混频器测试建议书

AgilentTechnologies,Inc.2009混频器测试建议书混频器测试建议书December,2009安捷伦科技有限公司第2页混频器测试建议书一、概述1、混频器特点变频器件是每一个射频或微波收发信机连路中的基本元件之一，这些器件共同的特点是利用器件的非线性特性，使器件的输入/输出信号发生频率的变化。常见的变频器件包括混频器（Mixer），处于非线性区的放大器，I/Q调制解调器，包含滤波器和放大器的射频前端电路等。2、混频器主要测试参数变频器会呈现出相应的线性和非线性特性，因此对它的测试提出了独特的测试任务。这些测试参数包括：传输测量包括变频损耗或增益、群时延、线性相位偏差和端口之间隔离；反射测量包括回波损耗和电压驻波比；混频器测试建议书December,2009安捷伦科技有限公司第3页一些表征由变频过程所增加的失真测量包括互调失真、变频压缩和不需要的混频分量；二、混频器测试所面临的挑战1、输入和输出处于不同频率器件的传输特性定义为输出信号和输入信号的比值。对于非频率变换器件来讲，因为所有接收机的频率都一样,故可以对幅度和相位两者进行测试。但对变频器件而言，其输出信号和输入信号是不同频率的，不同频率信号进行相位比较是没有意义的。对变频器件传输的相位特性指标定义如下：所以对于变频器件的绝对相位参数测试必需利用参考混频器来提供参考信号。对于参考器件需要明确其具体参数。然后通过校准消除其对测试结果的影响。同时网络分析仪需要具有频率偏置功能2、多端口器件、需要两路输入混频器一般为三端口器件，需要提供被测混频器本振信号，本振信号需要满足被测件功率和频率范围要求混频器测试建议书December,2009安捷伦科技有限公司第4页3、不能进行传统的矢量网络分析误差修正任何仪表完成测量都会包含仪表的系统误差，网络分析仪测试过程中可以通过校准来消除其系统误差，保证测量的精度。对混频器的测量，因为其输入和输出不同频，所以需要采取新的校准方法消除仪表系统误差而不能用传统的2端口校准对变频损耗/增益测量进行误差修正。这是因为混频器或变频器的激励（输入）和响应（输出）信号处在不同的频率上。4、传统的测试技术所面临的问题传统的混频器测试方案主要包括：1、基于频谱仪，信号源，或者标量网络分析仪的标量测试方案：这样的测试方法只能够得到变频损耗等标量信息，无法得到变频的绝对相位和绝对群时延指标；2、上、下变频串联测试方法：利用参考混频器将被测混频器的信号反变换为输入同频信号。这样网络分析仪可工作在频率同步状态进行测试。此时测试结果是被测混频器和参考混频器综合的参数性能，如果参考混频混频器和被测混频器具备相近的性能指标，可通过均分计算得到单个混频器的性能参数。这种测试有很多局限性：例如要求匹配的配对混频器、需要滤波器来消除混频器杂波对测试结果的影响、使用衰减器改善端口匹配性能、很难达到高测试精度。混频器测试建议书December,2009安捷伦科技有限公司第5页3、双音激励，通过测量双音激励的相位变化来计算出群时延：此种方法类似于早期的AM（调幅）和PM（调相）之后连接鉴相器测量相位然后进行群时延测试，精度差，测试误差大，并且一般要求相邻两点间的频率间隔大于1MHz，测试的时候需要golden混频器，很难实现；此外，在某些频率上精度会明显下降。三、基于矢量网络分析仪的混频器测试技术1、混频器的矢量测试技术针对反射参数测量，测试仪表工作在相同频状态，矢网可通过端口校准消除仪表系统误差。为测量混频器的矢量传输性能，可采用参考混频起器和被测混频器并连配置方案（如上图）。参考混频器和被测混频器工作在相同的变频关系下。测试过程中，两个混频器实际上共用相同的激励和本振信号。利用网络分析仪的参考接收机和端口2接收机分别测量参考混频器和被测混频器的输出信号。这两个信号为同频信号。可以完成相位比较，所以可得到被测混频器的传输相位参数。参考混频器引入的测量误差可以通过网络分析仪的矢量校准技术消除，在校准过程中，需要准备一个校准混频器，校准混频器的频率变化关系也需要和被测混频器相同，同时满足互易的条件。这样就可以完成混频器的矢量校准过程。Agilent混频器测试建议书December,2009安捷伦科技有限公司第6页PNA-X系列网络分析仪提供专利的混频器矢量校准技术，可以消除各种系统误差，得到被测变频器件的绝对相位特性和群时延指标。同时网络分析仪需要可切换的参考通道，测试过程中根据测试参数选择参考通道信号的流程。反射参数测试中，参考接收机路径通过直通连接。传输参数测量中，需要外置的参考混频器提供参考信号。为了得到高的传输幅度精度和群时延测试精度，需要网络分析仪具有很高的幅度和相位精度，具有频率偏置模式，同时可以提供矢量校准。2、多级变频系统的测量图：1个典型的2级变频系统，频率任意取的值在卫星通信中会大量使用到卫星转发器，卫星转发器通常具备如下特点：多次变频（通常2次或2次以上变频），高增益（50dB以上），低输入（-50dBm~-70dBm），低中频输出(200MHz)。如何准确的测量出此种多级变频系统的群时延，是设计工程师和测试工程师一直亟需解决的难题。混频器测试建议书December,2009安捷伦科技有限公司第7页根据变频器的矢量测试技术，下图为最直观也最容易被想到的配置。但是这种设置，两次变频，校准混频器的损耗较大（通常10dB），这样导致变频器的矢量混频器校准过程中，由于校准混频器的损耗较大，变频器的矢量混频器校准精度不高，影响了2次变频器的矢量测试精度，尤其是群时延的测量精度。如果是三次变频的话，校准混频器的损耗更大，群时延的测量精度更差。针对这种情况，安捷伦公司推出了一种新的方案，即多级变频器的矢量校准时，跟单级变频器的矢量校准一样，同样只用1个参考混频器，1个校准混频器；而测量时采用1个参考混频器，被测的多级变频系统采用多个本振源，参考混频器只用一个准本振源（meta-LO），由示意图所示，这里的准本振源（meta-LO）实际上完全来自于为被测2级变频系统提供的2级本振信号，这样可以消除参考混频器本振与被测变频系统系统本振之间的相对频率误差，提供最高的变频测量精度。混频器测试建议书December,2009安捷伦科技有限公司第8页另外，由于多级变频系统的输入功率都很小（-50dBm～-70dBm），如果矢量校准过程中，直接设置此功率进行校准，校准精度是很差的。因此，针对这种高增益的变频器，采取了以下的优化步骤来提高矢量校准的精度。对于射频输入功率不小于-50dBm的变频器测试，第一步：在较大功率处得到校准混频器的特性（典型的为-15dBm），此时矢网的源衰减器设置为0dB；第二步：在较小功率处完成矢量校准的其他步骤（典型的为-45dBm），此时矢网的激励源衰减器设置为30dB；第三步：测试时，在同样的源衰减设置下（30dB），进一步减小源功率至-50dBm（即不改变衰减器设置而只调整源的ALC以确保校准混频器测试建议书December,2009安捷伦科技有限公司第9页的有效性），完成多级变频系统的矢量测试。另一点需要注意，即在矢量校准和测试过程中，需要把矢网S参数测试座中用于测量中频信号的接收机所连接的内置耦合器旁路掉，因为在低中频变频器测试时（200MHz），耦合器的耦合系数很大（典型的为40dB）,如果还连接耦合器的话，到达测量接收机的信号会大大减小，尤其是矢量校准过程中，接近于底噪，会严重影响测量精度。如果射频输入更低，例如-70dBm，由于矢网的ALC（自动电平控制）功率扫描范围基本为35dB，为确保校准的有效性，在不能改变衰减器设置前提下可以计算出在获取校准混频器特性时最大功率只能为-35dBm左右，这时会因为信噪比较低导致校准精度相对较差，此时，有一种更有效的测试方案，即矢量校准设置和2级变频系统的矢量校准设置一样，但是在整个校准过程中矢网的源功率设定在-15dBm而不像上一种方法那样中途改变功率设置，这样能够保证矢量校准的精度；测试的时候在被测变频系统之前加一55dB的衰减器，测出衰减器和被测变频系统总的响应，然后在矢网里把衰减器的响应去嵌入即可得到被测的多级变频系统的响应，包括了绝对相位和绝对群时延，而且精度非常高。混频器测试建议书December,2009安捷伦科技有限公司第10页四、安捷伦PNA-X网络仪混频器测试应用特点1、PNA-X网络分析仪提供专利的混频器测试矢量校准技术，支持对混频器传输参数绝对时延指标的高精度测试并已经通过验证实验得到了很好的测试结果。2、具备业内最高的测试精度及稳定性，测量结果轨迹噪声小：0.006dBrms(幅度精度)0.06度rms(相位精度)，这是变频系统测试的精度的保障。3、PNA-X网络仪可配置为内置双源。源1作为被测混频器激励，源2作为混频器本振。方便混频器参数测试。对于对固定中频变本振的变频器测试，内置本振源能大大提高混频器测试速度（比控制外部本振源快几十倍）。源1和源2的相位相参关系可保证对混频器相位参数测试结果的稳定和正确性。4、针对本振内置的变频电路，一直是变频相位参数测试中比较困难的测试，PNA-X提供EmbeddedLO测试功能解决了这一难题，利用变频矢量校准及本振搜索技术，保证对相位参数和群时延测试的准确性。混频器测试建议书December,2009安捷伦科技有限公司第11页5、可完成各种混频模式的测试，包含固定本振和固定中频模式的测试，支持多次混频器件的测试；对于包含混频及放大器的接收机前端，还可在变频模式下进行扫频压缩点及交调测试等。参考配置：型号选件及附件产品描述备注矢网部分N5242A10MHz~26.5GHzPNA-X矢量网络分析仪N5242A-200双端口，单源规格N5242A-219加装内置源和接收机衰减器及内置Bias-TeeN5242A-224加装内置第二个源、内置合路器及开关(推荐可选）N5242A-080频率偏置模式N5242A-083带矢量变频校准的变频器测试功能N5242A-084内嵌本振变频器测试功能（需选件080及083配合使用，推荐可选））N5242A-086扫频增益压缩测试功能(推荐可选）N5242A-087互调失真测试功能（内置低谐波双源通过内置合路器提供双音信号，推荐可选）N5242A-010时域功能(推荐可选）电缆及校准件85131F稳相测试电缆（一对）N4691B电子校准件,300kHz~26.5GHz,3.5mmN4691B-00A增加3.5mm适配器本振信号源（如矢网不选内置双源对于2级混频测试需要2台）E8257D微波信号源E8257D-520250kHz~20GHz频率范围E8257D-1E1内置步进衰减器E8257D-1EU高功率输出程控电缆82357BUSB/GPIB接口（用于矢网控制本振信号源）10833DGPIB电缆,0.5米其它还需要一些功分器、连接电缆及滤波器等测试附件