CN109150332B - 一种利用矢量谐波预测量无源互调的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用矢量谐波预测量无源互调的装置，其特征在于，包括：信号源；功率放大器；双工器一；双工器二。本发明的另一个技术方案是提供了一种基于上述装置的利用矢量谐波预测量无源互调的方法。由于只需要一个信号发生器和一个功率放大器，本发明提供的单载波装置简易的优点非常明显。而且由于不需要信号合成，相比于传统的互调测试的3dB功率损耗得以改善，因此信号发生器及功率放大器只需要以前功率的一半。载波与三次谐波之间有巨大的频率间隔，本发明提供的装置内使用的双工器结构也可以得到大幅简化。

Description

一种利用矢量谐波预测量无源互调的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种利用矢量谐波预测量无源互调的装置以及基于该装置的预测量无源互调的方法。

背景技术

无源互调通常指的是当两个或多个信号通过一个传输路径时，无源元器件上的非线性产生的失真。在移动通信***中，主要是三阶互调产物受到较大重视，因为它靠近传输信号，因此可能会落进接收频带。在这种情况下，信号的噪声比将被降低，会影响所有的数据传输速率。由于失真不能在频率和技术上被滤除，因此需要较高的***稳定性，所以要尽量避免无源互调的产生。

为此，现代移动通讯***中的所有组件都需要设计出最低的PIM(无源互调)级别，而且必须进行测试。此外还需要在现场进行测试，以确保所有组件之间的正确安装和连接。测试标准按IEC62037-1，通常使用的+43dBm作为测试信号的功率。

图1为最常用的双载波测试原理图,两个正弦信号由信号源产生经功率放大器放大,再由3dB电桥合路到同一端口输出。隔离器有效地增加各输入端口的隔离以避免产生的互调反向被功率放大器放大。电桥合路两路载波功率，一半的功率通过一个端口被负载吸收并转化为热量。另一半的功率通过另一端口进双工器到测量端口。连接在测量端口上的被测件DUT产生的互调信号向前和向后传输,被测件DUT产生的反射信号经接收端的双工器而后可由频谱仪等仪器测得。

发明内容

本发明的目的是：简化为避免无源互调的产生而搭建的测试***。本发明的另一个目的是：简化测试流程。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种利用矢量谐波预测量无源互调的装置，其特征在于，包括：

信号源，用于仅产生一个正弦信号；

功率放大器，用于将信号源产生的正弦信号放大到相应幅值的功率，形成载波信号；

双工器一，双工器一的输入端与功率放大器的输出端相连，功率放大器输出的载波信号的三次谐波作为基准信号通过双工器一的输出端一输入至矢量测试设备，功率放大器输出的载波信号还通过双工器一的输出端二输入至双工器二；

双工器二，双工器二的输入端与双工器一的输出端二相连，双工器二的测试端与被测件相连，双工器二的输出端连接矢量测试设备，载波信号通过输入端输入双工器二后，经由测试端被送至被测件，被测件产生的反射信号经由测试端反馈回双工器二后，由双工器二将反射信号的三次谐波通过输出端送至矢量测试设备。

优选地，所述矢量测试设备为矢量网络分析仪。

本发明的另一个技术方案是提供了一种基于上述装置的利用矢量谐波预测量无源互调的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过功率放大器将信号源产生的正弦信号放大到相应幅值的功率，形成载波信号；

步骤2、载波信号输入双工器一，由双工器一将载波信号的三次谐波作为基准信号分配到矢量测试设备，同时，双工器一将载波信号分配到双工器二；

步骤3、双工器二将接收到的载波信号经由测试端分配到被测件，被测件产生的反射信号经由测试端反馈回双工器二后，由双工器二将反射信号的三次谐波分配到矢量测试设备；

步骤4、矢量测试设备比较反射信号的三次谐波与作为基准信号的三次谐波的幅度及相位后确定被测信号。

由于只需要一个信号发生器和一个功率放大器,本发明提供的单载波装置简易的优点非常明显。而且由于不需要信号合成，相比于传统的互调测试的3dB功率损耗得以改善，因此信号发生器及功率放大器只需要以前功率的一半。载波与三次谐波之间有巨大的频率间隔，本发明提供的装置内使用的双工器结构也可以得到大幅简化。传统使用双载波测量的装置则需要腔体式滤波器，伴有非常陡峭的边缘抑制性，而本发明的单载波测量装置使用的双工器可以用微带技术得以实现，后者拥有低成本、结构紧凑的优点。

本发明尽管是单载波装置，却使更加简单测量幅值及相位成为可能。而且本发明还可以通过类似校准矢量网分仪来校准。测量步骤描述如下：测得的幅值及相位可通过傅利叶变换提供被测体DUT中所有非线性在时间与空间的分布。三次谐波的扫频带宽三倍于载波信号的扫频带宽。

由于谐波与互调在频率上的不同，本发明不能用于测量窄带产品，如：滤波器。然而对于宽带传输路径，本发明具有扫描带宽大的优点，从而提高了时域测量的空间分辨率和门控(gating function)功能的选择性。

附图说明

图1为双载波互调测试原理图；

图2为使用矢量网络分析仪测量三次谐波的理论测试原理图；

图3为实际用于测量方法实验验证的原理图；

图4为使用单载波原理测量一个-130dBc互调标准件的测试结果；

图5A及图5B为使用TDR测量方法测量拥有2个强非线性点的传输线的结果；

图6A及图6B为去除一个非线性点并使用门控功能(gating)的测量结果。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

假设有一个单端口设备，他的两个正弦信号为相等的振幅，频率分别为f₁和f₂。一个端口的电压和电流之间有以下关系：

i(t)＝f(u(t)) (1)

令激励信号是：

式(2)中，

表示输入电压幅值。

泰勒级数展开代入式(1)中得到：

i(t)＝k₀+k₁u(t)+k₂u²(t)+k₃u³(t)+k₄u⁴(t)+… (3)

式(3)中，

且n∈N₀，f⁽ⁿ⁾(0)表示f(0)的n阶导数，N₀表示自然数。

第三谐波和第三阶互调产物主要出现在泰勒级数展开式中的第四项。在以下计算中由于k_n通常随n的增加而迅速减小，所以可以忽略高阶项对三阶互调产物的影响。在大多数情况下，这也是足够能现实，第五阶互调的产物即式(3)中第六项通常比三阶互调产物有几十个dB的降幅。

按照此近似可以看到第二项k₁u(t)由原始载波f₁和f₂组成,第三项k₂u²(t)由载波|f₁±f₂|以及2f₁和2f₂组成，第四项k₃u³(t)展开如下：

三阶互调产物|2f₁±f₂|和|2f₂±f₁|拥有三倍于三次谐波3f₁和3f₂的振幅。由于是电压比值，功率值的差别为9.54dB。如果此时关闭第二个载波f₂,那么式(4)为：

三次谐波的振幅保持不变。通过测量此幅度值可以有效地预测三阶互调产物的幅值。

基于上述对于无源互调预测的适用性的研究，本发明提供的一种利用矢量谐波预测量无源互调的装置，包括：

信号源Source，用于仅产生一个正弦信号；

功率放大器PA，用于将信号源Source产生的正弦信号放大到相应幅值的功率，如43dBm，形成载波信号；

双工器一Diplexer No.1，双工器一Diplexer No.1的输入端与功率放大器PA的输出端相连，功率放大器PA输出的载波信号的三次谐波作为基准信号通过双工器一DiplexerNo.1的输出端一输入至矢量测试设备Receiver，功率放大器PA输出的载波信号还通过双工器一Diplexer No.1的输出端二输入至双工器二Diplexer No.2；

双工器二Diplexer No.2，双工器二Diplexer No.2的输入端与双工器一DiplexerNo.1的输出端二相连，双工器二Diplexer No.2的测试端Testport与被测件DUT相连，双工器二Diplexer No.2的输出端连接矢量测试设备Receiver，载波信号通过输入端输入双工器二Diplexer No.2后，经由测试端Testport被送至被测件DUT，被测件DUT产生的反射信号经由测试端Testport反馈回双工器二Diplexer No.2后，由双工器二Diplexer No.2将反射信号的三次谐波通过输出端经由低噪声放大器LNA送至矢量测试设备Receiver。

基于上述装置的利用矢量谐波预测量无源互调的方法包括以下步骤：

步骤1、通过功率放大器PA将信号源Source产生的正弦信号放大到相应幅值的功率，形成载波信号；

步骤2、载波信号输入双工器一Diplexer No.1，由双工器一Diplexer No.1将载波信号的三次谐波作为基准信号分配到矢量测试设备Receiver，同时，双工器一DiplexerNo.1将载波信号分配到双工器二Diplexer No.2；

步骤3、双工器二Diplexer No.2将接收到的载波信号经由测试端Testport分配到被测件DUT，被测件DUT产生的反射信号经由测试端Testport反馈回双工器二DiplexerNo.2后，由双工器二Diplexer No.2将反射信号的三次谐波分配到矢量测试设备Receiver；

步骤4、矢量测试设备Receiver比较反射信号的三次谐波与作为基准信号的三次谐波的幅度及相位后确定被测信号。

图3为改善型测量原理图，其可评测单载波测量的准确性。载波信号由矢量网络分析仪VNA产生，参考信号和测量信号也由矢量网络分析仪VNA的接受器获得。矢量网络分析仪VNA测量时注意应选择混合测量模式，并且接收频率设定为三倍于源信号频率。第二个双工器的输出端口应尽量选择7-16接头以增加测量的准确性。

为得到准确而有意义的测量结果，矢量网络分析仪VNA使用时需要校正***误差。校准是使用SSL技术完成的。使用PIM标准件作为短路(short)。使用的标准件的互调值为-113dBc(测试使用双载波20瓦功率)。另外创建一个偏置短路(offset short)是在之前的PIM标准件前连接一段传输线，其长度应为三次谐波频率范围内的中心频率四分之一波长。传输线物理结构上由一体化外导体和一体化内导体组成，以得到尽可能低的互调值避免较大误差的产生。

此外，短路(short)和偏置短路(offset short)可以假定具有几乎相等的幅值，但在所评估的频带上有不同的相位。匹配负载标准件(match)的制作是在传统低互调负载的基础上优化得到的，其测试值不应低于175dBc(测试使用双载波20W功率)。

对矢量网络分析仪的校准程序已使用SSL。校验完成后测量结果显示为从2.4到2.69GHz的S11参数。参考水平0dB是指用于校准标准件的PIM的互调水平，即-113dBc。

时域功能的一个优秀的特征是可以通过门控功能(gating)显示传输路径上某一特定区域的状态。

从简化测量装置的角度出发，使用三次谐波测量方法测量宽带组件互调有着重要意义。测量装置以及所需的元件比双载波测量方法要简单得多。

当相位信息也被计算出时，可以通过拥有较高分辨率的准TDR测量技术得到比双载波测量更加精准的测量结果。

经过多次的双载波和本发明的单载波测量，可确定两种测量方法所得结果的一致性。测量用的被测件DUT是一个互调标准件。它首先在常规的双载波GSM1800互调仪上调到特定值，后测试GSM900频段，然后再用同一的流程在单载波仪器上测试。

在第一次的双载波测试时，互调标准件在GSM1800的范围被调到-130dBc,后在GSM900的仪器上测得-136dBc。此测量差别可定义为互调标准件内的容性耦合在较低频率时偏弱。

而后使用单载波测试的结果见图4。测量值在dB值上已被增加了113dBc。因此，单载波测量的结果在频率范围内应为-133dBc到-135dBc之间。以上用单载波测量的微小差别可以解释为缺少AGC(自动增益控制automatic gain control)和测量器件在频域范围上的***损耗的区别。而双载波测量仪器上这些功能都已使用，所以在频域上的差别也就非常小了。

被测件DUT又调至其它几组互调值重复以上步骤测试,结果见下表：

可以看到单载波和双载波方法测试的结果在GSM900频段有着很好的一致性，但在GSM1800频段的结果却很大。这是由于单载波测量信号频率范围为800MHz到896MHz非常接近GSM900频段。之前讨论的幅值9.54dB的差别这里没有出现，原因是***纠错功能已将之去处。这里必须说明的是最后一列的测量结果含有很多的不确定性，这是由于双载波测试装载的残余互调和单载波装置的底噪在此电平水平下对测量结果有着很大的影响。

单载波测量装置提供了三次谐波的幅值和相位的信息，因此可通过VNA的准时域功能来测量。其中，傅里叶变换被应用于频域上的幅值测量，而相位给了一个时域上的非线性空间分布(对非分散性的传输路径)。图5A及图5B中为两个-113dBc的互调标准件的测量结果，它们中间用5米长1/2英寸超柔跳线连接，第一个标准件接在测试端口，第二个靠近优化负载边。图5A为互调产生源在空间上的分布情况(时域)，图5B为两个互调源在频域上的相互叠加和抵消。正如所预料的，两个互调源在相位上的叠加产生了比一般互调高6dB的结果。

时域的非常有效的功能是使用门控功能来显示传输路径下的特定区域。图6A就是使用此功能测得的单载波谐波的结果。还是之前的传输路径，只是去掉了测试端口的标准件，留下跳线与测试端口的直连。在空间分布上可以看到第一个互调源已经几乎消失，只留下很小的凸起。这个小的凸起是跳线与测试端口连接产生的微小的非线性。第二个峰仍然是之前的互调标准件产生的约0dB(-113dBc)。图6B为在第一段连接处使用门控功能得到的频域响应。可以看出传输路径上的强非线性被门控功能滤除的非常好，并得到一个约-160dBc的测量结果，这正是测试端口和跳线连接处的非线性的实际值。在频域的低端和高端幅值都在增加，这是由于滤波器在边带的滤波效果减弱的效果。然而可通过评估频带中心值的方法得到现实意义的互调值。

Claims (3)

1.一种利用矢量谐波预测量无源互调的装置，其特征在于，包括：

信号源，用于仅产生一个正弦信号；

功率放大器，用于将信号源产生的正弦信号放大到相应幅值的功率，形成载波信号；

双工器一，双工器一的输入端与功率放大器的输出端相连，功率放大器输出的载波信号的三次谐波作为基准信号通过双工器一的输出端一输入至矢量测试设备的第一端口，功率放大器输出的载波信号还通过双工器一的输出端二输入至双工器二；

双工器二，双工器二的输入端与双工器一的输出端二相连，双工器二的测试端与被测件相连，双工器二的输出端连接矢量测试设备的第二端口，载波信号通过输入端输入双工器二后，经由测试端被送至被测件，被测件产生的反射信号经由测试端反馈回双工器二后，由双工器二将反射信号的三次谐波通过输出端送至矢量测试设备的第二端口。

2.如权利要求1所述的一种利用矢量谐波预测量无源互调的装置，其特征在于，所述矢量测试设备为矢量网络分析仪。

3.一种基于权利要求1所述装置的利用矢量谐波预测量无源互调的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过功率放大器将信号源产生的正弦信号放大到相应幅值的功率，形成载波信号；

步骤2、载波信号输入双工器一，由双工器一将载波信号的三次谐波作为基准信号分配到矢量测试设备，同时，双工器一将载波信号分配到双工器二；

步骤3、双工器二将接收到的载波信号经由测试端分配到被测件，被测件产生的反射信号经由测试端反馈回双工器二后，由双工器二将反射信号的三次谐波分配到矢量测试设备；

步骤4、矢量测试设备比较反射信号的三次谐波与作为基准信号的三次谐波的幅度及相位后确定被测信号。

Images