2.1 使用1台信号源+频谱仪——通过谐波计算OIP3,该方法使用较少,但计算结果与打入双音信号测量计算出来的结果相同,后面的文章可单独讲解;

 

2.2.2 使用1台信号源+频谱仪——通过1台信号源调制双音信号,打入DUT,使用频谱仪直接测量IM3计算OIP3

 

2.2.3 使用2台信号源+频谱仪——通过信号源分别出单音信号再经合路,再进入DUT,使用频谱仪直接测量IM3计算OIP3

 

这种测试方法是按照图2.1搭建测试环境,向DUT打入2个单音信号,测出DUT输出端单音信号的幅度和三阶交调产物的幅度,再带入公式计算。

 

图2.1 一般DUT OIP3测试环境搭建

 

1). 利用2个信号源分别输出频率间隔Δf(Δf=5MHz)的两个信号f1和f2,然后这两个信号经过合成器送到DUT,在合路之前最好分别串联一个环形器,减少信号源之间的相互串扰;

2). 调节2个信号源使DUT工作在指定的功率下;

3). 观测频谱仪,计算出主音信号幅度和三阶交调产物幅度差值,即IMD3,单位dBc;

4). 根据主音信号输出功率和IMD3,计算出OIP3,单位dBm,公式如下:

OIP3= Pout+ IMD3/2

 

图2.2 某个DUT再1GHz小功率工作时OIP3的频谱

 

2.3.4 使用矢网测试——通过矢网的两个内置source分别出单音信号再经过合路,再进入DUT,测量DUT输出端单音信号的幅度和三阶交调产物的幅度由矢网完成,并且矢网可以设置超宽频率超大带宽扫频测试,可快速准确的进行OIP3的频域响应特性测试;

 

图2.3 为配置PNA来生成两个单音信号,再经过耦合器合路进入DUT;DUT输出端接入矢网接收机,矢网对接收到的信号进行FFT后,即可计算出单音信号的幅度和三阶交调产物的幅度。

 

图2.3 利用矢网测量OIP3 block diagram

 

图2.4 矢网内部source configuration

 

1). 选择sweep fc模式,设置扫描中心频率起始点、截止点和双音信号间隔;

 

图2.5 配置扫频测量OIP3扫描模式

 

2). 配置配置扫频功率点信息,可以target input功率,也可以target output功率;设置source和receiver衰减器,以提供足够小的DUT输入功率和矢网接收机保护;

 

图2.6 配置扫频功率点信息

 

3). 调出关注的曲线,一般关注PowerIN、PowerOUT、OIP3_Hi、OIP3_Low、OIP3_Avg、IMD3等曲线;

4). 使用功率计和电子校准件校准;

5). 连接DUT从小信号开始测试。

 

3、总结

要得到较准确的OIP3测量结果,需要在测试环境上做以下优化:

1). 使用高质量的信号源

信号源也是由各类有源器件搭建的一台仪表,因此信号源本身也会产生交调;当信号源输出大功率信号时,由于信号源内部一些器件可能进入非线性状态,使输出信号质量大大降低,可能产生杂波或多次谐波,质量差的信号进入DUT,测得的失真信号不能准确的判断是否由DUT产生;因此需选用高质量的信号源,噪声要低。

 

2). 隔离2个信号源,减小相互干扰

可使用环形器或隔离器等单向器件来隔离两路信号,降低信号源之间的干扰,从而提高整个测试系统的动态范围。

 

3). 使用线性好的功率合成器

功率合成器也有一定的非线性,当灌入强信号时也会产生同频交调分量;采用阻性功率合成器(威尔金森功分器,-3dB)具有非常大的动态范围,不会产生交调分量,并且各个端口具有良好的匹配性。

 

4). 使用动态范围大的频谱分析仪

频谱仪测量同时测量较小的交调产物信号和较大的主音信号,因此需选用大动态范围的频谱分析仪。

 

5). 需判断测试结果的有效性

测试IP3时不能忽略频谱仪的非线性,输入DUT的强单音信号同样会在频谱仪中产生交调分量。当该交调分量较大时就需判断测量到的交调分量主要是DUT产生的还是频谱仪自身产生的,即判断测试结果是否有效。