概述

當(dāng)兩個(gè)或更多信號(hào)同時(shí)作用于有源器件（如放大器、混頻器）的輸入端時(shí)，由于器件的非線性特性，除了產(chǎn)生各信號(hào)的諧波外，信號(hào)之間的組合還會(huì)產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物（Intermodulation Products）。

互調(diào)產(chǎn)物電平與輸入信號(hào)電平的關(guān)系遵循以下規(guī)律：若兩個(gè)正弦輸入信號(hào)的幅度變化ΔdB，則相應(yīng)的N階互調(diào)產(chǎn)物的電平將變化NΔdB。其中，階數(shù)N是指構(gòu)成該產(chǎn)物的各輸入信號(hào)頻率項(xiàng)次數(shù)的代數(shù)和。例如，頻率為2F1-1F2的產(chǎn)物，階數(shù)N=2+1=3。

IM3（Third-Order Intermodulation Product）即是指第三階互調(diào)產(chǎn)物，如圖1所示，其中第三階互調(diào)產(chǎn)物為2F1-F2和2F2-F1，

圖1 兩個(gè)正弦信號(hào)輸入后的頻譜圖

截止點(diǎn)（Intercept Point,IP）是一個(gè)理論概念，定義為：當(dāng)輸入信號(hào)增大到使基波輸出信號(hào)（理想線性放大）與n階互調(diào)產(chǎn)物輸出信號(hào)（理想非線性）在功率上相等時(shí)的交點(diǎn)，如圖2所示。但該截止點(diǎn)在實(shí)際測(cè)試中無法直接達(dá)到，因?yàn)樵谛盘?hào)增大到該點(diǎn)之前，器件輸出通常已因壓縮或飽和而受限。

在所有互調(diào)產(chǎn)物中，第二階互調(diào)產(chǎn)物（IM2）和第三階互調(diào)產(chǎn)物（IM3）對(duì)測(cè)量的影響通常最為顯著，因此常定義二階截止點(diǎn)：IP2，三階截止點(diǎn)：IP3。

圖2 IM3與輸入信號(hào)功率的關(guān)系

需要注意的是測(cè)量截止點(diǎn)時(shí)，必須確保輸入衰減器的設(shè)置為0dB。因?yàn)殡S著衰減器衰減量的增加截止點(diǎn)也將升高（衰減降低了輸入到第一級(jí)有源器件的信號(hào)功率，減少了其非線性效應(yīng)，但同時(shí)會(huì)惡化噪聲系數(shù)）。

01難點(diǎn)與挑戰(zhàn)

測(cè)試IP3（三階截止點(diǎn)）在理論和操作上面臨多重挑戰(zhàn)，其難點(diǎn)主要源于IP3的理論性以及測(cè)試系統(tǒng)的非線性。

難點(diǎn)一：

IP3是基波信號(hào)與三階互調(diào)產(chǎn)物（IM3）功率外推的交點(diǎn)，實(shí)際器件在達(dá)到該功率前早已飽或壓縮，無法真實(shí)工作在IP3點(diǎn)。因此需在遠(yuǎn)離飽和區(qū)的線性區(qū)域測(cè)量IM3，再按斜率外推。若測(cè)試點(diǎn)選擇不當(dāng)（如靠近壓縮區(qū)），外推結(jié)果會(huì)嚴(yán)重偏離，從而導(dǎo)致測(cè)試失敗。

應(yīng)對(duì)方案：

通過預(yù)測(cè)試確定線性工作區(qū)，如-30dBm至-10dBm輸入，在多個(gè)功率點(diǎn)測(cè)量IM3，線性回歸驗(yàn)證斜率是否為3:1，確保處于線性工作區(qū)。

難點(diǎn)二：

測(cè)試需注入兩個(gè)純凈的等幅正弦信號(hào)（F1, F2）。若信號(hào)源自身存在諧波或相位噪聲，其產(chǎn)生的雜散會(huì)與IM3（2F1-F2, 2F2-F1）混疊，會(huì)污染測(cè)量結(jié)果。此外若合路器自身非線性，會(huì)額外產(chǎn)生IM3，導(dǎo)致虛假的高IM3電平，導(dǎo)致測(cè)得的IP3偏低。

應(yīng)對(duì)方案：

需選用高線性度合路器，最好是阻性合路器，注意阻性合路器存在≥3dB的固有損耗（需提前計(jì)算信號(hào)源功率余量）并在測(cè)試前驗(yàn)證信號(hào)源的諧波失真和相位噪聲情況。

難點(diǎn)三：

當(dāng)DUT的線性度較好時(shí)，其IP3較高，這時(shí)候的IP3測(cè)試有2個(gè)特點(diǎn)：一是輸入的單音信號(hào)很強(qiáng)；二是產(chǎn)生的三階互調(diào)分量很弱。由于強(qiáng)信號(hào)輸入容易使測(cè)試系統(tǒng)其他器件也進(jìn)入非線性狀態(tài)，產(chǎn)生同頻的互調(diào)分量或其他雜波；弱互調(diào)分量容易被大信號(hào)掩蓋，從而導(dǎo)致測(cè)試失敗。

應(yīng)對(duì)方案：

選用動(dòng)態(tài)范圍大的頻譜分析儀，從而能同時(shí)測(cè)量大信號(hào)與弱IM3，選用自身抗信號(hào)干擾能力強(qiáng)（IP3高）的頻譜分析儀，避免影響測(cè)量結(jié)果，選用低相位噪聲的頻譜分析儀，避免頻譜拖尾掩蓋IM3。

02解決方案

IP3的一般測(cè)試方法，可以選擇向DUT輸入2個(gè)單音信號(hào)，或是使用能產(chǎn)生雙音信號(hào)的矢量源，測(cè)出DUT輸出端單音信號(hào)的電平和三階互調(diào)產(chǎn)物的電平，再計(jì)算出IP3的大小。本案例使用兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器來仿真信號(hào)。

步驟1：

將兩個(gè)信號(hào)源的射頻輸出端口通過定向耦合器連接，并將被測(cè)件（例如放大器） 放置在定向耦合器輸出端口與分析儀輸入端口之間，具體連接如圖3所示。

圖3 連接示意圖

圖4 實(shí)物連接圖

步驟2：

按如下設(shè)置信號(hào)源：

①設(shè)置一個(gè)信號(hào)源的頻率為100MHz。

②設(shè)置另一個(gè)信號(hào)源的頻率為101MHz，使得信號(hào)源頻率之間的間隔為 1MHz。

③設(shè)置兩個(gè)信號(hào)源的功率使得頻譜儀測(cè)量的幅度相等，本例中設(shè)置為-15.0dBm。

圖5信號(hào)發(fā)生器設(shè)置示意

步驟3：

設(shè)置頻譜儀中心頻率為100.0MHz：按【頻率】、【中心頻率】。 設(shè)置儀器的中心頻率，輸入100.0MHz。 如圖6。

圖6 頻譜儀頻率設(shè)置示意圖

步驟4：

設(shè)置頻譜儀掃寬為5MHz： 按【掃寬】、【掃寬】。設(shè)置儀器的頻寬，輸入5MHz。 如圖7。

圖7 頻譜儀掃寬設(shè)置示意圖

步驟5：

設(shè)置頻譜儀衰減為0B： 按【幅度】、【衰減】。設(shè)置儀器的衰減，輸入0dB。如圖8。

圖8 頻譜儀幅度設(shè)置示意圖

步驟6：

進(jìn)入三階交調(diào)測(cè)量模式：按【測(cè)量】、【三階交調(diào)】 三階交調(diào)測(cè)量結(jié)果顯示如圖9所示，文本窗口顯示了基波頻率和功率， 以及三階交調(diào)頻率和功率，并給出了三階截?cái)嘀怠?/p>

圖9 測(cè)試結(jié)果

步驟7：驗(yàn)證結(jié)果。

①改變頻譜儀射頻輸入衰減器的衰減量，觀察互調(diào)分量的電平值是否相應(yīng)減少或增加。如果該電平值改變了，則說明頻譜儀產(chǎn)生的互調(diào)分量電平值不能忽略，測(cè)試結(jié)果無效。

②在其他條件不變的情況下，比較加上DUT和不加DUT測(cè)得的互調(diào)分量電平值。如果后者的電平值比前者的小得多則說明所測(cè)結(jié)果是DUT產(chǎn)生的互調(diào)分量；否則，測(cè)試結(jié)果無效。

當(dāng)測(cè)試結(jié)果無效時(shí)，可以嘗試減小2個(gè)單音信號(hào)的輸入電平或加大頻譜儀輸入衰減器的衰減量來獲得有效結(jié)果。

小結(jié)

鼎陽科技提供用于三階交調(diào)截止點(diǎn)（IP3）測(cè)試的解決方案，直擊高線性度器件測(cè)試中強(qiáng)信號(hào)掩蓋與弱互調(diào)分量檢測(cè)的核心痛點(diǎn)。通過頻譜分析儀，結(jié)合高精度信號(hào)源，配合智能測(cè)量套件一鍵完成IP3測(cè)試，極大的方便了用戶進(jìn)行三階交調(diào)測(cè)試。

作者丨鼎陽科技 張浩楠

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