【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(chēng)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(mén)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(chēng)之為五階互調(diào)失真信號(hào)，如下圖所示：
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(yǔ)音或者音樂(lè)，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(shuō)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(wú)法完全消除掉，但是我們可以通過(guò)設(shè)計(jì)將其降低到我們可以接受的范圍內(nèi)。
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(lái)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(guò)程：
● Keysight 5182A信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生2個(gè)信號(hào)源f1&f2；
● 經(jīng)過(guò)Bonn 寬帶AMP（150W 1000M1）功率放大器分別放大f1&f2；
● 在無(wú)源模塊中，經(jīng)過(guò)N型同軸隔離器隔離功放與3dB電橋（＞50dB的隔離度）；
● 再經(jīng)過(guò)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(guò)DUT（Device Under Test），在本次測(cè)試中為大普環(huán)形器；
● 再經(jīng)過(guò)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(guò)PSA頻譜分析儀&功率計(jì)測(cè)試分析測(cè)量信號(hào)的大小；
● 通過(guò)大普定制化軟件通過(guò)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(guò)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(guò)程中，應(yīng)當(dāng)使用頻譜分析儀來(lái)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(wú)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(guò)儀表的最大可允許值這樣過(guò)分驅(qū)動(dòng)頻譜分析儀（E4445A）的內(nèi)部混頻器。混頻器過(guò)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(lái)：
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。
簡(jiǎn)單說(shuō)明一下上圖的關(guān)系。比方說(shuō)，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(guò)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(guò)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(zhuān)用性，絕大部分客戶是沒(méi)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(lái)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(wèn)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(lèi)和類(lèi)型有很多，但是不同的測(cè)試系統(tǒng)往往會(huì)帶來(lái)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(zhuān)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(guò)長(zhǎng)期可靠使用可以保證<-95dBc(2x65w ,1MHz Spacing)。
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