三混頻器技術(shù)在混頻器測試中的應用

混頻器是最常見(jiàn)的變頻器件， 而變頻器件的測量一直以來(lái)都相對困難和復雜。傳統的測量方法包括使用頻譜儀、標量網(wǎng)絡(luò )分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀等。采用功率計和頻譜儀可以對幅度特性進(jìn)行測量，無(wú)法測量相位特性，同時(shí)，測量不同的參數需要不同的連接方式；采用網(wǎng)絡(luò )分析儀測量和常規器件測量相比，也存在一些困難：輸入和輸出信號處于不同頻率；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(guò)矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀來(lái)完成混頻器的測試方法，具體通過(guò)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用，通過(guò)這種方法，可以實(shí)現實(shí)時(shí)的誤差修正，同時(shí)測量連接方式簡(jiǎn)單，一次測量就可以得到所有的參數。

2 混頻器測量的傳統解決方法

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(xiàn)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 )參數測量通常有以下幾個(gè)要求：

1） 矢量信號分析儀測量是比較測量法，要求測試通道信號和參考信號通道信號的頻率一致；

2） 一般參考通道的信號直接來(lái)自矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀的射頻信號源；

3）由于混頻器或變頻器有關(guān)變頻的測量則不能滿(mǎn)足上述要求?；祛l器的測量需要不同于傳統器件測量的特殊的連接方式。

常規的測量方法主要采用"已知"混頻器"Golden Piece"法。在這種方法中，測量獲得的數據是與"已知"混頻器"Golden Piece"的數據的相對值。這種方法在行業(yè)中已經(jīng)被認為是頻率變換器件測量的標準測量法。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；DUT的測量結果和Golden Piece的結果比較，可以得到一個(gè)相對的結果。

混頻器常規測量法原理圖如圖1所示。A1參考接收機端口為IF參考信號；B1測量接收機端口為IF測量信號，而非反射信號；測量結果為A1/B1的比值；A1、B1信號的頻率一致，因此可以比相并由相位曲線(xiàn)導出群時(shí)延。

采用這種常規測量方法主要存在以下缺點(diǎn)：

1） 對于不同參數的測量仍然需要不同的連接方式；

2） 由于使用標準混頻器"Golden Piece"進(jìn)行校準，標準混頻器"Golden Piece"的任何損耗或損害都會(huì )破壞原有的參考標準；

3） 不同來(lái)源的產(chǎn)品的比較是很困難的；

4） 不能對源和負載匹配的測量進(jìn)行修正；

5） 與進(jìn)行"S"參數測量的連接方式不同。

圖1 混頻器常規測量法原理圖

3 混頻器測量的NXN測量法

美國安立公司提出了一種針對混頻器測量的NXN測量法，這種方法有效的解決了常規測量法所無(wú)法解決的一些困難和技術(shù)難點(diǎn)。

NXN測量法，簡(jiǎn)單的說(shuō)，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，需要中頻濾波器。該方法主要通過(guò)在校準時(shí)解三個(gè)方程求三個(gè)未知數，即通過(guò)三個(gè)三元一次方程得到唯一解的辦法，然后將解出的參數代入對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 )分析儀的信號不是變頻信號，此方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以直接對混頻器的幅度和相位進(jìn)行測量，測量結果是絕對數據，不是相對數據，結果更準確；同時(shí)可以對系統誤差進(jìn)行誤差校準，即12項誤差，如頻率響應、源匹配、負載匹配等，可以得到實(shí)時(shí)的12項誤差校準數據。

圖2 NXN測量法測量混頻器原理框圖

4 NXN測量法的具體應用

4.1 測量器件

DUT #1- #3 = 混頻器 (同種類(lèi)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

（設置LO信號源功率為10 dBm,因為使用了LO放大器.）

在下面應用中：

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 儀器設置

VNA: 37200B or 37300A

LO源: 安立69347頻率綜合器, 滿(mǎn)足混頻器LO驅動(dòng)功率要求

PC:安裝 2300-232 軟件 (Windows 3.1 or 95, 16 or 32 bit)

GPIB總線(xiàn): PC通過(guò)GPIB控制VNA，信號源在多源控制模式下通過(guò)GPIB受控于VNA。如果是固定LO測量, VNA不需要控制外部信號源。

測試框圖如圖3所示

注：為了提高測量結果的匹配，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、 帶通濾波器必須調整帶寬通過(guò)IF信號，濾掉其他信號，使虛假信號最小化。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(lèi)型的，背靠背的。第一個(gè)下變頻，第二個(gè)上變頻，使VNA輸入輸出信號在頻率上一致。

在圖3中，校準時(shí)PEI（Phase equal insertables） 是必須的.，但是它和測量無(wú)關(guān)，所以在圖3中未包括。

4.3 測量步驟

第一步：濾波器和連接校準測量

第一步測量是對第一混頻器的輸出和第二混頻器的輸入之間的一切環(huán)節進(jìn)行測量。對于固定IF執行全雙端口校準，掃頻方式 (0.04 to 1GHz)或者連續波，信號源功率等于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濾波器校準原理

原理框圖如圖5所示。

VNA需在RF范圍內校準，10.04到11GHz，401個(gè)點(diǎn)，信號源功率為0dBm。采用多源控制模式驅動(dòng)LO信號源，對于固定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，在校準時(shí)每個(gè)端口都應連接隔離器。在端口2應該連接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濾波器校準數據、交連校準數據,和混頻器3校準數據用于校準。到現在為止，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(xiàn)性度等。

附圖是采用NXN測量的結果和波形圖。

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