交调失真的意义及矢网实例测量方法

1、交调失真的意义

非线性DUT（例如LNA、PA、塔放），当输入多个频率的信号时，各个频谱分量之间会产生互相作用，产生新的频谱分量（频谱再生）；当输入信号足够小放大器工作在线性区，交调失真不会恶化，保持在一个比较均衡的水平；随着输入到DUT的功率的增大，放大器逐渐进入压缩区，交调失真将发生快速恶化。
 
假设两个频率信号分别是f1和f2，那么三阶交调分量的频率为2f1-f2和2f2-f1，并且2f1-f2和2f2-f1这两个频率紧挨f1、f2，因此会干扰工作带内频率信息，如图1.1所示。而偶次阶交调产生的产物比如f2-f1距离主音信号较远，一般不关注偶次交调产物。

图1.1 有源器件交调失真产生的频率信号


图1.2 OIP3、P1dB与Pin、Pout的关系

由图1.2图可以看出，当主音信号输入功率每增加1dB，3阶交调产物输出功率就会增加3dB，Pin逐渐增加至理想线性Pout虚线延长线与三阶交调信号虚线延长线相交，对应的输出功率为OIP3；此时的IIP3被定义为输入三阶交调截取点（INPUT THIRD-ORDERINTERCEPT POINT），OIP3被定义为输出三阶交调截取点（OUTPUT THIRD-ORDERINTERCEPT POINT）。
 
2、交调失真的测试原理

2.1 表征交调失真的参数

1).Tone Power
主音调信号输出的功率值，dBm；
 
2). Tone Gain
放大器的增益，通过主音Pout、Pin可以计算得到
 
3). Intermodulation Distortion
IMD是衡量主音信号与交调产物的差值，IMD越大表明此时交调越小，如图1.1中虚线处，计算公式：
IMD3(dB)=Pout-IM3
 
4). Intercept Point Parameters
随着主音信号输出功率的增加(图1.1中黑色箭头)，交调产物输出功率以更陡的速率增加(图1.1中蓝色、绿色箭头)。在功率提高到某种程度，交调产物功率将等于主信号的功率，此时的功率等级被称为截距点，但这一般是不可实现的，只能根据线性区测试结果来预测。
 
2.2 OIP3的测试原理

2.2.1 使用1台信号源+频谱仪——通过谐波计算OIP3，该方法使用较少，但计算结果与打入双音信号测量计算出来的结果相同，后面的文章可单独讲解；
 
2.2.2 使用1台信号源+频谱仪——通过1台信号源调制双音信号，打入DUT，使用频谱仪直接测量IM3计算OIP3
 
2.2.3 使用2台信号源+频谱仪——通过信号源分别出单音信号再经合路，再进入DUT，使用频谱仪直接测量IM3计算OIP3
 
这种测试方法是按照图2.1搭建测试环境，向DUT打入2个单音信号，测出DUT输出端单音信号的幅度和三阶交调产物的幅度，再带入公式计算。

图2.1 一般DUT OIP3测试环境搭建

1). 利用2个信号源分别输出频率间隔Δf（Δf=5MHz）的两个信号f1和f2，然后这两个信号经过合成器送到DUT，在合路之前最好分别串联一个环形器，减少信号源之间的相互串扰；
2). 调节2个信号源使DUT工作在指定的功率下;
3). 观测频谱仪，计算出主音信号幅度和三阶交调产物幅度差值,即IMD3，单位dBc;
4). 根据主音信号输出功率和IMD3，计算出OIP3，单位dBm，公式如下：
OIP3= Pout+ IMD3/2

图2.2 某个DUT再1GHz小功率工作时OIP3的频谱

2.3.4 使用矢网测试——通过矢网的两个内置source分别出单音信号再经过合路，再进入DUT，测量DUT输出端单音信号的幅度和三阶交调产物的幅度由矢网完成，并且矢网可以设置超宽频率超大带宽扫频测试，可快速准确的进行OIP3的频域响应特性测试；
 
图2.3 为配置PNA来生成两个单音信号，再经过耦合器合路进入DUT；DUT输出端接入矢网接收机，矢网对接收到的信号进行FFT后，即可计算出单音信号的幅度和三阶交调产物的幅度。

图2.3 利用矢网测量OIP3 block diagram
 

图2.4 矢网内部source configuration

1). 选择sweep fc模式，设置扫描中心频率起始点、截止点和双音信号间隔；

图2.5 配置扫频测量OIP3扫描模式

2). 配置配置扫频功率点信息，可以target input功率，也可以target output功率；设置source和receiver衰减器，以提供足够小的DUT输入功率和矢网接收机保护；

图2.6 配置扫频功率点信息

3). 调出关注的曲线，一般关注PowerIN、PowerOUT、OIP3_Hi、OIP3_Low、OIP3_Avg、IMD3等曲线；
4). 使用功率计和电子校准件校准；
5). 连接DUT从小信号开始测试。
 
3、总结

要得到较准确的OIP3测量结果，需要在测试环境上做以下优化：

1). 使用高质量的信号源
信号源也是由各类有源器件搭建的一台仪表，因此信号源本身也会产生交调；当信号源输出大功率信号时，由于信号源内部一些器件可能进入非线性状态，使输出信号质量大大降低，可能产生杂波或多次谐波，质量差的信号进入DUT，测得的失真信号不能准确的判断是否由DUT产生；因此需选用高质量的信号源，噪声要低。
 
2). 隔离2个信号源，减小相互干扰
可使用环形器或隔离器等单向器件来隔离两路信号，降低信号源之间的干扰，从而提高整个测试系统的动态范围。
 
3). 使用线性好的功率合成器
功率合成器也有一定的非线性，当灌入强信号时也会产生同频交调分量；采用阻性功率合成器（威尔金森功分器，-3dB）具有非常大的动态范围，不会产生交调分量，并且各个端口具有良好的匹配性。
 
4). 使用动态范围大的频谱分析仪
频谱仪测量同时测量较小的交调产物信号和较大的主音信号，因此需选用大动态范围的频谱分析仪。
 
5). 需判断测试结果的有效性
测试IP3时不能忽略频谱仪的非线性，输入DUT的强单音信号同样会在频谱仪中产生交调分量。当该交调分量较大时就需判断测量到的交调分量主要是DUT产生的还是频谱仪自身产生的，即判断测试结果是否有效。