鼎阳科技三阶交调截止点测试解决方案

概述

当两个或更多信号同时作用于有源器件（如放大器、混频器）的输入端时，由于器件的非线性特性，除了产生各信号的谐波外，信号之间的组合还会产生互调产物（Intermodulation Products）。

互调产物电平与输入信号电平的关系遵循以下规律：若两个正弦输入信号的幅度变化ΔdB，则相应的N阶互调产物的电平将变化NΔdB。其中，阶数N是指构成该产物的各输入信号频率项次数的代数和。例如，频率为2F1-1F2的产物，阶数N=2+1=3。

IM3（Third-Order Intermodulation Product）即是指第三阶互调产物，如图1所示，其中第三阶互调产物为2F1-F2和2F2-F1，

图1 两个正弦信号输入后的频谱图

截止点（Intercept Point,IP）是一个理论概念，定义为：当输入信号增大到使基波输出信号（理想线性放大）与n阶互调产物输出信号（理想非线性）在功率上相等时的交点，如图2所示。但该截止点在实际测试中无法直接达到，因为在信号增大到该点之前，器件输出通常已因压缩或饱和而受限。

在所有互调产物中，第二阶互调产物（IM2）和第三阶互调产物（IM3）对测量的影响通常最为显著，因此常定义二阶截止点：IP2，三阶截止点：IP3。

图2 IM3与输入信号功率的关系

需要注意的是测量截止点时，必须确保输入衰减器的设置为0dB。因为随着衰减器衰减量的增加截止点也将升高（衰减降低了输入到第一级有源器件的信号功率，减少了其非线性效应，但同时会恶化噪声系数）。

01难点与挑战

测试IP3（三阶截止点）在理论和操作上面临多重挑战，其难点主要源于IP3的理论性以及测试系统的非线性。

难点一：

IP3是基波信号与三阶互调产物（IM3）功率外推的交点，实际器件在达到该功率前早已饱或压缩，无法真实工作在IP3点。因此需在远离饱和区的线性区域测量IM3，再按斜率外推。若测试点选择不当（如靠近压缩区），外推结果会严重偏离，从而导致测试失败。

应对方案：

通过预测试确定线性工作区，如-30dBm至-10dBm输入，在多个功率点测量IM3，线性回归验证斜率是否为3:1，确保处于线性工作区。

难点二：

测试需注入两个纯净的等幅正弦信号（F1, F2）。若信号源自身存在谐波或相位噪声，其产生的杂散会与IM3（2F1-F2, 2F2-F1）混叠，会污染测量结果。此外若合路器自身非线性，会额外产生IM3，导致虚假的高IM3电平，导致测得的IP3偏低。

应对方案：

需选用高线性度合路器，最好是阻性合路器，注意阻性合路器存在≥3dB的固有损耗（需提前计算信号源功率余量）并在测试前验证信号源的谐波失真和相位噪声情况。

难点三：

当DUT的线性度较好时，其IP3较高，这时候的IP3测试有2个特点：一是输入的单音信号很强；二是产生的三阶互调分量很弱。由于强信号输入容易使测试系统其他器件也进入非线性状态，产生同频的互调分量或其他杂波；弱互调分量容易被大信号掩盖，从而导致测试失败。

应对方案：

选用动态范围大的频谱分析仪，从而能同时测量大信号与弱IM3，选用自身抗信号干扰能力强（IP3高）的频谱分析仪，避免影响测量结果，选用低相位噪声的频谱分析仪，避免频谱拖尾掩盖IM3。

02解决方案

IP3的一般测试方法，可以选择向DUT输入2个单音信号，或是使用能产生双音信号的矢量源，测出DUT输出端单音信号的电平和三阶互调产物的电平，再计算出IP3的大小。本案例使用两个信号发生器来仿真信号。

步骤1：

将两个信号源的射频输出端口通过定向耦合器连接，并将被测件（例如放大器） 放置在定向耦合器输出端口与分析仪输入端口之间，具体连接如图3所示。

图3 连接示意图

图4 实物连接图

步骤2：

按如下设置信号源：

①设置一个信号源的频率为100MHz。

②设置另一个信号源的频率为101MHz，使得信号源频率之间的间隔为 1MHz。

③设置两个信号源的功率使得频谱仪测量的幅度相等，本例中设置为-15.0dBm。

图5信号发生器设置示意

步骤3：

设置频谱仪中心频率为100.0MHz：按【频率】、【中心频率】。 设置仪器的中心频率，输入100.0MHz。 如图6。

图6 频谱仪频率设置示意图

步骤4：

设置频谱仪扫宽为5MHz： 按【扫宽】、【扫宽】。设置仪器的频宽，输入5MHz。 如图7。

图7 频谱仪扫宽设置示意图

步骤5：

设置频谱仪衰减为0B： 按【幅度】、【衰减】。设置仪器的衰减，输入0dB。如图8。

图8 频谱仪幅度设置示意图

步骤6：

进入三阶交调测量模式：按【测量】、【三阶交调】 三阶交调测量结果显示如图9所示，文本窗口显示了基波频率和功率， 以及三阶交调频率和功率，并给出了三阶截断值。

图9 测试结果

步骤7：验证结果。

①改变频谱仪射频输入衰减器的衰减量，观察互调分量的电平值是否相应减少或增加。如果该电平值改变了，则说明频谱仪产生的互调分量电平值不能忽略，测试结果无效。

②在其他条件不变的情况下，比较加上DUT和不加DUT测得的互调分量电平值。如果后者的电平值比前者的小得多则说明所测结果是DUT产生的互调分量；否则，测试结果无效。

当测试结果无效时，可以尝试减小2个单音信号的输入电平或加大频谱仪输入衰减器的衰减量来获得有效结果。

小结

鼎阳科技提供用于三阶交调截止点（IP3）测试的解决方案，直击高线性度器件测试中强信号掩盖与弱互调分量检测的核心痛点。通过频谱分析仪，结合高精度信号源，配合智能测量套件一键完成IP3测试，极大的方便了用户进行三阶交调测试。

作者丨鼎阳科技 张浩楠

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