混頻器線性度一直是射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的一個(gè)關(guān)鍵問題?;祛l器的非線性會(huì)產(chǎn)生不需要的、不可濾的雜散、互調(diào)和非線性失真。例如,非線性混頻可能導(dǎo)致不希望的雜散,例如2fRF?2fLO 或2fRF?fLO 頻率分量,加劇射頻系統(tǒng)頻譜再生問題。
1、IP3和IMD
IP3是分析雙音信號與其產(chǎn)生的互調(diào)項(xiàng)之間的關(guān)系的線性品質(zhì)因數(shù)。
PInput 是雙音射頻輸入信號的平均功率。PFund 是頻率
和
的平均功率。PIMD3 是
和
處的交調(diào)產(chǎn)物的平均功率(注意這里,非變頻器件的三階產(chǎn)物應(yīng)該是2f1-f2和2f2-f1;變頻器件雙音互調(diào)后,再與LO變頻得到
和
。
圖1.1 混頻器的輸出理論頻譜
IIP3和OIP3都可以評估器件的非線性,混頻器中IP3的計(jì)算方式可以看下圖,頻譜中包含不需要的雜散,其中越靠近載波的雜散信號,越難濾掉。
圖1.2 混頻器的實(shí)測頻譜
首先需要明確混頻器的IMD產(chǎn)物和雜散產(chǎn)物的區(qū)別。IMD是由多個(gè)接近的輸入頻率產(chǎn)生,
和
,一般認(rèn)為不是由RF/IF和LO的諧波混合產(chǎn)生的。比如
一般被認(rèn)為是IMD產(chǎn)物;而1fLO-3fRF 被認(rèn)為是雜散,是RF的諧波和LO產(chǎn)生的。
圖1.3 DUT是一個(gè)6GRF到下變頻到300MIF
2、實(shí)測結(jié)果
測試方法:固定LO為5.701G,測量RF 6G±0.5M下變頻到299M±0.5M后的頻譜。
圖2.1 混頻器輸入/輸出接口
f1 是6.0005G單音信號,功率0dBm;f2 是5.9995G單音信號,功率0dBm。為避免測量誤差,使用功率計(jì)在下圖中校準(zhǔn)平面校準(zhǔn)基波的功率。(校準(zhǔn)時(shí),必須單獨(dú)每個(gè)tone輸出接功率計(jì)測量,否則功率計(jì)是把所有頻率的所有信號全部計(jì)算在內(nèi),包括雜散,會(huì)造成功率誤差。)
圖2.2 快速但不理想的混合器IP3測量。
然后校準(zhǔn)LO端功率,此時(shí)LO輸出功率一定要大,LO功率過小的話,無法驅(qū)動(dòng)混頻器正常工作(比如得到不正常的變頻損耗),可能得到不正確的ip3測量結(jié)果,這里用+15dBm@5.701G的LO重復(fù)多次功率校準(zhǔn)。
校準(zhǔn)后,按上圖連接。當(dāng)我們計(jì)算IP3值時(shí),我們通常會(huì)平均兩個(gè)輸入頻率和兩個(gè)IMD雜散的功率。可以先計(jì)算混頻器的OIP3,然后再計(jì)算混頻器的IIP3,因?yàn)檩斎牍β适且阎摹?/p>
= (-8.55+-8.28)/2 + {(-8.55+-8.28)/2-(-54.02+-53.93)/2}/2 = +14.4dBm
圖2.3 實(shí)測DUT的IF輸出頻譜
對于這種直接頻譜測量,結(jié)果看上去沒什么問題。但我們沒有考慮測量中的非理想情況,比如測試原理、測試系統(tǒng)帶來的誤差。
3、測試誤差來源分析
3.1 誤差來源1
一個(gè)主要誤差來源是兩個(gè)RF輸入合成器之間的串?dāng)_。所有信號發(fā)生器都有鎖相環(huán)(PLL),可將輸出頻率鎖定到內(nèi)部(或外部)參考頻率。當(dāng)在信號發(fā)生器的輸出端口出現(xiàn)反向信號時(shí),無論是來自不匹配負(fù)載的反射功率,還是來自外部信號源的串?dāng)_,PLL鑒相器都會(huì)做出響應(yīng)。而信號發(fā)生器的輸出端口的反向隔離也是有限的,反向信號的功率會(huì)泄漏到鑒相器中。
圖3.1 可能的反向信號泄露到鎖相環(huán)的路徑
而這個(gè)反向信號是怎么來的?如圖3.2中所示,由于功分器的2個(gè)輸出端口的隔離是有限的,并非理想隔離無窮大。導(dǎo)致2個(gè)信號源產(chǎn)生的信號會(huì)相互串?dāng)_。
Wilkinson功分器兩個(gè)輸出端的隔離遠(yuǎn)大于電阻式功分器,從功分器的一個(gè)輸出端口泄露到另一個(gè)輸出端口的功率會(huì)更低。使用Wilkinson功分器代替電阻式功分器,則串?dāng)_應(yīng)該會(huì)減少。
圖3.2 功分器的隔離有限,導(dǎo)致2個(gè)信號源之間發(fā)生串?dāng)_
圖3.3 使用Wilkinson功分器進(jìn)行混頻器IP3測量得到的結(jié)果,有改善。
3.2 誤差來源2
所有頻譜儀在其IF包絡(luò)檢波器電路之前都有一個(gè)前端混頻器,該混頻器限制了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。為確保頻譜儀的混頻器不會(huì)讓其自身產(chǎn)生諧波成分并干擾測量,必須衰減進(jìn)入頻譜儀的功率以防止頻譜儀接收機(jī)過載。目的是抑制頻譜儀的前端混頻器重新混頻高階互調(diào)產(chǎn)物。
DUT的IIP3大概為+22dBm,簡單計(jì)算,對于進(jìn)入頻譜儀的輸入功率(兩個(gè)IF音調(diào)為-8dBm),則要求頻譜儀本底噪聲要小于-70dBm。
如果在上面的測試環(huán)境中,增大頻譜儀前端衰減器,發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果有較大改善,說明此時(shí)頻譜儀混頻器發(fā)生了壓縮。
總之,為了使結(jié)果更可信,測量設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍必須遠(yuǎn)高于用于測量數(shù)據(jù)時(shí)使用功率范圍。