《變頻測試應用手冊》

囊括變頻測試所有常用場景并提供配置指南。

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混頻器和變頻器的定義

混頻器是實施頻率轉(zhuǎn)換的核心元件。它可以將輸入信號與用于通斷二極管或晶體管的本振（LO）信號混頻或倍頻，得到兩者之和或差。在大多數(shù)情況下，這些產(chǎn)物只有一個是有用的，其他的則通過濾波消除?；祛l器可以是無源器件，也可以是有源器件（圖1），取決于應用情況，輸入信號可進入IF（中頻）端口進行上變頻，或進入RF（射頻）端口進行下變頻。雖然變頻或混頻過程在本質(zhì)上是非線性的，但混頻器有時候也會呈現(xiàn)出一定的線性——例如，輸入信號變化1 dB，輸出信號也會變化1 dB，混頻器的幅度和相位響應與頻率的關系應與輸入功率無關。不過，就像放大器一樣，取決于輸入驅(qū)動電平的高低，混頻器也具有線性和非線性工作區(qū)域。

? 圖1. 無源二極管混頻器（左）和有源晶體管混頻器（右）的示例。

變頻器是一種復雜的組合體，其中包含一個或多個混頻器、多個放大器和濾波器，可能還包含信號調(diào)理元器件，如衰減器、隔離器、限幅器和移相器。變頻器中的每一個混頻器都需要一個LO信號，出于測試需要，這個LO信號要么由VNA或外部信號發(fā)生器提供，要么由被測器件內(nèi)置或嵌入的振蕩器提供。與放大器一樣，對混頻器和變頻器執(zhí)行的許多測量通常都是射頻測試，例如增益、增益平坦度、群時延、增益和相位壓縮、互調(diào)失真（IMD）和噪聲系數(shù)。

傳統(tǒng)變頻測試的方法與局限

當前，很多用戶仍然使用傳統(tǒng)方法來測試變頻器，測試系統(tǒng)中包含大量射頻測試設備。傳統(tǒng)測試系統(tǒng)的速度要慢得多，準確度也較低，而且配置和維護難度更大，成本更高。例如使用單獨的信號發(fā)生器來提供射頻和LO信號，并使用頻譜分析儀作為測量接收機。傳統(tǒng)方法的局限性如下：

-由于測試配置包含大量的外部信號調(diào)理元器件，例如合路器、濾波器和衰減器，因此設置比較復雜。在不同的測試之間進行切換，通常需要添加或刪除元器件，操作起來非常麻煩。

-誤差校正僅限于幅度響應校正，因此用戶通常需要使用衰減器來降低失配誤差，但這會使信噪比（SNR）下降。

-自動頻率掃描或功率掃描測量需要使用計算機和軟件來同步各種儀器，因此掃描速度比使用 VNA 掃描慢很多倍。

現(xiàn)代化的矢量網(wǎng)絡分析儀由于具有靈活的硬件和許多測量應用軟件，提供了非常適合用于變頻器測試的組合拳配置。

-由于儀器內(nèi)集成了大多數(shù)需要的硬件（圖2）中，因此測量速度大大加快，與典型的傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，吞吐量提高了100倍。

-為了獲得高度準確的結果，我們針對所有測量應用開發(fā)了先進的誤差校正方法。例如，我們的方法可以消除掃描增益、時延和噪聲系數(shù)測量的失配誤差，并使用功率計校準測試系統(tǒng)，從而準確設置和測量絕對功率，這對壓縮和 IMD 測量至關重要。

-精心設計的簡單、直觀的用戶界面和校準向?qū)Ш喕藘x器的使用和配置難度。

下圖中的電路顯示了互調(diào)失真測試配置。

? 圖2. PNA-X 包含進行變頻器表征所需的主要組件，包括完整的 S 參數(shù)測試儀、多個射頻源、內(nèi)置信號合路器、脈沖硬件和低噪聲接收機。

那面對復雜的變頻測試時，最核心的挑戰(zhàn)都有哪些呢？

在測試變頻器的傳輸參數(shù)時，必須克服的挑戰(zhàn)：

-激勵頻率和響應頻率錯開

-計算不同頻率下的接收機比值

-變頻器件的傳輸相位測量

使用 PNA-X矢量網(wǎng)絡分析儀，很容易克服頻偏挑戰(zhàn)，因為所有內(nèi)部射頻源（包括為測量接收機提供 LO 信號的射頻源）都是頻綜源，并且可以獨立設置為儀器頻率范圍內(nèi)的任何頻率。

傳輸幅度測量中涉及接收機比值的第二個挑戰(zhàn)也不難克服，因為用戶不必直接測量接收機比值。如果不追求特別快的測量速度，那么完全可以先進行一次掃描，測量輸入功率，再進行另一次掃描，測量輸出功率，最后計算單個接收機測量結果的比值。

在表征變頻器的傳輸參數(shù)時，標準的 S 參數(shù)法并不適用。測試混頻器和變頻器的端口匹配同樣非常容易，因為對于反射測量來說，入射信號和測試信號頻率相同，可以使用常規(guī) S 參數(shù)。不過，對于變頻傳輸測量來說，輸入頻率和輸出頻率不同，因此不能直接使用接收機比值。

對變頻器件進行傳輸相位測量特別具有挑戰(zhàn)性

因為通常需要在相同頻率的兩個信號之間測量相位。對于早期的 VNA 來說，無論何時進行相位或群時延測量，都需要使用參考混頻器。參考混頻器要么與主信號路徑串聯(lián)（通常稱為下/上或上/下變頻法），要么與被測器件并聯(lián)（圖3）。每種方法都各有優(yōu)缺點，但無論采用哪種方法，參考混頻器都必須覆蓋被測器件的頻率，并且要有自己的 LO 信號。通常，用戶還會使用一個獨立的校準混頻器來校準測試系統(tǒng)。

? 圖3. 過去，傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)需要串聯(lián)或并聯(lián)參考混頻器，以便測量混頻器和變頻器的相位和時延。

而現(xiàn)在，VNA 可以利用現(xiàn)代化頻綜硬件進行相位相干的頻率掃描，無需使用參考混頻器便可完成大部分相位和群時延變頻測量，這是早期的 VNA 無法做到的。通過相位相干性，VNA 能夠重復測量單個接收機的相位響應與頻率的關系，再根據(jù)在不同頻率范圍上測得的各接收機的相位響應計算比值，計算過程與前面討論的幅度響應比值一樣。這種功能無需使用參考混頻器，顯著簡化了測試系統(tǒng)。

使用SMC、SMC+Phase的核心測量

在使用 PNA-X 對混頻器和變頻器進行表征時，標量混頻器/變頻器（SMC，S93082B）和標量混頻器/變頻器+相位（SMC+Phase，S93083B―S93082B的超集）屬于核心測量類別。測量不需要使用參考混頻器，用戶只需進行頻率掃描和功率掃描，便可測量輸出功率、增益、增益平坦度、增益壓縮、相位偏差、相位隨驅(qū)動功率的變化（AM 至 PM 轉(zhuǎn)換）、群時延和端口匹配。

本節(jié)將舉例介紹如何使用圖4中的下變頻被測器件進行這些測量。

? 圖4. 除非另有說明，這個下變頻被測器件方框圖可用于所有測量示例。

下面我們結合兩個最常見的測試場景來說明

掃描中頻示例

在典型的變頻器中，各端口的工作頻率范圍有很大差異。射頻端口（下變頻器的輸入端口或上變頻器的輸出端口）的頻率范圍通常比中頻端口寬得多，中頻端口的頻段通常受到濾波器的限制。掃描中頻測量主要顯示中頻帶寬響應與頻率的關系，一般通過單級變頻器便可完成，具體做法是在 LO 信號固定在單個頻率時（這種情況在工作過程中經(jīng)常發(fā)生）掃描輸入端口，然后測量輸出端口的掃描響應。圖5 顯示了對示例下變頻器進行掃描中頻測量時，用戶指定的混頻計劃和測試結果。測量結果包括變頻器的輸入和輸出頻率響應，另外還可以看到窄帶增益和增益平坦度，以及絕對輸出功率。

? 圖5. 如果只想隔離輸入或輸出響應，用戶可以按照圖6配置掃描 LO 測量。

? 圖6. 用于掃描頻率響應測試的單級變頻器混頻配置。

相位和時延測量

用戶要啟用相位和群時延測量，用戶必須選中“SMC設置”（SMC Setup）對話框“掃描”（Sweep）選項卡上的“啟用相位”（Enable Phase）復選框。對于基于小數(shù)N分頻信號源（合成器版本 6）的儀器，信號源的起始相位是不可控的，因此用戶可以選擇將相位跡線在相位響應的某一點歸一化為零。這樣就可以避免每次掃描時隨機起始相位的影響，提供穩(wěn)定、歸一化的相位跡線。為了實現(xiàn)這種歸一化，用戶應該選擇具有良好 SNR 的測量點，通常在指定頻段的中點。相位歸一化不影響相對于線性相位的偏移測量，也不會影響群時延測量，因為在計算相位與頻率響應的斜率時，根本不需要考慮絕對相位。不過，對于這些儀器而言，相位歸一化意味著無法使用 SMC+Phase 來比較多個路徑、多個被測器件間的相位差，或者被測器件內(nèi)的相位變化。

圖12 顯示了通過示例單級變頻器對變頻增益和群時延進行的固定 LO 測量。我們使用了跡線分析功能來顯示 200 MHz 掃寬上的時延統(tǒng)計數(shù)據(jù)，掃描以通帶中點為中心。

? 圖12. 通過示例單級變頻器對變頻增益和群時延進行的固定 LO 測量。

本文為變頻測試需求的客戶提供了詳實的操作指南。所有涉及的測試項目如下，均可在本文中找到配置指南。

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本應用指南介紹了如何結合使用 PNA-X 靈活的硬件和豐富的測量應用軟件，只需與被測器件建立一組連接，便可進行廣泛的變頻器測量，以及表征線性和非線性特性。用戶可使用 CW、脈沖和調(diào)制載波組合，通過頻率掃描和功率掃描完成這些測量。

我們?yōu)槊總€測量應用軟件都開發(fā)了校準方法，確保高準確度測量。線性測量包括變頻增益或損耗、輸入和輸出匹配、群時延、相對于線性相位的偏移、LO 路徑相位變化以及隔離度。表征非線性特性的測量包括增益和相位壓縮、AM 到 PM 轉(zhuǎn)換、相位轉(zhuǎn)移、IMD、噪聲系數(shù)、雜散、相位噪聲，以及調(diào)制載波評估（ACPR、NPR 和 EVM）。

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