RF技術(shù)探究:相互調(diào)變失真的測量方法 - 全文

　　被動相互調(diào)變失真

　　在發(fā)射(Tx)路徑上的相互調(diào)變失真是附加在高功率之中，它的特性很重要。由于在發(fā)射路徑上一般都沒有主動組件存在，因此它的相互調(diào)變失真特性被稱為“被動的相互調(diào)變失真(passive IMD;PIMD)”。當設(shè)計一個無線通信電路時，PIMD在每一個功能單元中的變化不大，所以，在研發(fā)階段就會先測量PIMD。

　　雙音調(diào)相互調(diào)變測試

　　測量IMD最方便的方法是，將兩個功率相等的信號組合在一起[*故被稱為“雙音調(diào)”(two-tone)]，并彼此保持一定的頻率間隔，輸入至待測物(device under test;DUT)的輸入端。若以頻譜分析儀測量，DUT的輸出頻譜將和附圖1類似，其中，兩個最大信號是被放大的載波信號;其它較小的信號分列在載波兩邊，分別是第3、5、7階(order)相互調(diào)變乘積(product)。所有信號之間的頻率間隔是相等的。

　　下列是10個有用的測量參數(shù)：

　　●載波(C)：這是載波信號的功率，單位是dBm。它和Pout參數(shù)類似，不過，C是使用頻譜分析儀來測量，Pout是使用功率表(power meter)、并只輸入一個射頻信號來測量。

　　●第3階相互調(diào)變乘積(I3)：這是寄生的第3階相互調(diào)變信號之功率，單位是dBm，使用頻譜分析儀來測量。

　　●載波對第3階相互調(diào)變的比率(C/I3)：這是載波功率對寄生的第3階相互調(diào)變信號功率之比率值，單位是dB。

　　●第3階攔截點(IP3)：這是待測物的最佳指針，單位是dBm。此值通常會隨著頻率微調(diào)(tuning)而改變。

　　●第5階相互調(diào)變乘積(I5)：與第3階相互調(diào)變乘積類似。

　　●載波對第5階相互調(diào)變的比率(C/I5)：與載波對第3階相互調(diào)變的比率類似。

　　●第5階攔截點(IP5)：與第3階攔截點類似。

　　●第7階相互調(diào)變乘積(I7)：與第3階相互調(diào)變乘積類似。

　　●載波對第7階相互調(diào)變的比率(C/I7)：與載波對第3階相互調(diào)變的比率類似。

　　●第7階攔截點(IP7)：與第3階攔截點類似。

　　第3階攔截點

　　一個裝置或系統(tǒng)的非線性轉(zhuǎn)換函數(shù)(transfer function)可以利用一個“泰勒級數(shù)(Taylor series)”來表示：

　　第3階相互調(diào)變信號，是來自于上列的f(x)級數(shù)展開式的第3階項，因此稱為“第3階相互調(diào)變乘積”。第3階的輸入功率會較載波的輸入功率快速增加。單位dBm表示“第3階相互調(diào)變乘積”是一個對數(shù)函數(shù)，在數(shù)學上是取比率相對值。其實，第3階相互調(diào)變信號功率的增加速度是載波信號功率的3倍。

　　。如果“C對Pin”和“I對Pin”的線性部份之曲線能夠向外延伸，所交叉的點就稱作“第3階攔截點(intercept point)”。不過，IP3是一個理論值，在實際設(shè)計上是無法達到的，因為這兩個曲線在到達IP3之前就已經(jīng)飽和了(斜率趨近于0，變成水平線了)。通常IP3是被當成射頻裝置的“優(yōu)化函式”(merit function)。大多數(shù)的電路設(shè)計程序，其實應被稱為“最佳化程序”，由設(shè)計者決定哪些地方應當被最佳化、且要最佳化到什么程度?如此所得到的結(jié)果，就被稱為“最佳化函數(shù)”。

　　如果理論上，假定3：1的斜率差，則IP3可以僅從一個功率準位計算出來。如果完成功率掃描(power sweep)，得出圖形，則在線性區(qū)域所求出的IP3將是固定的(當然3：1的斜率假設(shè)必須是正確的)。當載波和相互調(diào)變信號飽和時，IP3的值通常會下降，這就表示相互調(diào)變功率的測量結(jié)果將是錯誤的。在較低的功率準位，當達到頻譜分析儀的噪聲下限時，IP3將會開始改變，這也表示測量將有錯誤產(chǎn)生。因此，正確的測量值應該在IP3維持不變下的功率范圍內(nèi)。

　　理論上，IP3并不是功率準位的函數(shù)。然而，在低功率準位時，它的動態(tài)(線性)區(qū)域被頻譜分析儀的噪聲下限所限制;在高功率準位時，由于待測物的飽和，或頻譜分析儀的相互調(diào)變，也會限制它的動態(tài)區(qū)域。因此，若將IP3當成是功率的函數(shù)，將可以提供一個能夠確保測量結(jié)果正確的好方法 。

　　第5和第7階攔截點

　　求得第5和第7階攔截點(IP5和IP7)的方法和IP3類似。其主要差別在于：第5階相互調(diào)變輸入功率增加的速度是載波輸入功率的5倍;同理，第7階相互調(diào)變輸入功率的增加速度則是載波輸入功率的7倍。

　　測量“被動的相互調(diào)變”(PIM)之效能

　　良好的通信品質(zhì)需要一個適當?shù)腃/I比率來確保，而且C/I值必須保持固定。因為C值是固定的，無法再增加，因此I必須盡量極小化。理論上，I應該低于接收機的噪聲下限。然而實際上，被動的相互調(diào)變正是不想要的干擾來源之一。

　　一般的規(guī)格要求是，當兩個+43 dBm載波輸入至待測物時，PIM的功率不能大于-110 dBm。也就是說，-153 dBc，這是相當于1：2,000,000,000,000,000的比率。若打個比喻，這就好像要測量地球到太陽的距離，而且精確度必須達到1/10,000米。因此，很有挑戰(zhàn)性。

　　傳統(tǒng)測量PIM的方法是采用前面介紹的“雙音調(diào)相互調(diào)變測試法”。它是一個國際標準(IEC TC46 WG6)。不過，這種方法很復雜。它需要兩個信號合成器、兩個高功率放大器，以及一組射頻組件，用來對信號進行組合、濾波、雙工作業(yè)。之后，將期望信號按預定路線發(fā)送，這會經(jīng)過低噪聲放大器，最后到達頻譜分析儀，以進行偵測和顯示。還需要一個功率表，用來設(shè)定適當?shù)陌l(fā)射功率，并需時常調(diào)整功率值以補償功率的變動。因為有許多離散組件、儀器、連接纜線存在，所以測量的結(jié)果有時很難再次呈現(xiàn)。此外，這些器材的安裝通常不是很穩(wěn)定，很容易受損;而且，此種測量方法需要很長的時間，測量的結(jié)果也可能是錯誤的。

　　因此，目前市場上已經(jīng)有所謂的“PIM分析儀”存在。它具有高度整合設(shè)計、高速的數(shù)字接收機技術(shù)、省時省力、容易操作的優(yōu)點。

　　動態(tài)測量

　　在設(shè)計和制造的階段，盡管我們盡力使產(chǎn)品的穩(wěn)定性與環(huán)境的變化因素無關(guān)。但是，組件和次系統(tǒng)的PIM反應很可能在極度惡劣的環(huán)境下劇烈地變化。在動態(tài)測量時，使用適當?shù)拇碳ぃ员O(jiān)視其相互調(diào)變的效能變化。

　　動態(tài)測量尤其對纜線的組裝很重要。因為連接器或纜線的接口，以及纜線內(nèi)的相互調(diào)變(這是由于實芯導線有細微的裂痕，或多絞線有缺口)，很容易讓它們受損。這種測試方法是將連接器、纜線固定或彎曲，以測量它們的相互調(diào)變功率。固定的方式稱為“輕敲(tap)測試”，彎曲的方式稱作“彎曲時刻的測試”(bending moment test)。在無線網(wǎng)絡(luò)基地臺的發(fā)射路徑上之所有組件，都應該接受這兩種測試。

　　輕敲測試只是簡單地將儀器連接到待測物上，然后觀察相互調(diào)變的反應。例如：必須連接到濾波器的微調(diào)螺絲上，因為它經(jīng)常會產(chǎn)生高功率的PIM。當停止輕敲測試之后，相互調(diào)變通常會回到它的低功率狀態(tài);不過，有時還是會維持在高功率的狀態(tài)。輕敲測試可以成功地篩檢出會在未來某時刻失效的裝置和纜線來。

　　通常這種裝置的測量是將第一個載波設(shè)為1930 MHz，第二個載波設(shè)為1990 MHz，兩個載波功率都是20 W。當發(fā)射頻率和功率都已設(shè)定好，而且頻譜分析儀的環(huán)境組態(tài)也已經(jīng)設(shè)定好，則此測試就可以開始。順便一提的是，當溫度變化時，相互調(diào)變的效能會大幅地衰減。