三阶互调失真的测量方法与技巧

电子系统中所采用的许多电路都被认为是线性电路，这意味着对于正弦波输入，其输出也是正弦波。实质上，理想的线性电路是不存在的。当信号通过非线性设备、电路或器件时，其输出不仅具有与输入相同频率的信号，而且由输入信号产生了其他任何频率的信号，此信号称为失真。若输入信号是单一频率的信号，输出信号中除了基波分量外，还产生了直流、谐波及幅度失真分量；如果输入信号是两个不同频率的正弦信号，输出信号除了两个基波频率外，还出现互调和交调失真分量；如果输入信号是3个以上频率的信号，输出信号中还会出现3次差拍失真分量。

1）互调失真测量方法

对互调失真进行测量需要两个信号源。如图4-65所示为任意两端口待测件互调失真测量的典型原理图。

图4-65　任意两端口待测件互调失真测量的典型原理图

图4-66　典型的三阶互调失真测量结果的频谱图

如图4-65所示，设信号源1的输出信号频率为f1，信号源2的输出信号频率为f2，两路信号通过合成器，输入给待测件，待测件的输出接频谱分析仪，则频谱分析仪测量三阶互调产物2f1-f2和2f2-f1的大小。如图4-66所示为典型的三阶互调失真测量结果的频谱图。利用频谱分析仪的码刻功能很容易测量基波信号的幅度和频率，利用频谱分析仪的码刻Δ功能很容易测量三阶互调失真相对于基波信号的互调失真大小。

互调失真的测量精度不仅与输入信号的频率和幅度有关，而且还与信号的合成、测试仪器设备的正确使用等问题相关。下面简述测试仪器设备对互调失真测量的影响。

使用高频谱纯度的信号源，或在合成器与信号源之间加低通滤波器，以避免信号源输出信号的谐波分量引起测量的不确定度。因为信号源f1（f2）的二次谐波2f1（2f2）与信号f2（f1）通过待测件产生的二阶互调2f1±f2与2f2±f1的三阶互调频率相同，所以频谱分析仪显示的互调分量为两者的叠加。

功率合成器的功能是实现两路信号的合成，双波信号合成后比单波信号强3 dB。但是往往由于合成器的隔离不够，而引起信号源之间的串扰，形成互调失真。这个现象可以用频谱分析仪检测，且可以将固定衰减器接在信号源的输出端来消除。这些固定衰减器提高了信号源之间的隔离度，防止内部产生的互调失真。但是信号源的输出功率电平应增大，以补偿固定衰减器的损失。

频谱分析仪的内部电路不是理想的线性电路，也会产生失真。如利用频谱分析仪测量双波信号时，由于频谱分析仪混频器的非线性，测量会产生互调失真。要实现频谱分析仪的最佳工作性能，就要满足频谱分析仪混频器的最佳工作电平范围-30 dBm～-40 dBm。频谱分析仪是否工作在线性区，可靠的检测方法是衰减法，对于0 dBm输入信号（双波信号通过功率合成器后电平比单波信号强3 dB），频谱分析仪的射频衰减至少设置为30 dB，以保证频谱分析仪混频器的输入电平小于-30 dBm，这样可以提高频谱分析仪的互调截止点。目前广泛使用的Agilent频谱分析仪，其技术特性均给出了三阶互调动态范围技术指标，这是频谱分析仪测量互调失真适应性和有效性所必须考虑的一个重要因素。判断频谱分析仪内部失真是否对测量结果产生影响的简单方法是：通过改变频谱分析仪的射频衰减，来观察互调失真信号电平的变化。如果增加频谱分析仪的射频衰减，互调失真信号发生变化，则说明频谱分析仪互调对测量结果有影响。通过减小信号输入电平或增加频谱分析仪的射频衰减，可以减小频谱分析仪内部非线性失真对测量结果的影响。但是降低输入信号电平或增加频谱分析仪的射频衰减，也就降低了测量信噪比，低电平失真信号可能被淹没在噪声中，此时可以通过减小频谱分析仪的分辨带宽，以降低频谱分析仪的本底噪声，来提高低电平信号的测量能力。

除以上影响失真准确测量的因素外，信号的输入功率和输出信号功率的调整，以及测试信号的频率间隔选择等，均影响失真测量精度。

上面论述的是利用频谱分析仪测量互调失真的通用测量方法以及应注意的具体问题。但对于具体的测试设备或器件（如高功率放大器、低噪声放大器等），互调失真测量各具特点。因此下面简述高功率放大器的互调失真测量、低噪声放大器的互调失真测量和无源互调失真测量。

2）高功率放大器的互调失真测量

互调失真是高功率放大器的一个重要特性，它是由于功放管子的非线性引起的。当一个高功率放大器同时发送多载波，且总输出功率接近饱和输出功率时，管子的非线性将产生互调，形成干扰。因此必须严格控制其互调产物。高功率互调特性通常用两个等幅输入载波产生的三阶互调产物的电平值来表示，即测量高功率放大器的三阶互调失真的大小。不同的功率放大器，其三阶互调失真指标要求是不一样的。

在用频谱分析仪测量高功率放大器的互调失真时，由于高功率放大器输出功率往往大于频谱分析仪的安全输入电平，因此一定要注意不能将功率放大器的输出直接接频谱分析仪的射频输入端口，一定要加衰减器或定向耦合器，以确保输入频谱分析仪的最大功率不大于频谱分析仪的安全输入电平。如图4-67所示为高功率放大器互调失真测量的原理图。

图4-67　高功率放大器互调失真测量的原理图

由图4-67可知：用一个功率合成器将两个幅度相等、频率相差为10 MHz的单载波信号合成在一起，输入给高功率放大器，在高功率放大器输出端接定向耦合器，定向耦合器的直通口接假负载，耦合口接衰减器，再接频谱分析仪；然后用频谱分析仪测量三阶互调产物2f1-f2和2f2-f1相对于基波信号的电平值。需要说明的是：功率放大器的互调失真测量是在一定条件下进行的，通常是给定基波的输出功率，且两个基波信号的幅度相等。保证二者相等的方法是：关闭其中一路载波，用频谱分析仪在定向耦合器的耦合口测量信号输出功率，调整信号源的输出功率电平，确保两个基波信号的输出功率相等。测量高功率放大器互调失真的步骤如下：

（1）按照如图4-67所示建立功率放大器互调失真测量系统。功率放大器的输出端口接定向耦合器，定向耦合器的直通口接假负载，耦合口接衰减器，再接频谱分析仪（如果高功率放大器有功率监测口的话，可不需要定向耦合器，在功率放大器的输出口接假负载，监测口直接接频谱分析仪），系统加电，使系统仪器设备工作正常。(www.xing528.com)

（2）按照测试计划要求，设置信号源的工作参数。例如设置信号源1和信号源2均为单载波工作模式，且信号源1的输出频率为f1，信号源2的输出频率为f2。

（3）调整信号源的输出功率，使信号源1和信号源2的输出功率相等。

（4）打开信号源1和信号源2的射频输出开关，合理设置频谱分析仪的状态参数，观察信号频谱，用频谱分析仪的码刻Δ功能测量互调失真的大小。

（5）输出测量结果。用绘图仪打印测量信号频谱图。

3）低噪声放大器的互调失真测量

低噪声放大器是一个具有较宽工作频段的小信号放大器，它对输入低噪声放大器的所有载波信号进行放大。由于低噪声放大器是非线性器件，在多载波输入的情况下，它将产生互调失真。我们常用三阶互调截止点来表征低噪声放大器的互调失真特性。例如某C波段低噪声放大器的三阶互调失真的指标如下：

工作频段：3 700～4 200 MHz

增益：60 dB

三阶互调截止点：+26 dBm

该指标的物理意义是：假定低噪声放大器输入两个幅度相等的单载波，且每个载波的幅度为-70 dBm，由于低噪声放大器增益为60 dB，每个载波的输出幅度为-10 dBm，由三阶互调截止点电平可计算出互调失真，计算结果表明：低噪声放大器的三阶互调产物应低于每个载波72 dB，或三阶互调失真小于-72 dBc。

下面以C波段放大器互调失真测量为例，说明三阶互调截止点测量的方法。如图4-68所示为低噪声放大器互调失真测量的原理图。

图4-68　低噪声放大器互调失真测量的原理图

测量低噪声放大器互调失真的步骤如下：

（1）按照如图4-68所示建立测试系统，加电预热，使系统仪器设备工作正常。

（2）校准信号源的输出电平，使两个信号源输出信号幅度相等。

（3）关闭信号源1和信号源2的射频输出开关，将合成器输出直接接低噪声放大器的输入端口，频谱分析仪移至低噪声放大器的输出口。

（4）打开信号源1和信号源2的射频输出开关，合理设置频谱分析仪的状态参数。例如设置频谱分析仪的起始频率为3 700 MHz，停止频率为4 200 MHz，并合理设置分辨带宽、视频带宽和扫描时间等。

（5）用频谱分析仪观察信号频谱，测量互调失真的大小。

（6）输出测量结果。频谱仪接打印机或绘图仪，直接输出测量结果。