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如何准确测量环形器&隔离器三阶互调IM3

发布时间:2021-11-23 来源:大普通信 责任编辑:wenwei

【导读】在环形器&隔离器的设计中,如何控制好三阶互调失真信号(以下部分简称IM3)是非常有挑战的,特别是产品工作频率小于1GHz的环形器或隔离器,比如现在很热门的700MHz频段5G应用;而对客户而言,比较难的是怎么相信和判断环形器&隔离器厂家所提供测试数据的准确性。


怎样才能正确的测量出环形器&隔离器三阶互调失真信号呢?


在大功率射频系统中,当两个信号在一个线性系统里,由于非线性因素存在使得一个信号f1的二次谐波与另一个信号f2的基波混频产生两个寄生信号2f1-f2和2f2-f1,也就是所谓的三阶互调失真信号。同理,3f1-2f2或者3f2-2f1则称之为五阶互调失真信号,如下图所示:


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IM3对于我们信号系统有什么影响呢?举个简单的例子,当我们需要录制语音或者音乐,并想尽可能原汁原味将其再现时,失真就不受欢迎了。通常人们所说的“失真”指的就是非线性失真,这其中就包括了IM3。


这些互调失真信号都不是我们所需要的,但是却也无法完全消除掉,但是我们可以通过设计将其降低到我们可以接受的范围内。


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系统设计者们希望尽量降低这些杂讯的功率,首先是需要准确测量这些失真信号的功率大小,那么如何将这些失真信号准确的测试出来就是一个巨大的挑战。


本次,我们主要讨论IM3互调失真信号的测量,暂不讨论如何降低系统IM3信号功率。另外,五阶互调IM5失真信号的功率与单音信号或IM3的信号相比非常小,所以目前绝大部分客户仅仅测试3rd IMD即可。


搭建3rd IMD测试环境


下图是前向IM3测试环境的典型框架和仪表连接图,及测试过程:


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●     Keysight 5182A信号发生器产生2个信号源f1&f2

●     经过Bonn 宽带AMP(150W 1000M1)功率放大器分别放大f1&f2

●     在无源模块中,经过N型同轴隔离器隔离功放与3dB电桥(>50dB的隔离度);

●     再经过超低互调的3dB电桥将2个信号合路为一个信号(3dB电桥的选择尤为重要);

●     合路信号经过DUT(Device Under Test),在本次测试中为大普环形器;

●     再经过2个定向耦合器(Directional Coupler)输出功率到PSA,定向耦合器必须端接具有出色VSWR(<1.1)带宽大功率负载;

●     最后经过PSA频谱分析仪&功率计测试分析测量信号的大小;

●     通过大普定制化软件通过计算输出IMD分析结果并产生相应的报告;


测试过程中需要注意的事项


测试环境中的连接器、电缆和测试夹具也都会影响 IM3测量结果:


1. 推荐N型连接器,在测试环境中保持连接器干净并正确拧紧,尽量使用镀银连接器;


2. 推荐高性能低PIM N型射频线缆,其具有非常好的相位稳定性和低互调特性;


3. 测试夹具和DUT尽量在完全隔离磁场等环境下测试,确保充分屏蔽杂散辐射信号干扰。


其它注意事项:


1. 测试过程中,应当使用频谱分析仪来测量相对功率(dBc),而不是绝对功率 (dBm)。


2. 功率计和频谱分析仪等仪表仅在其特征阻抗(50 欧姆)时测量准确,因此匹配不良的 DUT或链路也会导致测试结果不准确,所以确保整个链路的阻抗无限接近50ohm ,被测件DUT的输入输出VSWR尽量<1.25。


3. 仪表的输入功率不要超过仪表的最大可允许值这样过分驱动频谱分析仪(E4445A)的内部混频器。混频器过载会导致测试值误差,因此分析仪的输入电平应当<-23dBm,典型分析仪设置为:


●     pan = 2kHz 

●     RBW = 3Hz 

●     VBW = 3Hz


测试误差的计算


每个系统都会有测量误差。 这个测量误差可以计算出来:


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事实上,我们测量系统的IMDsystem和器件实际的误差之间IMDdevice有如下图的关系。


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简单说明一下上图的关系。比方说,我们的测试系统的系统IM3测量值要尽量远大于被测器件的实际测量值,例如量具的精度要远大于被测件,量具的精度相对于被测试件精度越高测量就越准确误差就越小反之,则误差就会变大。


在现实的测试过程中,我们一般要保证IMDsystem - IMDdevice ≤ -15dB,这时候测量误差大约为 +1.4dB / -1.7dB,我们认为这个测量误差在实际测试中是可以可接收的。当然为了最小化测量误差,IMD系统IM3应该优于被测件DUT IM3IMDsystem - IMDdevice ≤ -30dB或更多这样产生的误差会更小。


综上所述


三阶互调(IM3)测试是一个非常复杂的系统测试,每一个环节的误差如果控制不好,经过层层累加,反馈到最终的测试结果上,就会和实际的指标存在较大的差异。


一套高精度的测试系统投入较大,并且具有较强的专用性,绝大部分客户是没有自建的测试能力,现在的网络环境对IMD的指标要求又越来越高,对环形器&隔离器的设计挑战也很大,产品本身的指标余量往往不是很足,而目前很多系统的测试结果是要优于实际指标,最终是有可能会导致客户的整套系统的IMD指标出现问题,再往回追溯的难度和成本都会非常高。


目前市面上关于互调测试设备的种类和类型有很多,但是不同的测试系统往往会带来不同的测量误差,大普通信采用高精度的搭建式系统,信号源和频谱分析等仪表均采用独立的品牌专用仪表,其信号和分析精度可靠并可以根据需要升级,在保护功放的情况下切换到任意频率和功率大小。最终是可以确保测试结果和实际指标的误差控制在一个最小的范围,可以给到客户一个放心可靠的选择。以700 MHz为例,当前大普的系统IMDsystem经过长期可靠使用可以保证<-95dBc(2x65w ,1MHz Spacing)。


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