三混頻器技術(shù)在混頻器測(cè)試中的應(yīng)用

混頻器是最常見的變頻器件， 而變頻器件的測(cè)量一直以來都相對(duì)困難和復(fù)雜。傳統(tǒng)的測(cè)量方法包括使用頻譜儀、標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等。采用功率計(jì)和頻譜儀可以對(duì)幅度特性進(jìn)行測(cè)量，無法測(cè)量相位特性，同時(shí)，測(cè)量不同的參數(shù)需要不同的連接方式；采用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量和常規(guī)器件測(cè)量相比，也存在一些困難：輸入和輸出信號(hào)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。

本文主要講述通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來完成混頻器的測(cè)試方法，具體通過安立公司的網(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(cè)試中的應(yīng)用，通過這種方法，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的誤差修正，同時(shí)測(cè)量連接方式簡(jiǎn)單，一次測(cè)量就可以得到所有的參數(shù)。

2 混頻器測(cè)量的傳統(tǒng)解決方法

混頻器作為基本的頻率變換器件，其主要測(cè)量參數(shù)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(shù)測(cè)量通常有以下幾個(gè)要求：

1） 矢量信號(hào)分析儀測(cè)量是比較測(cè)量法，要求測(cè)試通道信號(hào)和參考信號(hào)通道信號(hào)的頻率一致；

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

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

常規(guī)的測(cè)量方法主要采用"已知"混頻器"Golden Piece"法。在這種方法中，測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)是與"已知"混頻器"Golden Piece"的數(shù)據(jù)的相對(duì)值。這種方法在行業(yè)中已經(jīng)被認(rèn)為是頻率變換器件測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量法。在測(cè)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(cè)量。首先，測(cè)量Golden Piece的幅度和相位并存儲(chǔ)；DUT的測(cè)量結(jié)果和Golden Piece的結(jié)果比較，可以得到一個(gè)相對(duì)的結(jié)果。

混頻器常規(guī)測(cè)量法原理圖如圖1所示。A1參考接收機(jī)端口為IF參考信號(hào)；B1測(cè)量接收機(jī)端口為IF測(cè)量信號(hào)，而非反射信號(hào)；測(cè)量結(jié)果為A1/B1的比值；A1、B1信號(hào)的頻率一致，因此可以比相并由相位曲線導(dǎo)出群時(shí)延。

采用這種常規(guī)測(cè)量方法主要存在以下缺點(diǎn)：

1） 對(duì)于不同參數(shù)的測(cè)量仍然需要不同的連接方式；

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

3） 不同來源的產(chǎn)品的比較是很困難的；

4） 不能對(duì)源和負(fù)載匹配的測(cè)量進(jìn)行修正；

5） 與進(jìn)行"S"參數(shù)測(cè)量的連接方式不同。

圖1 混頻器常規(guī)測(cè)量法原理圖

3 混頻器測(cè)量的NXN測(cè)量法

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

NXN測(cè)量法，簡(jiǎn)單的說，它是基于混頻器為互易器件的測(cè)量方法。其測(cè)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(cè)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(hào)，需要中頻濾波器。該方法主要通過在校準(zhǔn)時(shí)解三個(gè)方程求三個(gè)未知數(shù)，即通過三個(gè)三元一次方程得到唯一解的辦法，然后將解出的參數(shù)代入對(duì)DUT的測(cè)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(cè)量法使得進(jìn)入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號(hào)不是變頻信號(hào)，此方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以直接對(duì)混頻器的幅度和相位進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果是絕對(duì)數(shù)據(jù)，不是相對(duì)數(shù)據(jù)，結(jié)果更準(zhǔn)確；同時(shí)可以對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行誤差校準(zhǔn)，即12項(xiàng)誤差，如頻率響應(yīng)、源匹配、負(fù)載匹配等，可以得到實(shí)時(shí)的12項(xiàng)誤差校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

圖2 NXN測(cè)量法測(cè)量混頻器原理框圖

4 NXN測(cè)量法的具體應(yīng)用

4.1 測(cè)量器件

DUT #1- #3 = 混頻器 (同種類型, 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(shè)置LO信號(hào)源功率為10 dBm,因?yàn)槭褂昧薒O放大器.）

在下面應(yīng)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(shè)置

VNA: 37200B or 37300A

LO源: 安立69347頻率綜合器, 滿足混頻器LO驅(qū)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: PC通過GPIB控制VNA，信號(hào)源在多源控制模式下通過GPIB受控于VNA。如果是固定LO測(cè)量, VNA不需要控制外部信號(hào)源。

測(cè)試框圖如圖3所示

注：為了提高測(cè)量結(jié)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(qū)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(qū)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(diào)整帶寬通過IF信號(hào)，濾掉其他信號(hào)，使虛假信號(hào)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(hào)在頻率上一致。

在圖3中，校準(zhǔn)時(shí)PEI（Phase equal insertables） 是必須的.，但是它和測(cè)量無關(guān)，所以在圖3中未包括。

4.3 測(cè)量步驟

第一步：濾波器和連接校準(zhǔn)測(cè)量

第一步測(cè)量是對(duì)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(jié)進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于固定IF執(zhí)行全雙端口校準(zhǔn)，掃頻方式 (0.04 to 1GHz)或者連續(xù)波，信號(hào)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(cè)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(cè)量

圖4 IF濾波器校準(zhǔn)原理

原理框圖如圖5所示。

VNA需在RF范圍內(nèi)校準(zhǔn)，10.04到11GHz，401個(gè)點(diǎn)，信號(hào)源功率為0dBm。采用多源控制模式驅(qū)動(dòng)LO信號(hào)源，對(duì)于固定LO測(cè)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(zhǔn)時(shí)每個(gè)端口都應(yīng)連接隔離器。在端口2應(yīng)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(zhǔn)數(shù)據(jù)、交連校準(zhǔn)數(shù)據(jù),和混頻器3校準(zhǔn)數(shù)據(jù)用于校準(zhǔn)。到現(xiàn)在為止，已經(jīng)可以進(jìn)行任何混頻器的測(cè)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(cè)量S21、群時(shí)延、相位線性度等。

附圖是采用NXN測(cè)量的結(jié)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