論如何簡(jiǎn)化放大器和混頻器的測(cè)量

　　論文關(guān)鍵詞：放大器；混頻器；測(cè)量
　　論文摘要：在構(gòu)成射頻系統(tǒng)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(cè)試的元器件。多端口測(cè)試系統(tǒng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速度和高精度。新型VNA的內(nèi)部設(shè)置有兩個(gè)內(nèi)置RF信號(hào)源，內(nèi)置兩個(gè)RF信號(hào)源來(lái)簡(jiǎn)化放大器和混頻器的測(cè)量。對(duì)于放大器的測(cè)量，可以使用信號(hào)合路器將兩個(gè)信號(hào)合并，然后送到被測(cè)放大器（AUT）的輸入端；混頻器測(cè)量的NXN測(cè)量法有效的解決了常規(guī)測(cè)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(shè)備中子系統(tǒng)集成程度不斷提高的發(fā)展趨勢(shì)，正在改變著對(duì)放大器和混頻器進(jìn)行的測(cè)試方式，使得在測(cè)試過(guò)程中對(duì)儀表的設(shè)置更加簡(jiǎn)單，測(cè)量時(shí)間更短，準(zhǔn)確性更高。
　　
　　一、多端口測(cè)試系統(tǒng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速度和高精度
　　傳統(tǒng)VNA使用一個(gè)作為激勵(lì)的RF信號(hào)源，并采用多路測(cè)量接收機(jī)來(lái)測(cè)量正反兩個(gè)方向上的入射、反射和傳輸信號(hào)；傳統(tǒng)VNA有兩個(gè)測(cè)試端口，因?yàn)樵缙诘拇蠖鄶?shù)器件只有一個(gè)或兩個(gè)端口。為了對(duì)多端口器件進(jìn)行測(cè)量，就需要在被測(cè)器件(DUT)的各個(gè)端口之間多次變換測(cè)試電纜和端接負(fù)載，直到完成對(duì)所有端口的測(cè)量�，F(xiàn)在，RF系統(tǒng)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(dǎo)致器件端口數(shù)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(dāng)前手機(jī)中使用的前端模塊。為此，可以考慮增加測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試端口數(shù)量進(jìn)行放大器和混頻器的測(cè)量。多端口測(cè)試系統(tǒng)與使用傳統(tǒng)的兩端口VNA相比，大大地提高了測(cè)試速度。因?yàn)樗�有四大改進(jìn)：
　　（一）兩個(gè)信號(hào)源
　　第二個(gè)內(nèi)部信號(hào)源與第一個(gè)信號(hào)源的頻率和功率電平設(shè)置是相互獨(dú)立的。第二個(gè)信號(hào)源可用于非線性放大器測(cè)試如互調(diào)失真（IMD），或用作測(cè)試混頻器和變頻器的快速本地振蕩器（LO）。
　　（二）寬帶信號(hào)合路器
　　內(nèi)部信號(hào)合路器可以在儀器的相關(guān)測(cè)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(hào)源的放大器測(cè)試設(shè)置。
　　（三）信號(hào)切換和接入點(diǎn)
　　輔助開(kāi)關(guān)和射頻接入點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)靈活的信號(hào)路徑選擇，并增加外部信號(hào)調(diào)理得硬件（如推動(dòng)放大器）或外部測(cè)試設(shè)備（如數(shù)字信號(hào)發(fā)生器或矢量信號(hào)分析儀）。
　　（四）脈沖測(cè)試能力
　　內(nèi)部脈沖調(diào)制器和脈沖發(fā)生器提供完全一體化的脈沖S參數(shù)解決方案。
　　這些改進(jìn)簡(jiǎn)化了測(cè)試設(shè)置過(guò)程并在測(cè)量放大器、混頻器和變頻器時(shí)縮短了測(cè)試時(shí)間。這些新增加的特性結(jié)合在一起極大地?cái)U(kuò)大了對(duì)被測(cè)器件（DUT）進(jìn)行一次連接可以實(shí)現(xiàn)的測(cè)量范圍。
　　
　　二、內(nèi)置兩個(gè)RF信號(hào)源來(lái)簡(jiǎn)化放大器和混頻器的測(cè)量
　　新型VNA的內(nèi)部設(shè)置有兩個(gè)內(nèi)置RF信號(hào)源，可以對(duì)IMD進(jìn)行測(cè)量，而以前這主要通過(guò)兩個(gè)外接的信號(hào)源和一個(gè)頻譜分析儀來(lái)完成�；�于VNA的測(cè)試方法使得在測(cè)試過(guò)程中對(duì)儀表的設(shè)置更加簡(jiǎn)單、測(cè)量時(shí)間更短、準(zhǔn)確性更高。內(nèi)置兩個(gè)RF信號(hào)源進(jìn)行放大器和混頻器的測(cè)量有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，只用一臺(tái)測(cè)試儀器，只進(jìn)行一次連接便能對(duì)全部參數(shù)進(jìn)行測(cè)量：S參數(shù)、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(jì)對(duì)VNA進(jìn)行校準(zhǔn)之后，測(cè)量精度更高。最后，如果使用一臺(tái)頻譜分析儀和兩個(gè)獨(dú)立的信號(hào)源進(jìn)行同樣的測(cè)試，完成測(cè)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(nèi)置信號(hào)源的性能增強(qiáng)，簡(jiǎn)化了放大器和混頻器測(cè)量。例如，測(cè)試端口可利用的最大信號(hào)功率通常為+13至+20 dBm（取決于型號(hào)和頻率）。 這對(duì)將放大器驅(qū)動(dòng)到非線性區(qū)很有幫助，并且在把信號(hào)源用作測(cè)試混頻器的LO信號(hào)時(shí)也經(jīng)常要這樣。這兩個(gè)內(nèi)置信號(hào)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(cè)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性工作范圍轉(zhuǎn)化到非線性工作范圍。
　　
　　三、如何對(duì)放大器進(jìn)行測(cè)量
　　對(duì)于放大器的測(cè)量，可以使用信號(hào)合路器將兩個(gè)信號(hào)合并，然后送到被測(cè)放大器（AUT）的輸入端。AUT的非線性會(huì)引起與被放大的輸入信號(hào)一道出現(xiàn)的互調(diào)分量。在系統(tǒng)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(cè)三階分量，因?yàn)樗鼈兪窃斐上到y(tǒng)性能下降的最重要因素。在掃描狀態(tài)下進(jìn)行放大器測(cè)試，一個(gè)值得注意的改變是對(duì)功率電平而不是對(duì)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性行為模型。
　　相位與驅(qū)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(hào)源測(cè)試。這個(gè)測(cè)試參數(shù)表征的是當(dāng)在相鄰?fù)ǖ阑驇�外存在大信�?hào)時(shí)，放大器處理小信號(hào)的能力。測(cè)試的方法是把不同頻率的一個(gè)大信號(hào)和一個(gè)小信號(hào)合在一起然后送至被測(cè)放大器（AUT），然后在改變大信號(hào)的功率時(shí)（使用功率掃描），測(cè)量小信號(hào)的S21相位。
　　另一種使用雙信號(hào)源技術(shù)、在建立晶體管和放大器非線性行為模型時(shí)會(huì)用到的參數(shù)是“熱態(tài)S參數(shù)”，這種測(cè)試方法用來(lái)表征在某一給定頻率下，當(dāng)存在一個(gè)比較大的偏離于S參數(shù)測(cè)試信號(hào)的另外一個(gè)輸入信號(hào)，并且被測(cè)放大器的輸出因?yàn)檫@個(gè)大信號(hào)的存在而產(chǎn)生壓縮時(shí)，放大器小信號(hào)S參數(shù)的特性。在進(jìn)行熱態(tài)S參數(shù)測(cè)試時(shí)，注意不要讓被測(cè)放大器輸出的“熱信號(hào)”超出了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試接收機(jī)的損壞電平。

　　四、NXN技術(shù)在混頻器測(cè)試中的應(yīng)用
　　混頻器作為基本的頻率變換器件，其主要測(cè)量參數(shù)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）、非線形（變頻壓縮、高階混頻產(chǎn)物、雙音IMD）等。
　�。ㄒ唬┏Ｒ�(guī)測(cè)量法的主要缺點(diǎn)
　　常規(guī)的測(cè)量方法主要采用“已知混頻器”（Golden Piece）法。在這種方法中，測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)是與“已知混頻器”（Golden Piece）的數(shù)據(jù)的相對(duì)值。這種方法在行業(yè)中已經(jīng)被認(rèn)為是頻率變換器件測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量法。在測(cè)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(cè)量�；祛l器常規(guī)測(cè)量法主要存在以下缺點(diǎn)：對(duì)于不同參數(shù)的測(cè)量仍然需要不同的連接方式；由于使用標(biāo)準(zhǔn)混頻器Golden Piece進(jìn)行校準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)混頻器Golden Piece的任何損耗或損害都會(huì)破壞原有的參考標(biāo)準(zhǔn)；不同來(lái)源的產(chǎn)品的比較是很困難的；不能對(duì)源和負(fù)載匹配的測(cè)量進(jìn)行修正；與進(jìn)行“S”參數(shù)測(cè)量的連接方式不同。
　　（二）混頻器測(cè)量的NXN測(cè)量法
　　NXN測(cè)量法有效的解決了常規(guī)測(cè)量法所無(wú)法解決的一些困難和技術(shù)難點(diǎn)。NXN測(cè)量法，簡(jiǎn)單的說(shuō)，它是基于混頻器為互易器件的測(cè)量方法。其測(cè)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(cè)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(hào)，需要中頻濾波器。該方法主要通過(guò)在校準(zhǔn)時(shí)解三個(gè)方程求三個(gè)未知數(shù)，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(shù)代入對(duì)DUT的測(cè)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(cè)量一直以來(lái)都相對(duì)困難和復(fù)雜。傳統(tǒng)的測(cè)量方法包括使用功率計(jì)、頻譜儀、標(biāo)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(cè)試中的應(yīng)用，通過(guò)這種方法，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的誤差修正，同時(shí)測(cè)量連接方式簡(jiǎn)單，一次測(cè)量就可以得到所有的參數(shù)。NXN測(cè)量法最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以直接對(duì)混頻器的幅度和相位進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果是絕對(duì)數(shù)據(jù)，不是相對(duì)數(shù)據(jù)，結(jié)果更準(zhǔn)確；同時(shí)可以對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行誤差校準(zhǔn)，即12項(xiàng)誤差，如頻率響應(yīng)、源匹配、負(fù)載匹配等，可以得到實(shí)時(shí)的12項(xiàng)誤差校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
　　

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