概述

當兩個或更多信號同時作用于有源器件（如放大器、混頻器）的輸入端時，由于器件的非線性特性，除了產(chǎn)生各信號的諧波外，信號之間的組合還會產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物（Intermodulation Products）。

互調(diào)產(chǎn)物電平與輸入信號電平的關(guān)系遵循以下規(guī)律：若兩個正弦輸入信號的幅度變化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)物的各輸入信號頻率項次數(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 兩個正弦信號輸入后的頻譜圖

截止點（Intercept Point,IP）是一個理論概念，定義為：當輸入信號增大到使基波輸出信號（理想線性放大）與n階互調(diào)產(chǎn)物輸出信號（理想非線性）在功率上相等時的交點，如圖2所示。但該截止點在實際測試中無法直接達到，因為在信號增大到該點之前，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）對測量的影響通常最為顯著，因此常定義二階截止點：IP2，三階截止點：IP3。

圖2 IM3與輸入信號功率的關(guān)系

需要注意的是測量截止點時，必須確保輸入衰減器的設(shè)置為0dB。因為隨著衰減器衰減量的增加截止點也將升高（衰減降低了輸入到第一級有源器件的信號功率，減少了其非線性效應(yīng)，但同時會惡化噪聲系數(shù)）。

01難點與挑戰(zhàn)

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

難點一：

IP3是基波信號與三階互調(diào)產(chǎn)物（IM3）功率外推的交點，實際器件在達到該功率前早已飽或壓縮，無法真實工作在IP3點。因此需在遠離飽和區(qū)的線性區(qū)域測量IM3，再按斜率外推。若測試點選擇不當（如靠近壓縮區(qū)），外推結(jié)果會嚴重偏離，從而導(dǎo)致測試失敗。

應(yīng)對方案：

通過預(yù)測試確定線性工作區(qū)，如-30dBm至-10dBm輸入，在多個功率點測量IM3，線性回歸驗證斜率是否為3:1，確保處于線性工作區(qū)。

難點二：

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

應(yīng)對方案：

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（需提前計算信號源功率余量）并在測試前驗證信號源的諧波失真和相位噪聲情況。

難點三：

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

應(yīng)對方案：

選用動態(tài)范圍大的頻譜分析儀，從而能同時測量大信號與弱IM3，選用自身抗信號干擾能力強（IP3高）的頻譜分析儀，避免影響測量結(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的一般測試方法，可以選擇向DUT輸入2個單音信號，或是使用能產(chǎn)生雙音信號的矢量源，測出DUT輸出端單音信號的電平和三階互調(diào)產(chǎn)物的電平，再計算出IP3的大小。本案例使用兩個信號發(fā)生器來仿真信號。

步驟1：

將兩個信號源的射頻輸出端口通過定向耦合器連接，并將被測件（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 實物連接圖

步驟2：

按如下設(shè)置信號源：

①設(shè)置一個信號源的頻率為100MHz。

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

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

圖5信號發(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：

進入三階交調(diào)測量模式：按【測量】、【三階交調(diào)】 三階交調(diào)測量結(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，并給出了三階截斷值。

圖9 測試結(jié)果

步驟7：驗證結(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結(jié)果是DUT產(chǎn)生的互調(diào)分量；否則，測試結(jié)果無效。

當測試結(jié)果無效時，可以嘗試減小2個單音信號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（IP3）測試的解決方案，直擊高線性度器件測試中強信號掩蓋與弱互調(diào)分量檢測的核心痛點。通過頻譜分析儀，結(jié)合高精度信號源，配合智能測量套件一鍵完成IP3測試，極大的方便了用戶進行三階交調(diào)測試。

作者丨鼎陽科技 張浩楠

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