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如何準(zhǔn)確測(cè)量環(huán)形器&隔離器三階互調(diào)IM3

發(fā)布時(shí)間:2021-11-23 來源:大普通信 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在環(huán)形器&隔離器的設(shè)計(jì)中,如何控制好三階互調(diào)失真信號(hào)(以下部分簡(jiǎn)稱IM3)是非常有挑戰(zhàn)的,特別是產(chǎn)品工作頻率小于1GHz的環(huán)形器或隔離器,比如現(xiàn)在很熱門的700MHz頻段5G應(yīng)用;而對(duì)客戶而言,比較難的是怎么相信和判斷環(huán)形器&隔離器廠家所提供測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。


怎樣才能正確的測(cè)量出環(huán)形器&隔離器三階互調(diào)失真信號(hào)呢?


在大功率射頻系統(tǒng)中,當(dāng)兩個(gè)信號(hào)在一個(gè)線性系統(tǒng)里,由于非線性因素存在使得一個(gè)信號(hào)f1的二次諧波與另一個(gè)信號(hào)f2的基波混頻產(chǎn)生兩個(gè)寄生信號(hào)2f1-f2和2f2-f1,也就是所謂的三階互調(diào)失真信號(hào)。同理,3f1-2f2或者3f2-2f1則稱之為五階互調(diào)失真信號(hào),如下圖所示:


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IM3對(duì)于我們信號(hào)系統(tǒng)有什么影響呢?舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子,當(dāng)我們需要錄制語音或者音樂,并想盡可能原汁原味將其再現(xiàn)時(shí),失真就不受歡迎了。通常人們所說的“失真”指的就是非線性失真,這其中就包括了IM3。


這些互調(diào)失真信號(hào)都不是我們所需要的,但是卻也無法完全消除掉,但是我們可以通過設(shè)計(jì)將其降低到我們可以接受的范圍內(nèi)。


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系統(tǒng)設(shè)計(jì)者們希望盡量降低這些雜訊的功率,首先是需要準(zhǔn)確測(cè)量這些失真信號(hào)的功率大小,那么如何將這些失真信號(hào)準(zhǔn)確的測(cè)試出來就是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。


本次,我們主要討論IM3互調(diào)失真信號(hào)的測(cè)量,暫不討論如何降低系統(tǒng)IM3信號(hào)功率。另外,五階互調(diào)IM5失真信號(hào)的功率與單音信號(hào)或IM3的信號(hào)相比非常小,所以目前絕大部分客戶僅僅測(cè)試3rd IMD即可。


搭建3rd IMD測(cè)試環(huán)境


下圖是前向IM3測(cè)試環(huán)境的典型框架和儀表連接圖,及測(cè)試過程:


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●     Keysight 5182A信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生2個(gè)信號(hào)源f1&f2;

●     經(jīng)過Bonn 寬帶AMP(150W 1000M1)功率放大器分別放大f1&f2;

●     在無源模塊中,經(jīng)過N型同軸隔離器隔離功放與3dB電橋(>50dB的隔離度);

●     再經(jīng)過超低互調(diào)的3dB電橋?qū)?個(gè)信號(hào)合路為一個(gè)信號(hào)(3dB電橋的選擇尤為重要);

●     合路信號(hào)經(jīng)過DUT(Device Under Test),在本次測(cè)試中為大普環(huán)形器;

●     再經(jīng)過2個(gè)定向耦合器(Directional Coupler)輸出功率到PSA,定向耦合器必須端接具有出色VSWR(<1.1)帶寬大功率負(fù)載;

●     最后經(jīng)過PSA頻譜分析儀&功率計(jì)測(cè)試分析測(cè)量信號(hào)的大?。?/p>

●     通過大普定制化軟件通過計(jì)算輸出IMD分析結(jié)果并產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)告;


測(cè)試過程中需要注意的事項(xiàng)


測(cè)試環(huán)境中的連接器、電纜和測(cè)試夾具也都會(huì)影響 IM3測(cè)量結(jié)果:


1. 推薦N型連接器,在測(cè)試環(huán)境中保持連接器干凈并正確擰緊,盡量使用鍍銀連接器;


2. 推薦高性能低PIM N型射頻線纜,其具有非常好的相位穩(wěn)定性和低互調(diào)特性;


3. 測(cè)試夾具和DUT盡量在完全隔離磁場(chǎng)等環(huán)境下測(cè)試,確保充分屏蔽雜散輻射信號(hào)干擾。


其它注意事項(xiàng):


1. 測(cè)試過程中,應(yīng)當(dāng)使用頻譜分析儀來測(cè)量相對(duì)功率(dBc),而不是絕對(duì)功率 (dBm)。


2. 功率計(jì)和頻譜分析儀等儀表僅在其特征阻抗(50 歐姆)時(shí)測(cè)量準(zhǔn)確,因此匹配不良的 DUT或鏈路也會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確,所以確保整個(gè)鏈路的阻抗無限接近50ohm ,被測(cè)件DUT的輸入輸出VSWR盡量<1.25。


3. 儀表的輸入功率不要超過儀表的最大可允許值這樣過分驅(qū)動(dòng)頻譜分析儀(E4445A)的內(nèi)部混頻器?;祛l器過載會(huì)導(dǎo)致測(cè)試值誤差,因此分析儀的輸入電平應(yīng)當(dāng)<-23dBm,典型分析儀設(shè)置為:


●     pan = 2kHz 

●     RBW = 3Hz 

●     VBW = 3Hz


測(cè)試誤差的計(jì)算


每個(gè)系統(tǒng)都會(huì)有測(cè)量誤差。 這個(gè)測(cè)量誤差可以計(jì)算出來:


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事實(shí)上,我們測(cè)量系統(tǒng)的IMDsystem和器件實(shí)際的誤差之間IMDdevice有如下圖的關(guān)系。


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簡(jiǎn)單說明一下上圖的關(guān)系。比方說,我們的測(cè)試系統(tǒng)的系統(tǒng)IM3測(cè)量值要盡量遠(yuǎn)大于被測(cè)器件的實(shí)際測(cè)量值,例如量具的精度要遠(yuǎn)大于被測(cè)件,量具的精度相對(duì)于被測(cè)試件精度越高測(cè)量就越準(zhǔn)確誤差就越小反之,則誤差就會(huì)變大。


在現(xiàn)實(shí)的測(cè)試過程中,我們一般要保證IMDsystem - IMDdevice ≤ -15dB,這時(shí)候測(cè)量誤差大約為 +1.4dB / -1.7dB,我們認(rèn)為這個(gè)測(cè)量誤差在實(shí)際測(cè)試中是可以可接收的。當(dāng)然為了最小化測(cè)量誤差,IMD系統(tǒng)IM3應(yīng)該優(yōu)于被測(cè)件DUT IM3IMDsystem - IMDdevice ≤ -30dB或更多這樣產(chǎn)生的誤差會(huì)更小。


綜上所述


三階互調(diào)(IM3)測(cè)試是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)測(cè)試,每一個(gè)環(huán)節(jié)的誤差如果控制不好,經(jīng)過層層累加,反饋到最終的測(cè)試結(jié)果上,就會(huì)和實(shí)際的指標(biāo)存在較大的差異。


一套高精度的測(cè)試系統(tǒng)投入較大,并且具有較強(qiáng)的專用性,絕大部分客戶是沒有自建的測(cè)試能力,現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對(duì)IMD的指標(biāo)要求又越來越高,對(duì)環(huán)形器&隔離器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)也很大,產(chǎn)品本身的指標(biāo)余量往往不是很足,而目前很多系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果是要優(yōu)于實(shí)際指標(biāo),最終是有可能會(huì)導(dǎo)致客戶的整套系統(tǒng)的IMD指標(biāo)出現(xiàn)問題,再往回追溯的難度和成本都會(huì)非常高。


目前市面上關(guān)于互調(diào)測(cè)試設(shè)備的種類和類型有很多,但是不同的測(cè)試系統(tǒng)往往會(huì)帶來不同的測(cè)量誤差,大普通信采用高精度的搭建式系統(tǒng),信號(hào)源和頻譜分析等儀表均采用獨(dú)立的品牌專用儀表,其信號(hào)和分析精度可靠并可以根據(jù)需要升級(jí),在保護(hù)功放的情況下切換到任意頻率和功率大小。最終是可以確保測(cè)試結(jié)果和實(shí)際指標(biāo)的誤差控制在一個(gè)最小的范圍,可以給到客戶一個(gè)放心可靠的選擇。以700 MHz為例,當(dāng)前大普的系統(tǒng)IMDsystem經(jīng)過長(zhǎng)期可靠使用可以保證<-95dBc(2x65w ,1MHz Spacing)。


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