深入解析三階交調失真及其測試方法：頻譜分析系列

這是射頻美學的第1387期分享。

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放大器的非線性是半導體器件中一種普遍存在的現象，尤其在輸入信號較大時，非線性效應將更加明顯。由于放大器具有增益功能，使得它比其他半導體器件更容易出現非線性失真，這也是為什么我們特別關注放大器非線性的原因。本文將以放大器為例，討論交調失真及其測試方法。

交調失真對系統的影響

交調失真不僅會影響無線通信系統的發射鏈路性能，還會對接收鏈路的性能產生負面影響。

在發射鏈路上，功率放大器是最容易受到非線性影響的部件。當信號為寬帶調制信號時，在信號帶寬內外都會產生豐富的交調成分。帶外的交調成分會對其他信道造成干擾，通常通過鄰道泄露比（ACLR）或鄰道功率比（ACPR）來衡量。帶內的交調成分會對信號本身造成干擾，降低信噪比或信干比。對于衛星通信系統而言，噪聲功率比（NPR）是一個重要的參數。

在接收鏈路中，主要關注前端低噪聲放大器的交調失真。當信號附近存在強烈的雙音或多音干擾時，交調失真成分會落入信號帶寬內，從而降低接收機的靈敏度。手機的"雙音靈敏度"測試就是針對這種情況進行的，在相鄰信道上施加雙音干擾信號，以測試接收機在此條件下的靈敏度。規范中定義了雙音干擾的頻率和幅度，要求靈敏度必須滿足一定要求。因此，射頻前端低噪聲放大器需要具備出色的線性度。

總之，交調失真對無線通信系統的發射和接收鏈路性能都有重要影響。在射頻放大器的設計和調試過程中，非線性性能是一個不可忽視的考慮因素。

交調失真產生機制概述

當向放大器輸入單音信號（即單頻點信號）時，放大器將輸出基頻及其諧波成分。而當輸入雙音或多音信號時，放大器的非線性將導致不同頻率的組合，產生交調失真成分。

在眾多非線性失真項中，從頻譜角度來看，距離基頻信號最近的是差頻三階交調成分：(2?1 - ?2) 和 (2?2 - ?1)。在寬帶通信系統中，這些成分對信號本身和鄰道造成的干擾最為顯著。而且，三階交調成分在交調產物中具有相對較強的幅度，因此被廣泛關注。通常所提供的有源器件的交調失真參數主要指的是三階交調失真。

然而，交調失真不僅限于泰勒級數展開的三階項，實際上還會產生五階、七階等奇數高階項，只是隨著階數的增加，其貢獻逐漸減少。

為了便于定量分析，下表給出了泰勒級數展開后五階項以內的基頻及三階交調失真的系數。

表1. 基頻及三階交調失真的系數(5階項以內)

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在對數坐標系下，我們可以得出以下結論：

無論是基頻信號還是三階交調失真，在放大器輸出側，功率隨輸入功率的變化都不是線性的。

當輸入信號功率較低時，基頻信號和三階交調失真的輸出功率與輸入功率呈近似線性關系。這一點很重要，因為在計算三階交調點(IP3)功率時需要基于這種近似線性關系。

在近似線性區域，隨著輸入功率增加，三階交調失真的功率比基頻信號的功率增加更快，其增加速度是基頻功率的三倍。

在較低輸入功率條件下（通常遠小于0dBm），三階交調分量的功率遠小于基頻信號功率。

隨著輸入功率進一步增大，基頻和三階交調失真的輸出功率曲線的非線性越來越明顯，逐漸呈現壓縮狀態。

三階交調失真通常使用"三階交調失真度(IMD3, 3rd order intermodulation distortion)"和"三階交調點(IP3, 3rd order intercept point)"兩個參數來衡量。IP3實際上是指三階交調點對應的輸入或輸出功率。

在近似線性區域，基頻和三階交調失真的功率輸出特性曲線均呈現近似線性關系。由于斜率不同，二者的延長線將會相交，這個交點即為三階交調點IP3。然而，在實際應用中很難達到IP3所對應的輸出功率，IP3的引入主要是為了以統一的方法衡量半導體器件的非線性特性。

在近似線性區域內，輸入功率每增加1dB，IMD3將惡化2dB；反之，輸入功率每降低1dB，IMD3將改善2dB。然而，如果超出近似線性區域，這種關系則不成立。

如何測試三階交調失真度及交調點功率？

測試IMD3和IP3并不困難，但在測試過程中需要注意一些細節，以確保測試結果的準確性。

對于三階交調的測試，需要輸入等幅雙音信號，并根據待測件的要求設置雙音頻的間距。在測試IMD3時，雙音信號的幅度可以大或小，但如果要測試IP3，如前文所述，幅度不能過大，必須確保待測件工作在近似線性區域。

在測試中，常見的方法是使用兩個信號源提供雙音信號，這樣可以提供相對較純凈的雙音信號。另一種方法是使用矢量信號源，通過編輯基帶波形文件，在單個通道上輸出雙音信號。然而，這種方法產生的信號本身會有一定的三階交調失真，因此只在無法使用兩個信號源時才采用。

在測試過程中，需要特別注意頻譜儀的設置，以避免其自身進入非線性狀態并產生強烈的三階交調失真。頻譜儀在測試中會產生一定的交調失真，但不能太強，否則會干擾測試結果的準確性。

(1) 在測試三階交調失真時，我們可以通過增大頻譜儀內部的前端衰減器來判定其產生的交調失真對測試結果的影響。如果三階交調分量變化不大，則可以忽略頻譜儀本身產生的交調失真。如果三階交調分量變小，則需要進一步增大衰減度，直到三階交調分量變化不大。但是，使用衰減器會降低測試動態范圍，因此在必要時，可以考慮使用陷波器來衰減基頻信號，以防止頻譜儀產生較強的交調失真。

在測試功率放大器的三階交調失真時，務必在饋入頻譜儀之前使用適當功率容量的衰減器，以確保不會對頻譜儀造成損害。如果需要實現較高的測試動態范圍，則需要使用陷波器來衰減基頻信號。

(2) 在信號源方面，有兩個需要注意的事項，其中之一是雙音信號的幅度。

在測試IMD3時，并不對雙音信號的幅度有過高的要求，但在測試IP3時，輸入信號的幅度不能太高，必須確保放大器工作在近似線性區域。建議雙音信號的幅度低于1dB增益壓縮點輸入功率（Pin,1dB），至少比其低20dB。無論是測試IMD3還是IP3，記錄測試結果時務必注明雙音頻的間距和幅度。

判定方法：如果輸入功率增加1dB，IMD3惡化2dB，則說明放大器仍然工作在近似線性區域，可以計算IP3。

另一個需要注意的點是，使用圖中所示的測試裝置可能會導致合路器輸出端已經存在三階交調產物。這與信號源的自動功率控制環路有關，具體原因將在后續介紹中詳述。簡而言之，由于合路器的有限端口隔離度，導致信號反向串入信號源，并經過自動功率控制環路的作用，使得信號源本身輸出了雙音信號及交調失真信號。

建議在進行測試之前，先使用頻譜儀測試雙音信號，觀察是否存在較強的三階交調失真。

如何降低這種情況對測試結果的影響？

大多數信號源都支持手動關閉自動功率控制功能（ALC），這可以有效避免上述情況的發生。然而，關閉ALC功能后，輸出功率的穩定度也會降低。

另一種方法是使用高隔離度的耦合器來代替合路器，或者在每個信號源的輸出端連接一個衰減器，以增加彼此之間的隔離度。

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