NXN技術(shù)在混頻器測試中的應(yīng)用
1 概述
混頻器是最常見的變頻器件, 而變頻器件的測量一直以來都相對(duì)困難和復(fù)雜。傳統(tǒng)的測量方法包括使用頻譜儀、標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等。采用功率計(jì)和頻譜儀可以對(duì)幅度特性進(jìn)行測量,無法測量相位特性,同時(shí),測量不同的參數(shù)需要不同的連接方式;采用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量和常規(guī)器件測量相比,也存在一些困難:輸入和輸出信號(hào)處于不同頻率;是多端口器件;需要兩路輸入;匹配一般都不好;不能進(jìn)行矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的誤差修正等。
本文主要講述通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來完成混頻器的測試方法,具體通過安立公司的網(wǎng)絡(luò)分析儀和軟件,闡述一種NXN技術(shù)(也可以叫三混頻器技術(shù))在混頻器測試中的應(yīng)用,通過這種方法,可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的誤差修正,同時(shí)測量連接方式簡單,一次測量就可以得到所有的參數(shù)。
2 混頻器測量的傳統(tǒng)解決方法
混頻器作為基本的頻率變換器件,其主要測量參數(shù)有傳輸特性(變頻損耗、相位、群延遲)、發(fā)射特性(回波損耗、隔離度)、非線形(變頻壓縮、高階混頻產(chǎn)物、雙音IMD)等。
采用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行器件的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)測量通常有以下幾個(gè)要求:
1) 矢量信號(hào)分析儀測量是比較測量法,要求測試通道信號(hào)和參考信號(hào)通道信號(hào)的頻率一致;
2) 一般參考通道的信號(hào)直接來自矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的射頻信號(hào)源;
3)
由于混頻器或變頻器有關(guān)變頻的測量則不能滿足上述要求。混頻器的測量需要不同于傳統(tǒng)器件測量的特殊的連接方式。
常規(guī)的測量方法主要采用"已知"混頻器"Golden Piece"法。在這種方法中,測量獲得的數(shù)據(jù)是與"已知"混頻器"Golden Piece"的數(shù)據(jù)的相對(duì)值。這種方法在行業(yè)中已經(jīng)被認(rèn)為是頻率變換器件測量的標(biāo)準(zhǔn)測量法。在測量中要用到兩個(gè)混頻器,一個(gè)的輸出用于鎖定VNA,另一個(gè)用于測量。首先,測量Golden Piece的幅度和相位并存儲(chǔ);DUT的測量結(jié)果和Golden Piece的結(jié)果比較,可以得到一個(gè)相對(duì)的結(jié)果。
混頻器常規(guī)測量法原理圖如圖1所示。A1參考接收機(jī)端口為IF參考信號(hào);B1測量接收機(jī)端口為IF測量信號(hào),而非反射信號(hào);測量結(jié)果為A1/B1的比值;A1、B1信號(hào)的頻率一致,因此可以比相并由相位曲線導(dǎo)出群時(shí)延。
采用這種常規(guī)測量方法主要存在以下缺點(diǎn):
1) 對(duì)于不同參數(shù)的測量仍然需要不同的連接方式;
2) 由于使用標(biāo)準(zhǔn)混頻器"Golden Piece"進(jìn)行校準(zhǔn),標(biāo)準(zhǔn)混頻器"Golden Piece"的任何損耗或損害都會(huì)破壞原有的參考標(biāo)準(zhǔn);
3) 不同來源的產(chǎn)品的比較是很困難的;
4) 不能對(duì)源和負(fù)載匹配的測量進(jìn)行修正;
5) 與進(jìn)行"S"參數(shù)測量的連接方式不同。
圖1 混頻器常規(guī)測量法原理圖
3 混頻器測量的NXN測量法
美國安立公司提出了一種針對(duì)混頻器測量的NXN測量法,這種方法有效的解決了常規(guī)測量法所無法解決的一些困難和技術(shù)難點(diǎn)。
NXN測量法,簡單的說,它是基于混頻器為互易器件的測量方法。其測量原理框圖如圖2所示。需要三個(gè)混頻器,由于混頻器1在兩個(gè)方向上都需要進(jìn)行測量,所以要求混頻器1為雙向混頻器。由于需要濾出鏡頻信號(hào),需要中頻濾波器。該方法主要通過在校準(zhǔn)時(shí)解三個(gè)方程求三個(gè)未知數(shù),即通過三個(gè)三元一次方程得到唯一解的辦法,然后將解出的參數(shù)代入對(duì)DUT的測量得到一個(gè)一元一次方程并求出解。
由原理圖可知,采用NXN測量法使得進(jìn)入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號(hào)不是變頻信號(hào),此方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以直接對(duì)混頻器的幅度和相位進(jìn)行測量,測量結(jié)果是絕對(duì)數(shù)據(jù),不是相對(duì)數(shù)據(jù),結(jié)果更準(zhǔn)確;同時(shí)可以對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行誤差校準(zhǔn),即12項(xiàng)誤差,如頻率響應(yīng)、源匹配、負(fù)載匹配等,可以得到實(shí)時(shí)的12項(xiàng)誤差校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
圖2 NXN測量法測量混頻器原理框圖
4 NXN測量法的具體應(yīng)用
4.1 測量器件
DUT #1- #3 = 混頻器 (同種類型, 必要條件)
M1-0418 微波雙平衡混頻器
LO/RF頻率范圍4.0 to 18.0 GHz
IF頻率范圍DC to 4.0 GHz
LO功率 +15dBm
(設(shè)置LO信號(hào)源功率為10 dBm,因?yàn)槭褂昧薒O放大器.)
在下面應(yīng)用中:
RF= 10.04 GHz to 11 GHz, 功率電平 + 0dBm
IF = 0.04 GHz to 1 GHz.
LO = 10GHz, LO功率 = 10 dBm.
4.2 儀器設(shè)置
VNA: 37200B or 37300A
LO源: 安立69347頻率綜合器, 滿足混頻器LO驅(qū)動(dòng)功率要求
PC:安裝 2300-232 軟件 (Windows 3.1 or 95, 16 or 32 bit)
GPIB總線: PC通過GPIB控制VNA,信號(hào)源在多源控制模式下通過GPIB受控于VNA。如果是固定LO測量, VNA不需要控制外部信號(hào)源。
測試框圖如圖3所示
注:為了提高測量結(jié)果的匹配,可以用6dB的隔離器替換3dB的。
1、放大器用于提高LO的驅(qū)動(dòng)能力,并增加隔離能力。隔離器也是用于隔離。如果不用放大器那么必須有足夠的LO驅(qū)動(dòng)能力。通常隔離在RF和IF端口最需要。
2、 帶通濾波器必須調(diào)整帶寬通過IF信號(hào),濾掉其他信號(hào),使虛假信號(hào)最小化。在例子中,由于是1GHz的IF,需要用2GHz的低通濾波器。
注意框圖中的混頻器是同種類型的,背靠背的。第一個(gè)下變頻,第二個(gè)上變頻,使VNA輸入輸出信號(hào)在頻率上一致。
在圖3中,校準(zhǔn)時(shí)PEI(Phase equal insertables) 是必須的.,但是它和測量無關(guān),所以在圖3中未包括。
4.3 測量步驟
第一步:濾波器和連接校準(zhǔn)測量
第一步測量是對(duì)第一混頻器的輸出和第二混頻器的輸入之間的一切環(huán)節(jié)進(jìn)行測量。對(duì)于固定IF執(zhí)行全雙端口校準(zhǔn),掃頻方式 (0.04 to 1GHz)或者連續(xù)波,信號(hào)源功率等于0dBm. 在IF和RF之間采用同樣的步進(jìn)掃頻,頻率點(diǎn)必須是401個(gè)點(diǎn)。在端口2測試電纜需要采用PEI(phase equal insertable)。
連接原理框圖如圖4所示。
第二步:混頻器測量
圖4 IF濾波器校準(zhǔn)原理
原理框圖如圖5所示。
VNA需在RF范圍內(nèi)校準(zhǔn),10.04到11GHz,401個(gè)點(diǎn),信號(hào)源功率為0dBm。采用多源控制模式驅(qū)動(dòng)LO信號(hào)源,對(duì)于固定LO測量不需要多源控制模式。需要在混頻器的射頻端連接3dB的隔離器,在校準(zhǔn)時(shí)每個(gè)端口都應(yīng)連接隔離器。在端口2應(yīng)該連接PEI(Phase Equal Insertable)。如果需要更好的匹配可以使用 6dB的隔離器取代 3 dB的隔離器。
第3步:參考混頻器選擇
選擇混頻器3作為參考混頻器。軟件將會(huì)嵌入IF濾波器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、交連校準(zhǔn)數(shù)據(jù),和混頻器3校準(zhǔn)數(shù)據(jù)用于校準(zhǔn)。到現(xiàn)在為止,已經(jīng)可以進(jìn)行任何混頻器的測量了,混頻器3在位置2上作為參考混頻器。插入未知混頻器在位置1,然后可以測量S21、群時(shí)延、相位線性度等。
附圖是采用NXN測量的結(jié)果和波形圖。
Measurement Result.
IF Response at Cal.
Mixer 1 - 2 RF Response at Cal.
Mixer 1 - 3 RF Response at Cal.
Mixer 2 - 3 RF Response at Cal.
Measurement Resutl of Mixer 2
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