放大器IP3和OP3參數(shù)測(cè)量方法研究

冉紅雷，張魁，尹麗晶，黃杰

（1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050051； 2. 國(guó)家半導(dǎo)體器件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，石家莊 050051）

引言

當(dāng)兩個(gè)功率電平相同且頻率接近的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器時(shí)，由于放大器的非線性，會(huì)輸出包括多種頻率的分量，其中以三階交調(diào)分量的功率電平最大。如圖1所示，假設(shè)兩基頻信號(hào)的頻率分別是F1和F2，那么三階交調(diào)分量的頻率為2F1-F2和2F2-F1，由于這兩個(gè)頻率與基頻輸出信號(hào)F1和F2很接近，使用中很難濾除，因此決定了器件的非線性和失真[1]。

圖1 等輸入信號(hào)三階交調(diào)示意圖

當(dāng)前測(cè)試IP3和OP3參數(shù)最常用的方法有兩種，公式法和圖像法。根據(jù)GJB 2650標(biāo)準(zhǔn)，IP3和OP3參數(shù)計(jì)算的公式為：

式中：

E—頻譜分析儀讀出的基頻載波信號(hào)功率電平；

D—頻譜分析儀讀出三階交調(diào)信號(hào)功率電平；

Pin—輸入信號(hào)功率電平。

該方法簡(jiǎn)單易行，但是IP3和OP3參數(shù)的測(cè)試結(jié)果與輸入功率直接相關(guān)，輸入功率的精確測(cè)量與選擇決定了測(cè)試結(jié)果。

圖2是采用圖象法測(cè)量IP3和OP3參數(shù)的示意圖。IP3與OP3是基頻信號(hào)在理想線性系統(tǒng)中的輸出信號(hào)與三階交調(diào)分量幅值相等時(shí)交點(diǎn)的坐標(biāo)，是一個(gè)固定的虛交點(diǎn)。

理論上基頻信號(hào)曲線的斜率為1，而三階交調(diào)分量的功率曲線斜率為3。因此可以采用數(shù)據(jù)擬合的方法得到IP3和OP3參數(shù)。實(shí)際操作過(guò)程中，即使在放大器的線性工作區(qū)，放大器的增益亦會(huì)隨輸入功率的改變而波動(dòng)。如果直接求解兩條直線的交叉點(diǎn)，測(cè)試數(shù)據(jù)量較大，測(cè)試過(guò)程繁瑣，因此實(shí)踐中很少采用該方法。

1 單片放大器ERA-3的IP3和OP3參數(shù)測(cè)試方法研究

本文以MINI Circuits公司的ERA-3型單片放大器為研究對(duì)象，選取f=1.999 GHz和f=2.0 GHz的兩個(gè)頻率信號(hào)，根據(jù)產(chǎn)品資料，當(dāng)f=2 GHz時(shí)，其OP3參數(shù)設(shè)計(jì)值≥23 dBm。

1.1 采用公式法求解OP3參數(shù)

根據(jù)GJB 2650-2007《微波元器件性能測(cè)試方法》，測(cè)試框圖如圖3所示，實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，其中輸入信號(hào)F1的頻率為1.999 GHz，F(xiàn)2的頻率為2.0 GHz。

其中表1的Pin功率電平是通過(guò)將圖3測(cè)試框架中的待測(cè)器件放大器ERA-3去掉，將合路器直接與頻譜分析儀相連接直接由頻譜分析儀讀出。由表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知OP3參數(shù)和IP3參數(shù)的測(cè)試結(jié)果與信號(hào)輸入功率電平密切相關(guān)[2]。分析原因可知，公式（1）和公式（2）是根據(jù)相似三角形計(jì)算得出，因此該公式成立的前提是輸入功率電平應(yīng)確保待測(cè)器件放大器ERA-3工作在線性區(qū)。通常使用標(biāo)準(zhǔn)GJB 2650-2007方法測(cè)試IP3參數(shù)和OP3參數(shù)時(shí)，輸入信號(hào)功率電平一般比待測(cè)器件的1 dB功率壓縮點(diǎn)輸入電平低15 dB左右。

此外，由公式（1）和公式（2）可知，待測(cè)器件的OP3參數(shù)僅與待測(cè)器件的輸出參數(shù)有關(guān)，變量E和變量D均可以由頻譜分析儀直接獲得；而IP3參數(shù)因?yàn)橛?jì)算公式包含Pin參數(shù)，因而IP3參數(shù)準(zhǔn)確測(cè)量的前提是準(zhǔn)確獲得Pin參數(shù)。綜上可知，OP3參數(shù)測(cè)量結(jié)果的影響因素較少，因此可以通過(guò)公式法先精確測(cè)量OP3參數(shù)，具體如下。

圖2 三階交調(diào)參數(shù)圖示

圖3 測(cè)試ERA-3型放大器IP3和OP3參數(shù)的示意圖

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)（單位：dBm）

為了提高測(cè)試精度，可以采取下列措施：

1）隔離兩個(gè)信號(hào)源，減小他們的相互作用，在每個(gè)信號(hào)源與功率合成器之間加一個(gè)鐵氧體磁性材料隔離器[3]；

2）增強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)的匹配性，在功率合成器與DUT之間、頻譜儀與DUT之間分別加一個(gè)2 dB的固定衰減器[4]，系統(tǒng)統(tǒng)一采用50 Ω匹配。

此時(shí)的測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。

由公式（1）和公式（2）可知，OP3參數(shù)計(jì)算結(jié)果只與各輸出信號(hào)功率有關(guān)，而IP3參數(shù)與輸入功率有關(guān)，因此使用該方法只能得到OP3參數(shù)。

采用圖4改進(jìn)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，上述方法明顯的提高了OP3測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，降低了輸入功率對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。對(duì)上述測(cè)試結(jié)果取均值，得到OP3′參數(shù)。

得到OP3′為22.38 dBm，由于上述系統(tǒng)有2 dB衰減器，所以O(shè)P3參數(shù)測(cè)試結(jié)果為24.38 dBm。

1.2 求解單片放大器ERA-3基頻信號(hào)輸入輸出的關(guān)系

圖4 改進(jìn)的測(cè)試系統(tǒng)圖

表2 根據(jù)圖4改進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果（單位：dBm）

為了研究ERA-3的基頻信號(hào)輸入功率與輸出功率的關(guān)系，這里使用Keysight公司的N5242A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量單片放大器ERA-3在頻率f=2 GHz時(shí)增益與輸入功率的關(guān)系，并使用Keysight公司的信號(hào)源E8257D與功率計(jì)U2002測(cè)試單片放大器ERA-3輸出功率與輸入功率的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

根據(jù)表3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制單片放大器ERA-3輸出功率和增益隨輸入功率變化的曲線圖，如圖5所示。

由圖5可以得出，當(dāng)輸入功率Pin≤-10 dBm時(shí)，ERA-3單片放大器處于線性區(qū)。使用最小二乘法對(duì)ERA-3放大器線性區(qū)輸入功率和輸出功率進(jìn)行擬合，其中擬合直線的斜率為Slope，截距為Intercept。使用EXCEL最小二乘擬合公式，Slope=SLOPE（Pout，Pin），Intercept=INTERCEPT（Pout，Pin）。最終得到結(jié)果如下：

表3 ERA-3的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖5 ERA-3單片放大器基頻信號(hào)輸出功率與增益和輸入功率的關(guān)系

1.3 計(jì)算IP3

由圖2可知，IP3參數(shù)與OP3參數(shù)是基頻信號(hào)在理想線性系統(tǒng)中的輸出信號(hào)與三階交調(diào)分量幅值相等時(shí)交點(diǎn)的坐標(biāo)，因此將OP3=24.38 dBm帶入公式（4），可以得出IP3=7.26 dBm。

1.4 測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)研究結(jié)果可知，通過(guò)圖4所示的改進(jìn)方案，放大器的OP3參數(shù)測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性得到很大改善。并且由于隔離器和衰減器均為無(wú)源器件，其自身的三階交調(diào)參數(shù)遠(yuǎn)低于有源放大器的相關(guān)參數(shù)，因此對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較小，但顯著的改善了系統(tǒng)的性能。因此本文提供的組合方案有效的降低了輸入功率的選擇不當(dāng)對(duì)IP3和OP3參數(shù)測(cè)試結(jié)果的影響，能得到較高精度的測(cè)試結(jié)果。

2 結(jié)論

本文提出了GJB 2650-2007方法中IP3參數(shù)和OP3參數(shù)測(cè)試框圖改進(jìn)方案，實(shí)踐證明改進(jìn)方案的參數(shù)測(cè)試結(jié)果具有準(zhǔn)確性和更高的穩(wěn)定性，避免了因?yàn)檩斎牍β孰娖竭x擇不當(dāng)造成的測(cè)試誤差。其次，本文通過(guò)分析OP3參數(shù)和IP3參數(shù)的特點(diǎn)，先通過(guò)公式法使用改進(jìn)后的測(cè)試方案測(cè)量OP3參數(shù)，然后通過(guò)圖像處理和數(shù)據(jù)擬合獲得待測(cè)器件基頻信號(hào)特性曲線進(jìn)而計(jì)算IP3參數(shù)。通過(guò)放大器ERA-3實(shí)例可知，本文提出的方法能準(zhǔn)確測(cè)量OP3參數(shù)和IP3參數(shù)，并且操作簡(jiǎn)單易行。

隨著無(wú)線通信的快速發(fā)展，通信產(chǎn)品需達(dá)到的指標(biāo)要求越來(lái)越高，精確測(cè)量產(chǎn)品性能愈為重要。線性度是影響系統(tǒng)性能提高的重要因素，做好IP3參數(shù)和OP3參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)試工作是研究改進(jìn)系統(tǒng)線性度的一個(gè)重要前提。本文提供的IP3和OP3參數(shù)測(cè)試方案能對(duì)放大器及其他類似產(chǎn)品的IP3和OP3參數(shù)的測(cè)試工作提供指導(dǎo)幫助。