射频电路(系统)的线性指标及测量方法

蒋治明

1、线性指标

1.1 1dB压缩点(P1dB——1dB compression point )

射频电路（系统）有一个线性动态范围，在这个范围内，射频电路（系统）的输出功率随输入功率线性增加。这种射频电路（系统）称之为线性射频电路（系统），这两个功率之比就是功率增益G。

随着输入功率的继续增大，射频电路（系统）进入非线性区，其输出功率不再随输入功率的增加而线性增加，也就是说，其输出功率低于小信号增益所预计的值。

通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点,用P1dB表示（见图1）。

典型情况下，当功率超过P1dB时，增益将迅速下降并达到一个最大的或完全饱和的输出功率，其值比P1dB大3dB～4dB。

1db压缩点愈大，说明射频电路（系统）线性动态范围愈大。 输出功率（dBm） 30 20 饱和输出功率 10 1dB压缩 0 -10 10dB线性增益（斜率=1dB/ dB） -20 -30 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 输入功率（dBm） 图1 输出功率随输入功率的变化曲线

1.2 三阶交调截取点（IP3——3rd –order Intercept Poind）

当两个正弦信号经过射频电路（系统）时，此时由于射频电路（系统）的非线性作用，会输出包括多种频率的分量，其中以三阶交调分量的功率电平最大，它是非线性中的三次项产生的。假设两基频信号的频率分别是F1和F2，那么，三阶交调分量的频率为2F1-F2和2F2-F1。图2是输入信号和输出信号的频谱图。

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PO＝－10dBm

△IM＝60dBc

－70dBm

图2 输入、输出频谱图

图3反映了基频（一阶交调）与三阶交调增益曲线，当输入功率逐渐增加到IIP3时，基频与三阶交调增益曲线相交，对应的输出功率为OIP3。IIP3与OIP3分别被定义为输入三阶交调载取点（Input Third-order Intercept Point）和输出三阶交调载取点（Output Third-order Intercept Point）。 三阶交调截取点（IP3）是表示线性度或失真性能的重要参数。IP3越高表示线性度越好和更少的失真。

图3中A线是基频（有用的）信号输出功率随输入功率变化的曲线，B线是三阶失真输出功率随输入功率变化的曲线。B线的斜率是A线的斜率的3倍（以dB为单位）,理论上会与A相交,这个交点就是三阶截取点。

三阶交调截取点IP3 基频增益曲线A 三阶互调增益曲线B 图3 增益曲线

1.3 三阶互调（IM3——3rd –order inter-modulation）

三阶互调是指当两个基频信号在一个线性系统中，由于非线性因素存在使一个基频信号的二次谐波与另一个基频信号产生差拍（混频）后所产生的寄生信号。比如F1的二次谐波是2F1，他与F2产生了寄生信号2F1-F2。由于一个信号是二次谐波（二阶信号），另一个信号是基频信号（一阶信号），他们俩的

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合称为三阶互调信号。又因为是这两个信号的相互调制而产生差拍信号，所以这个新产生的信号称为三阶互调失真信号。产生这个信号的过程称为三阶互调失真。由于F2，F1信号一般比较接近，所以2F1-F2，2F2-F1会干扰到原来的基频信号F1，F2(见图2)。这就是三阶互调干扰。

既然会出现三阶，当然也有更高阶的互调，这些信号也干扰原来的基带信号，因为产生的互调阶数越高信号强度就越弱，所以三阶互调是主要的干扰，考虑的比较多。

不管是有源还是无源器件，如射频电路（系统）、混频器和滤波器等都会产生三次互调产物。这些互调产物会降低许多通信系统的性能。 2 线性指标的计算 2.1 三阶交调截取点计算

假定射频电路（系统）的增益为G，它表示图3中A线（基频）的斜率，3G则表示图3中B线（三阶交调）的斜率，即在线性范围内，三阶交调输出功率是一阶交调输出功率的3倍。

当输入功率为pi时，图3中，a表示两个基频信号F2和F1的输出功率，b表示三阶交调2F1-F2，2F2-F1的输出功率，则一阶交调曲线方程可由（1）式表示:

OIP3－a＝G（IIP3－Pi）………………………………………………………………………(1) 同理, 三阶交调曲线方程可由（2）式表示:

OIP3－b＝3G（IIP3－Pi） ……………………………………………………………………(2) 由(1)和(2)解出:

OIP3＝a＋(a－b)/2＝(3a－b)/2……………………………………………………………(3) IIP3＝OIP3－G ………………………………………………………………………………(4)

示例：

图3表示一个低噪音放大器（LNA）的输出频谱，其增益G＝20dB，两个音频频分别为F2和F1，输出功率a＝－10dBm，三阶交调2F1-F2或F2-F1输出功率b＝－70dBm

由(3)计算得OIP3＝20 dBm 由(4)计算得IIP3＝0 dBm 2.2 三阶互调干扰水平描述和计算

三阶互调干扰水平与系统非线性特征有关，有两种描述方法：

1）用三阶互调输出电平描述，单位为dBm，图2中的－70 dBm即是，可用频谱仪直接测量； 2）用三阶互调抑制度描述，单位为dBc，它等于基频输出电平与三阶互调输出电平之差，图2中的60dBc即是。

一般用三阶互调抑制度描述三阶互调干扰水平。 3 线性指标的测量 3.1 1db压缩点的测量

3.1.1 用矢量网络分析系统进行放大器1dB压缩点自动测量

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以37369C矢量网络分析系统为例介绍测量方法。通过37369C内置的增益压缩软件，可以很快地完成

这一测试。首先，在37369C上按Appl键，选择SWEPT POWER GAIN COMPRESSION功能，根据被检放大器的工作频段设置需测的频率点（37369C最多可置10个点）：6GHz、8GHz、12GHz、14GHz、16GHz、18GHz，依照公式PSTART=压缩点指标-增益-15dB及PSTOP ≈ PSTART+20dB 设定扫功率范围。

图4 用矢量网络分析系统测量1dB压缩点示意图

按照图4做线性功率校准，调整每个频点的源输出功率，然后用被检放大器替换功率探头，并选择GAIN COMPRESS功能完成测试。

3.1.2用矢量信号分析仪进行放大器1dB压缩点测量

图5所示为一组典型的、使用矢量信号分析仪进行测量的测试配置。带同相、正交调制能力的信号发生器产生一个RF移动无线信号，并将其送至被测器件(DUT，如移动通信输出放大器)的输入端。放大器的输出端通过衰减器(避免仪器工作范围外的高压)与矢量信号分析仪输入端相连。甚至可用这一组设备直接测量基站的RF输出信号。

矢量信号分析仪 测试信号发生器 信号发生器

功率放大器 衰减器 图5用矢量信号分析仪测量1dB压缩点示意图

3.2 三阶交调截取点IP3的测量

图6为三阶交调截取点IP3测试框图。

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为了尽量减少信号源和频谱分析仪产生的交调分量，提高测量精度，在信号源和频谱分析仪之间，附加了一些测试设备。附加在射频信号源与合成器之间的隔离器用以改善并隔离射频信号源之间的交调或混合，低通滤波器用以减少射频信号源的谐波成分。附加在被测放大器与频谱分析之间的隔离器用以改善与频谱分析仪的阻抗匹配，低通滤波器用以减少由被测放大器产生的谐波分量。

为了避免频谱分析仪产生非线性失真，输出到频谱分析仪的信号功率不能太高，对此要求射频信号源的输出功率要小，由图3可以看出，三阶交调输出功率（图中的b点）比一阶交调输出功率（图中的a点）要小很多倍，那么对测量的频谱分析仪的要求需要有高的动态范围。

综合以上的考虑后，要精确的测量IP3需要谨慎遵守几个步骤： [1] 按照图6测试框连接好设备；

[2] 设置射频信号源F1的频率和输出功率； [3] 设置射频信号源F2的频率和输出功率；

[4] 设置频谱分析仪衰减电平、参考电平、中心频率、范围（SPAN）、分辨率等参数； [5] 提供符合被测放大器的工作条件（电压，电流）；

[6] 调整射频信号源的输出功率并在频谱分析仪测得F1或F2的输出功率，此为a点的值并记录（比如-10dBm）；

[7] 调整频谱分析仪测得2F1-F2或2F2-F1的输出功率并记录，此为b点的值； [8] 用（3）和（4）公式计算出OIP3和IIP3。

图6 三阶交调截取点IP3测试框图

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射频信号源（F1） 射频信号源（F2） 低通滤波器 低通滤波器 隔离器 隔离器 合成器 被测放大器 隔离器 低通滤波器 频谱分析仪 3.3三阶互调的测量

三阶互调干扰水平有两种测量计算方法： 3.3.1 直接测量

用频谱分析仪直接测量射频电路（系统）输出端的基频信号输出功率Carrier (dBm)和三阶互调输出功率OIP(dBm)。则三阶互调抑制度由（5）计算。

dBc3rd＝[Carrier (dBm)－OIP(dBm)]dBc………………………………………………………(5) 3.3.2用三阶截取点来定义三阶互调抑制度

三阶截取点OIP3(dBm)、基频信号输出功率Carrier (dBm)和三阶互调抑制度dBc3rd的关系如下： dBc3rd=−2(I3rd−Carrier) ………………………………………………………………………(6) 其中：

dBc3rd——单基频的三阶互调抑制度(dBc)；

Carrier——单基频输出电平(dBm)= 10log（输出功率W/1mW）， I3rd——三阶截取点(dBm)。

把2.1的计算结果OIP3＝20 dBm和图2中的数据代入(6)式： dBc3rd=−2(20+10) dBc=−60 dBc 4 线性指标的单位 4.1 dBc

dBc是一个表示功率相对值的单位，与dB的计算方法完全一样。一般来说，dBc 是相对于基频（Carrier）功率而言，在许多情况下，用来度量与基频功率的相对值，如用来度量干扰（同频干扰、互调干扰、交调干扰、带外干扰等）以及耦合、杂散等的相对量值。 在采用dBc的地方，原则上也可以使用dB替代。

dBc数值通常表示谐波输出低于基波的dB数。例如：二次谐波失真-60dBc的意思是在二倍基波频率的失真输出幅度比基波低60dB。 4.2 dBm

dBm是一个考征功率绝对值的值，计算公式为：10lgP（功率值/1mw）。 [例1] 如果发射功率P为1mw，折算为dBm后为0dBm。 [例2] 对于40W的功率，按dBm单位进行折算后的值应为： 10lg（40W/1mw)=10lg（40000）=10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm。

作者简介：

蒋治明，苏州工业园区新海宜电信发展股份有限公司技术顾问，高级工程师，中国电子学会高级会员。毕业于南京大学物理系声学专业，先后在国防科工委第31、33训练试验基地雷达仪器试验所从事火控雷达、火控计算机和声学测量仪等兵器的国家级鉴定试验工作和数值计算的计算机软件编制工作。主要参加了《传输设备用电源分配柜》、 《通信设备用直流远供电源系统》、《地下通信管道用塑料管》等通信行业标准的编写

工作，多次获得国家和地方科技成果奖。

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