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    如何準確測量環形器&隔離器三階互調IM3

    發布時間:2021-11-23 來源:大普通信 責任編輯:wenwei

    【導讀】在環形器&隔離器的設計中,如何控制好三階互調失真信號(以下部分簡稱IM3)是非常有挑戰的,特別是產品工作頻率小于1GHz的環形器或隔離器,比如現在很熱門的700MHz頻段5G應用;而對客戶而言,比較難的是怎么相信和判斷環形器&隔離器廠家所提供測試數據的準確性。


    怎樣才能正確的測量出環形器&隔離器三階互調失真信號呢?


    在大功率射頻系統中,當兩個信號在一個線性系統里,由于非線性因素存在使得一個信號f1的二次諧波與另一個信號f2的基波混頻產生兩個寄生信號2f1-f2和2f2-f1,也就是所謂的三階互調失真信號。同理,3f1-2f2或者3f2-2f1則稱之為五階互調失真信號,如下圖所示:


    12.png


    IM3對于我們信號系統有什么影響呢?舉個簡單的例子,當我們需要錄制語音或者音樂,并想盡可能原汁原味將其再現時,失真就不受歡迎了。通常人們所說的“失真”指的就是非線性失真,這其中就包括了IM3。


    這些互調失真信號都不是我們所需要的,但是卻也無法完全消除掉,但是我們可以通過設計將其降低到我們可以接受的范圍內。


    13.jpg


    系統設計者們希望盡量降低這些雜訊的功率,首先是需要準確測量這些失真信號的功率大小,那么如何將這些失真信號準確的測試出來就是一個巨大的挑戰。


    本次,我們主要討論IM3互調失真信號的測量,暫不討論如何降低系統IM3信號功率。另外,五階互調IM5失真信號的功率與單音信號或IM3的信號相比非常小,所以目前絕大部分客戶僅僅測試3rd IMD即可。


    搭建3rd IMD測試環境


    下圖是前向IM3測試環境的典型框架和儀表連接圖,及測試過程:


    14.png


    15.jpg


    ●     Keysight 5182A信號發生器產生2個信號源f1&f2;

    ●     經過Bonn 寬帶AMP(150W 1000M1)功率放大器分別放大f1&f2;

    ●     在無源模塊中,經過N型同軸隔離器隔離功放與3dB電橋(>50dB的隔離度);

    ●     再經過超低互調的3dB電橋將2個信號合路為一個信號(3dB電橋的選擇尤為重要);

    ●     合路信號經過DUT(Device Under Test),在本次測試中為大普環形器;

    ●     再經過2個定向耦合器(Directional Coupler)輸出功率到PSA,定向耦合器必須端接具有出色VSWR(<1.1)帶寬大功率負載;

    ●     最后經過PSA頻譜分析儀&功率計測試分析測量信號的大??;

    ●     通過大普定制化軟件通過計算輸出IMD分析結果并產生相應的報告;


    測試過程中需要注意的事項


    測試環境中的連接器、電纜和測試夾具也都會影響 IM3測量結果:


    1. 推薦N型連接器,在測試環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定性和低互調特性;


    3. 測試夾具和DUT盡量在完全隔離磁場等環境下測試,確保充分屏蔽雜散輻射信號干擾。


    其它注意事項:


    1. 測試過程中,應當使用頻譜分析儀來測量相對功率(dBc),而不是絕對功率 (dBm)。


    2. 功率計和頻譜分析儀等儀表僅在其特征阻抗(50 歐姆)時測量準確,因此匹配不良的 DUT或鏈路也會導致測試結果不準確,所以確保整個鏈路的阻抗無限接近50ohm ,被測件DUT的輸入輸出VSWR盡量<1.25。


    3. 儀表的輸入功率不要超過儀表的最大可允許值這樣過分驅動頻譜分析儀(E4445A)的內部混頻器?;祛l器過載會導致測試值誤差,因此分析儀的輸入電平應當<-23dBm,典型分析儀設置為:


    ●     pan = 2kHz 

    ●     RBW = 3Hz 

    ●     VBW = 3Hz


    測試誤差的計算


    每個系統都會有測量誤差。 這個測量誤差可以計算出來:


    16.png


    事實上,我們測量系統的IMDsystem和器件實際的誤差之間IMDdevice有如下圖的關系。


    17.jpg


    簡單說明一下上圖的關系。比方說,我們的測試系統的系統IM3測量值要盡量遠大于被測器件的實際測量值,例如量具的精度要遠大于被測件,量具的精度相對于被測試件精度越高測量就越準確誤差就越小反之,則誤差就會變大。


    在現實的測試過程中,我們一般要保證IMDsystem - IMDdevice ≤ -15dB,這時候測量誤差大約為 +1.4dB / -1.7dB,我們認為這個測量誤差在實際測試中是可以可接收的。當然為了最小化測量誤差,IMD系統IM3應該優于被測件DUT IM3IMDsystem - IMDdevice ≤ -30dB或更多這樣產生的誤差會更小。


    綜上所述


    三階互調(IM3)測試是一個非常復雜的系統測試,每一個環節的誤差如果控制不好,經過層層累加,反饋到最終的測試結果上,就會和實際的指標存在較大的差異。


    一套高精度的測試系統投入較大,并且具有較強的專用性,絕大部分客戶是沒有自建的測試能力,現在的網絡環境對IMD的指標要求又越來越高,對環形器&隔離器的設計挑戰也很大,產品本身的指標余量往往不是很足,而目前很多系統的測試結果是要優于實際指標,最終是有可能會導致客戶的整套系統的IMD指標出現問題,再往回追溯的難度和成本都會非常高。


    目前市面上關于互調測試設備的種類和類型有很多,但是不同的測試系統往往會帶來不同的測量誤差,大普通信采用高精度的搭建式系統,信號源和頻譜分析等儀表均采用獨立的品牌專用儀表,其信號和分析精度可靠并可以根據需要升級,在保護功放的情況下切換到任意頻率和功率大小。最終是可以確保測試結果和實際指標的誤差控制在一個最小的范圍,可以給到客戶一個放心可靠的選擇。以700 MHz為例,當前大普的系統IMDsystem經過長期可靠使用可以保證<-95dBc(2x65w ,1MHz Spacing)。


    18.jpg



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