論如何簡化放大器和混頻器的測量

論如何簡化放大器和混頻器的測量

　　論文關鍵詞：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常進行測試的元器件。多端口測試系統可以同時實現高速度和高精度。新型VNA的內部設置有兩個內置RF信號源，內置兩個RF信號源來簡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法解決的一些困難和技術難點。
　　
　　目前產品設備中子系統集成程度不斷提高的發展趨勢，正在改變著對放大器和混頻器進行的測試方式，使得在測試過程中對儀表的設置更加簡單，測量時間更短，準確性更高。
　　
　　一、多端口測試系統可以同時實現高速度和高精度
　　傳統VNA使用一個作為激勵的RF信號源，并采用多路測量接收機來測量正反兩個方向上的入射、反射和傳輸信號；傳統VNA有兩個測試端口，因為早期的大多數器件只有一個或兩個端口。為了對多端口器件進行測量，就需要在被測器件(DUT)的各個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。現在，RF系統所使用的許多器件都有三、四個端口，多至七、八個端口的器件也變得越來越常見。導致器件端口數量提高的原因有兩個：一個是平衡元器件的廣泛使用，另一個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：
　　（一）兩個信號源
　　第二個內部信號源與第一個信號源的頻率和功率電平設置是相互獨立的。第二個信號源可用于非線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測試端口耦合器之前將兩個源合并在一起。這便簡化了需要兩個信號源的放大器測試設置。
　　（三）信號切換和接入點
　　輔助開關和射頻接入點能實現靈活的信號路徑選擇，并增加外部信號調理得硬件（如推動放大器）或外部測試設備（如數字信號發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生器提供完全一體化的脈沖S參數解決方案。
　　這些改進簡化了測試設置過程并在測量放大器、混頻器和變頻器時縮短了測試時間。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）進行一次連接可以實現的測量范圍。
　　
　　二、內置兩個RF信號源來簡化放大器和混頻器的測量
　　新型VNA的內部設置有兩個內置RF信號源，可以對IMD進行測量，而以前這主要通過兩個外接的信號源和一個頻譜分析儀來完成。基于VNA的測試方法使得在測試過程中對儀表的設置更加簡單、測量時間更短、準確性更高。內置兩個RF信號源進行放大器和混頻器的測量有三個優點。首先，只用一臺測試儀器，只進行一次連接便能對全部參數進行測量：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獨立的信號源進行同樣的測試，完成測試需要花幾分鐘的時間，但使用PNA-X只需0.6秒。
　　兩個內置信號源的性能增強，簡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）。 這對將放大器驅動到非線性區很有幫助，并且在把信號源用作測試混頻器的LO信號時也經常要這樣。這兩個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很容易就可以讓放大器從線性工作范圍轉化到非線性工作范圍。
　　
　　三、如何對放大器進行測量
　　對于放大器的測量，可以使用信號合路器將兩個信號合并，然后送到被測放大器（AUT）的輸入端。AUT的非線性會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入工作頻帶且不能通過濾波去除。實踐中，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。在掃描狀態下進行放大器測試，一個值得注意的改變是對功率電平而不是對頻率進行掃描，這有助于研發工程師們建立晶體管和放大器非線性行為模型。
　　相位與驅動的關系是用PNA-X很容易完成的另一種常見的雙信號源測試。這個測試參數表征的是當在相鄰通道或帶外存在大信號時，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大信號和一個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（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、在建立晶體管和放大器非線性行為模型時會用到的參數是“熱態S參數”，這種測試方法用來表征在某一給定頻率下，當存在一個比較大的偏離于S參數測試信號的另外一個輸入信號，并且被測放大器的輸出因為這個大信號的存在而產生壓縮時，放大器小信號S參數的特性。在進行熱態S參數測試時，注意不要讓被測放大器輸出的“熱信號”超出了矢量網絡分析儀測試接收機的損壞電平。

　　四、NXN技術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）、發射特性（駐波比、回波損耗、隔離度）、非線形（變頻壓縮、高階混頻產物、雙音IMD）等。
　　（一）常規測量法的主要缺點
　　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。這種方法在行業中已經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混頻器，一個的輸出用于鎖定VNA，另一個用于測量。混頻器常規測量法主要存在以下缺點：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進行校準，標準混頻器Golden Piece的任何損耗或損害都會破壞原有的參考標準；不同來源的產品的比較是很困難的；不能對源和負載匹配的測量進行修正；與進行“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法解決的一些困難和技術難點。NXN測量法，簡單的說，它是基于混頻器為互易器件的測量方法。其測量需要三個混頻器，由于混頻器1在兩個方向上都需要進行測量，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。該方法主要通過在校準時解三個方程求三個未知數，即通過三個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的測量得到一個一元一次方程并求出解。
　　混頻器是最常見的變頻器件，而變頻器件的測量一直以來都相對困難和復雜。傳統的測量方法包括使用功率計、頻譜儀、標量網絡分析儀、矢量網絡分析儀等。上文主要闡述了NXN技術（也可以叫三混頻器技術）在混頻器測試中的應用，通過這種方法，可以實現實時的誤差修正，同時測量連接方式簡單，一次測量就可以得到所有的參數。NXN測量法最大的優點就是可以直接對混頻器的幅度和相位進行測量，測量結果是絕對數據，不是相對數據，結果更準確；同時可以對系統誤差進行誤差校準，即12項誤差，如頻率響應、源匹配、負載匹配等，可以得到實時的12項誤差校準數據。
　　

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