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三混频器技术在混频器测试中的应用

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1 概述

混频器是最常见的变频器件，而变频器件的测量一直以来都相对困难和复杂。传统的测量方法包括使用频谱仪、标量网络分析仪、矢量网络分析仪等。采用功率计和频谱仪可以对幅度特性进行测量，无法测量相位特性，同时，测量不同的参数需要不同的连接方式；采用网络分析仪测量和常规器件测量相比，也存在一些困难：输入和输出信号处于不同频率；是多端口器件；需要两路输入；匹配一般都不好；不能进行矢量网络分析仪的误差修正等。

本文主要讲述通过矢量网络分析仪来完成混频器的测试方法，具体通过安立公司的网络分析仪和软件，阐述一种NXN技术（也可以叫三混频器技术）在混频器测试中的应用，通过这种方法，可以实现实时的误差修正，同时测量连接方式简单，一次测量就可以得到所有的参数。

2 混频器测量的传统解决方法

混频器作为基本的频率变换器件，其主要测量参数有传输特性（变频损耗、相位、群延迟）、发射特性（回波损耗、隔离度）、非线形（变频压缩、高阶混频产物、双音IMD）等。

采用网络分析仪进行器件的网络参数测量通常有以下几个要求：

1）矢量信号分析仪测量是比较测量法，要求测试通道信号和参考信号通道信号的频率一致；

2）一般参考通道的信号直接来自矢量网络分析仪的射频信号源；

3）由于混频器或变频器有关变频的测量则不能满足上述要求。混频器的测量需要不同于传统器件测量的特殊的连接方式。

常规的测量方法主要采用"已知"混频器"Golden Piece"法。在这种方法中，测量获得的数据是与"已知"混频器"Golden Piece"的数据的相对值。这种方法在行业中已经被认为是频率变换器件测量的标准测量法。在测量中要用到两个混频器，一个的输出用于锁定VNA，另一个用于测量。首先，测量Golden Piece的幅度和相位并存储；DUT的测量结果和Golden Piece的结果比较，可以得到一个相对的结果。

混频器常规测量法原理图如图1所示。A1参考接收机端口为IF参考信号；B1测量接收机端口为IF测量信号，而非反射信号；测量结果为A1/B1的比值；A1、B1信号的频率一致，因此可以比相并由相位曲线导出群时延。

采用这种常规测量方法主要存在以下缺点：

1）对于不同参数的测量仍然需要不同的连接方式；

2）由于使用标准混频器"Golden Piece"进行校准，标准混频器"Golden Piece"的任何损耗或损害都会破坏原有的参考标准；

3）不同来源的产品的比较是很困难的；

4）不能对源和负载匹配的测量进行修正；

5）与进行"S"参数测量的连接方式不同。

图1 混频器常规测量法原理图

3 混频器测量的NXN测量法

美国安立公司提出了一种针对混频器测量的NXN测量法，这种方法有效的解决了常规测量法所无法解决的一些困难和技术难点。

NXN测量法，简单的说，它是基于混频器为互易器件的测量方法。其测量原理框图如图2所示。需要三个混频器，由于混频器1在两个方向上都需要进行测量，所以要求混频器1为双向混频器。由于需要滤出镜频信号，需要中频滤波器。该方法主要通过在校准时解三个方程求三个未知数，即通过三个三元一次方程得到唯一解的办法，然后将解出的参数代入对DUT的测量得到一个一元一次方程并求出解。

由原理图可知，采用NXN测量法使得进入矢量网络分析仪的信号不是变频信号，此方法最大的优点就是可以直接对混频器的幅度和相位进行测量，测量结果是绝对数据，不是相对数据，结果更准确；同时可以对系统误差进行误差校准，即12项误差，如频率响应、源匹配、负载匹配等，可以得到实时的12项误差校准数据。

图2 NXN测量法测量混频器原理框图

4 NXN测量法的具体应用

4.1 测量器件

DUT #1- #3 = 混频器 (同种类型, 必要条件)

M1-0418 微波双平衡混频器

LO/RF频率范围4.0 to 18.0 GHz

IF频率范围DC to 4.0 GHz

LO功率 +15dBm

（设置LO信号源功率为10 dBm,因为使用了LO放大器.）

在下面应用中：

RF= 10.04 GHz to 11 GHz, 功率电平 + 0dBm

IF = 0.04 GHz to 1 GHz.

LO = 10GHz, LO功率 = 10 dBm.

4.2 仪器设置

VNA: 37200B or 37300A

LO源: 安立69347频率综合器, 满足混频器LO驱动功率要求

PC:安装 2300-232 软件 (Windows 3.1 or 95, 16 or 32 bit)

GPIB总线: PC通过GPIB控制VNA，信号源在多源控制模式下通过GPIB受控于VNA。如果是固定LO测量, VNA不需要控制外部信号源。

测试框图如图3所示

注：为了提高测量结果的匹配，可以用6dB的隔离器替换3dB的。

1、放大器用于提高LO的驱动能力，并增加隔离能力。隔离器也是用于隔离。如果不用放大器那么必须有足够的LO驱动能力。通常隔离在RF和IF端口最需要。

2、带通滤波器必须调整带宽通过IF信号，滤掉其他信号，使虚假信号最小化。在例子中，由于是1GHz的IF，需要用2GHz的低通滤波器。

注意框图中的混频器是同种类型的，背靠背的。第一个下变频，第二个上变频，使VNA输入输出信号在频率上一致。

在图3中，校准时PEI（Phase equal insertables）是必须的.，但是它和测量无关，所以在图3中未包括。

4.3 测量步骤

第一步：滤波器和连接校准测量

第一步测量是对第一混频器的输出和第二混频器的输入之间的一切环节进行测量。对于固定IF执行全双端口校准，扫频方式 (0.04 to 1GHz)或者连续波，信号源功率等于0dBm. 在IF和RF之间采用同样的步进扫频，频率点必须是401个点。在端口2测试电缆需要采用PEI（phase equal insertable）。

连接原理框图如图4所示。

第二步：混频器测量

图4 IF滤波器校准原理

原理框图如图5所示。

VNA需在RF范围内校准，10.04到11GHz，401个点，信号源功率为0dBm。采用多源控制模式驱动LO信号源，对于固定LO测量不需要多源控制模式。需要在混频器的射频端连接3dB的隔离器，在校准时每个端口都应连接隔离器。在端口2应该连接PEI（Phase Equal Insertable）。如果需要更好的匹配可以使用 6dB的隔离器取代 3 dB的隔离器。