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射频系统设计面临的一个关键问题:混频器线性度分析

工程师
2021-11-18 23:43:28    评分

混频器线性度一直是射频系统设计面临的一个关键问题。混频器的非线性会产生不需要的、不可滤的杂散、互调和非线性失真。例如,非线性混频可能导致不希望的杂散,例如2fRF✕2fLO 或2fRF✕fLO 频率分量,加剧射频系统频谱再生问题。

1、IP3和IMD

IP3是分析双音信号与其产生的互调项之间的关系的线性品质因数。

 

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PInput 是双音射频输入信号的平均功率。PFund 是频率

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 和

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 的平均功率。PIMD3 是

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 和

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 处的交调产物的平均功率(注意这里,非变频器件的三阶产物应该是2f1-f2和2f2-f1;变频器件双音互调后,再与LO变频得到

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 和

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图1.1 混频器的输出理论频谱

IIP3和OIP3都可以评估器件的非线性,混频器中IP3的计算方式可以看下图,频谱中包含不需要的杂散,其中越靠近载波的杂散信号,越难滤掉。

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图1.2 混频器的实测频谱

首先需要明确混频器的IMD产物和杂散产物的区别。IMD是由多个接近的输入频率产生,

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 和

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 ,一般认为不是由RF/IF和LO的谐波混合产生的。比如

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 一般被认为是IMD产物;而1fLO-3fRF 被认为是杂散,是RF的谐波和LO产生的。

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图1.3 DUT是一个6GRF到下变频到300MIF

2、实测结果

测试方法:固定LO为5.701G,测量RF 6G±0.5M下变频到299M±0.5M后的频谱。

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图2.1 混频器输入/输出接口

f1 是6.0005G单音信号,功率0dBm;f2 是5.9995G单音信号,功率0dBm。为避免测量误差,使用功率计在下图中校准平面校准基波的功率。(校准时,必须单独每个tone输出接功率计测量,否则功率计是把所有频率的所有信号全部计算在内,包括杂散,会造成功率误差。)

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图2.2 快速但不理想的混合器IP3测量。

然后校准LO端功率,此时LO输出功率一定要大,LO功率过小的话,无法驱动混频器正常工作(比如得到不正常的变频损耗),可能得到不正确的ip3测量结果,这里用+15dBm@5.701G的LO重复多次功率校准。

校准后,按上图连接。当我们计算IP3值时,我们通常会平均两个输入频率和两个IMD杂散的功率。可以先计算混频器的OIP3,然后再计算混频器的IIP3,因为输入功率是已知的。

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= (-8.55+-8.28)/2 + {(-8.55+-8.28)/2-(-54.02+-53.93)/2}/2 = +14.4dBm

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图2.3 实测DUT的IF输出频谱

对于这种直接频谱测量,结果看上去没什么问题。但我们没有考虑测量中的非理想情况,比如测试原理、测试系统带来的误差。

3、测试误差来源分析

3.1 误差来源1

一个主要误差来源是两个RF输入合成器之间的串扰。所有信号发生器都有锁相环(PLL),可将输出频率锁定到内部(或外部)参考频率。当在信号发生器的输出端口出现反向信号时,无论是来自不匹配负载的反射功率,还是来自外部信号源的串扰,PLL鉴相器都会做出响应。而信号发生器的输出端口的反向隔离也是有限的,反向信号的功率会泄漏到鉴相器中。

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图3.1 可能的反向信号泄露到锁相环的路径

而这个反向信号是怎么来的?如图3.2中所示,由于功分器的2个输出端口的隔离是有限的,并非理想隔离无穷大。导致2个信号源产生的信号会相互串扰。

Wilkinson功分器两个输出端的隔离远大于电阻式功分器,从功分器的一个输出端口泄露到另一个输出端口的功率会更低。使用Wilkinson功分器代替电阻式功分器,则串扰应该会减少。

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图3.2 功分器的隔离有限,导致2个信号源之间发生串扰

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图3.3 使用Wilkinson功分器进行混频器IP3测量得到的结果,有改善。

3.2 误差来源2

所有频谱仪在其IF包络检波器电路之前都有一个前端混频器,该混频器限制了系统的动态范围。为确保频谱仪的混频器不会让其自身产生谐波成分并干扰测量,必须衰减进入频谱仪的功率以防止频谱仪接收机过载。目的是抑制频谱仪的前端混频器重新混频高阶互调产物。

DUT的IIP3大概为+22dBm,简单计算,对于进入频谱仪的输入功率(两个IF音调为-8dBm),则要求频谱仪本底噪声要小于-70dBm。

如果在上面的测试环境中,增大频谱仪前端衰减器,发现测试结果有较大改善,说明此时频谱仪混频器发生了压缩。

总之,为了使结果更可信,测量设备的动态范围必须远高于用于测量数据时使用功率范围。




助工
2021-11-29 14:38:34    评分
2楼

谢谢楼主分享!


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