三階交調(diào)失真原理及測(cè)試方法

1、交調(diào)失真的意義

非線性DUT（例如LNA、PA、塔放），當(dāng)輸入多個(gè)頻率的信號(hào)時(shí)，各個(gè)頻譜分量之間會(huì)產(chǎn)生互相作用，產(chǎn)生新的頻譜分量（頻譜再生）；當(dāng)輸入信號(hào)足夠小放大器工作在線性區(qū)，交調(diào)失真不會(huì)惡化，保持在一個(gè)比較均衡的水平；隨著輸入到DUT的功率的增大，放大器逐漸進(jìn)入壓縮區(qū)，交調(diào)失真將發(fā)生快速惡化。

假設(shè)兩個(gè)頻率信號(hào)分別是f1和f2，那么三階交調(diào)分量的頻率為2f1-f2和2f2-f1，并且2f1-f2和2f2-f1這兩個(gè)頻率緊挨f1、f2，因此會(huì)干擾工作帶內(nèi)頻率信息，如圖1.1所示。而偶次階交調(diào)產(chǎn)生的產(chǎn)物比如f2-f1距離主音信號(hào)較遠(yuǎn)，一般不關(guān)注偶次交調(diào)產(chǎn)物。

圖1.1 有源器件交調(diào)失真產(chǎn)生的頻率信號(hào)

圖1.2 OIP3、P1dB與Pin、Pout的關(guān)系

由圖1.2圖可以看出，當(dāng)主音信號(hào)輸入功率每增加1dB，3階交調(diào)產(chǎn)物輸出功率就會(huì)增加3dB，Pin逐漸增加至理想線性Pout虛線延長(zhǎng)線與三階交調(diào)信號(hào)虛線延長(zhǎng)線相交，對(duì)應(yīng)的輸出功率為OIP3；此時(shí)的IIP3被定義為輸入三階交調(diào)截取點(diǎn)（INPUT THIRD-ORDERINTERCEPT POINT），OIP3被定義為輸出三階交調(diào)截取點(diǎn)（OUTPUT THIRD-ORDERINTERCEPT POINT）。

2、交調(diào)失真的測(cè)試原理

2.1 表征交調(diào)失真的參數(shù)

1).Tone Power

主音調(diào)信號(hào)輸出的功率值，dBm；

2). Tone Gain

放大器的增益，通過主音Pout、Pin可以計(jì)算得到

3). Intermodulation Distortion

IMD是衡量主音信號(hào)與交調(diào)產(chǎn)物的差值，IMD越大表明此時(shí)交調(diào)越小，如圖1.1中虛線處，計(jì)算公式：

IMD3(dB)=Pout-IM3

4). Intercept Point Parameters

隨著主音信號(hào)輸出功率的增加(圖1.1中黑色箭頭)，交調(diào)產(chǎn)物輸出功率以更陡的速率增加(圖1.1中藍(lán)色、綠色箭頭)。在功率提高到某種程度，交調(diào)產(chǎn)物功率將等于主信號(hào)的功率，此時(shí)的功率等級(jí)被稱為截距點(diǎn)，但這一般是不可實(shí)現(xiàn)的，只能根據(jù)線性區(qū)測(cè)試結(jié)果來預(yù)測(cè)。

2.2 OIP3的測(cè)試原理

2.2.1 使用1臺(tái)信號(hào)源+頻譜儀——通過諧波計(jì)算OIP3，該方法使用較少，但計(jì)算結(jié)果與打入雙音信號(hào)測(cè)量計(jì)算出來的結(jié)果相同，后面的文章可單獨(dú)講解；

2.2.2 使用1臺(tái)信號(hào)源+頻譜儀——通過1臺(tái)信號(hào)源調(diào)制雙音信號(hào)，打入DUT，使用頻譜儀直接測(cè)量IM3計(jì)算OIP3

2.2.3 使用2臺(tái)信號(hào)源+頻譜儀——通過信號(hào)源分別出單音信號(hào)再經(jīng)合路，再進(jìn)入DUT，使用頻譜儀直接測(cè)量IM3計(jì)算OIP3

這種測(cè)試方法是按照?qǐng)D2.1搭建測(cè)試環(huán)境，向DUT打入2個(gè)單音信號(hào)，測(cè)出DUT輸出端單音信號(hào)的幅度和三階交調(diào)產(chǎn)物的幅度，再帶入公式計(jì)算。

圖2.1 一般DUT OIP3測(cè)試環(huán)境搭建

1). 利用2個(gè)信號(hào)源分別輸出頻率間隔Δf（Δf=5MHz）的兩個(gè)信號(hào)f1和f2，然后這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過合成器送到DUT，在合路之前最好分別串聯(lián)一個(gè)環(huán)形器，減少信號(hào)源之間的相互串?dāng)_；

2). 調(diào)節(jié)2個(gè)信號(hào)源使DUT工作在指定的功率下;

3). 觀測(cè)頻譜儀，計(jì)算出主音信號(hào)幅度和三階交調(diào)產(chǎn)物幅度差值,即IMD3，單位dBc;

4). 根據(jù)主音信號(hào)輸出功率和IMD3，計(jì)算出OIP3，單位dBm，公式如下：

OIP3= Pout+ IMD3/2

圖2.2 某個(gè)DUT再1GHz小功率工作時(shí)OIP3的頻譜

2.3.4 使用矢網(wǎng)測(cè)試——通過矢網(wǎng)的兩個(gè)內(nèi)置source分別出單音信號(hào)再經(jīng)過合路，再進(jìn)入DUT，測(cè)量DUT輸出端單音信號(hào)的幅度和三階交調(diào)產(chǎn)物的幅度由矢網(wǎng)完成，并且矢網(wǎng)可以設(shè)置超寬頻率超大帶寬掃頻測(cè)試，可快速準(zhǔn)確的進(jìn)行OIP3的頻域響應(yīng)特性測(cè)試；

圖2.3 為配置PNA來生成兩個(gè)單音信號(hào)，再經(jīng)過耦合器合路進(jìn)入DUT；DUT輸出端接入矢網(wǎng)接收機(jī)，矢網(wǎng)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行FFT后，即可計(jì)算出單音信號(hào)的幅度和三階交調(diào)產(chǎn)物的幅度。

圖2.3 利用矢網(wǎng)測(cè)量OIP3 block diagram

圖2.4 矢網(wǎng)內(nèi)部source configuration

1). 選擇sweep fc模式，設(shè)置掃描中心頻率起始點(diǎn)、截止點(diǎn)和雙音信號(hào)間隔；

圖2.5 配置掃頻測(cè)量OIP3掃描模式

2). 配置配置掃頻功率點(diǎn)信息，可以target input功率，也可以target output功率；設(shè)置source和receiver衰減器，以提供足夠小的DUT輸入功率和矢網(wǎng)接收機(jī)保護(hù)；

圖2.6 配置掃頻功率點(diǎn)信息

3). 調(diào)出關(guān)注的曲線，一般關(guān)注PowerIN、PowerOUT、OIP3_Hi、OIP3_Low、OIP3_Avg、IMD3等曲線；

4). 使用功率計(jì)和電子校準(zhǔn)件校準(zhǔn)；

5). 連接DUT從小信號(hào)開始測(cè)試。

3、總結(jié)

要得到較準(zhǔn)確的OIP3測(cè)量結(jié)果，需要在測(cè)試環(huán)境上做以下優(yōu)化：

1). 使用高質(zhì)量的信號(hào)源

信號(hào)源也是由各類有源器件搭建的一臺(tái)儀表，因此信號(hào)源本身也會(huì)產(chǎn)生交調(diào)；當(dāng)信號(hào)源輸出大功率信號(hào)時(shí)，由于信號(hào)源內(nèi)部一些器件可能進(jìn)入非線性狀態(tài)，使輸出信號(hào)質(zhì)量大大降低，可能產(chǎn)生雜波或多次諧波，質(zhì)量差的信號(hào)進(jìn)入DUT，測(cè)得的失真信號(hào)不能準(zhǔn)確的判斷是否由DUT產(chǎn)生；因此需選用高質(zhì)量的信號(hào)源，噪聲要低。

2). 隔離2個(gè)信號(hào)源，減小相互干擾

可使用環(huán)形器或隔離器等單向器件來隔離兩路信號(hào)，降低信號(hào)源之間的干擾，從而提高整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。

3). 使用線性好的功率合成器

功率合成器也有一定的非線性，當(dāng)灌入強(qiáng)信號(hào)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生同頻交調(diào)分量；采用阻性功率合成器（威爾金森功分器，-3dB）具有非常大的動(dòng)態(tài)范圍，不會(huì)產(chǎn)生交調(diào)分量，并且各個(gè)端口具有良好的匹配性。

4). 使用動(dòng)態(tài)范圍大的頻譜分析儀

頻譜儀測(cè)量同時(shí)測(cè)量較小的交調(diào)產(chǎn)物信號(hào)和較大的主音信號(hào)，因此需選用大動(dòng)態(tài)范圍的頻譜分析儀。

5). 需判斷測(cè)試結(jié)果的有效性

測(cè)試IP3時(shí)不能忽略頻譜儀的非線性，輸入DUT的強(qiáng)單音信號(hào)同樣會(huì)在頻譜儀中產(chǎn)生交調(diào)分量。當(dāng)該交調(diào)分量較大時(shí)就需判斷測(cè)量到的交調(diào)分量主要是DUT產(chǎn)生的還是頻譜儀自身產(chǎn)生的，即判斷測(cè)試結(jié)果是否有效。