基于N1dB压缩点和N2dB压缩点的三阶交调测试方法

摘要

本发明涉及放大器的非线性参数测试技术领域，公开了一种基于N1dB压缩点和N2dB压缩点的三阶交调测试方法，包括：将信号源、待测放大器和功率计依次连接；信号源向待测放大器输入功率，并逐步加大输入功率，功率计测量每一输入功率对应的输出功率；根据测量的输入功率和输出功率，确定N1dB压缩点输入功率和N2dB压缩点输入功率；由N1dB压缩点输入功率和N2dB压缩点输入功率计算输入功率的差值Δ；将该差值Δ代入三阶交调计算公式计算出N1dB压缩点输入功率与三阶交调点输入功率的功率差值ΔIIP3；以及对该功率差值ΔIIP3进行修正，得到三阶交调点输入功率值。本发明降低了测试系统的成本，简化了测试结构，在经过算法的计算后，加上校正值修正从而能保证很高的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及放大器的非线性参数测试技术领域，尤其涉及一种基于 N₁dB压缩点和N₂dB压缩点的三阶交调测试方法，用于实现三阶交调点输 入功率(IIP3)值的计算。

背景技术

对于放大器的普通测试一般包括三方面：线性测试、非线性测试、噪 声系数测试，其中非线性测试涉及的参数主要包括1dB压缩点和三阶交调 点(IP3)，尤其以三阶交调点更能体现放大器的非线性特性。在射频或微 波多载波通讯系统中，三阶交调点是一个衡量线性度或失真的重要指标， 其包含有三阶交调点输入功率(IIP3)和三阶交调点输出功率(OIP3)这 两个参数，本发明提供的三阶交调测试方法主要是为了实现对三阶交调点 输入功率值的计算。

交调失真对模拟微波通信来说，会产生邻近信道的串扰，对数字微波 通信来说，会降低系统的频谱利用率，并使误码率恶化，因此容量越大的 系统，要求三阶交调点越高，即三阶交调点输入功率越大，这也表示线性 度越好和失真越少。

现有技术中三阶交调点的测试方法通常是对输入的两个频率邻近的 信号进行测试，当这两个频率邻近的信号落在放大器的带宽内并通过非线 性放大区放大时，其输出信号将包括各种由这两个频率邻近的信号产生的 多阶频率分量，在这些多阶频率分量中三阶交调分量2F1-F2和2F2-F1是 非线性频率中三阶(即三次方项)产生的，由于其经常处在放大器的带宽 内，因此是需要主要关注的非线性分量，见图1。

图2反映了基频(一阶交调)与三阶交调的增益曲线，当输入功率逐 渐增加到输入三阶交调点(IIP3)时，基频与三阶交调增益曲线相交，对 应的输出功率为输出三阶交调点(OIP3)。IIP3与OIP3分别被定义为输入 三阶交调点和输出三阶交调点，即为IP3的横纵坐标参数，由此实现三阶 交调测试。

现有技术中三阶交调测试方法主要包括以下几个步骤：步骤1：按照 图3测试框连接好设备；步骤2：输出一路射频信号F1；步骤3：输出另 一路射频信号F2；步骤4：打开频谱分析仪；步骤5：打开被测放大器； 步骤6：在频谱分析仪上读取F1或F2的输出功率，此为a点(如图2) 的值；步骤7：在频谱分析仪上读取2F1-F2或2F2-F1的输出功率，此为 b点(如图2)的值；步骤8：计算输出三阶交调点OIP3和输入三阶交调 点IIP3：

${\mathrm{OIP}}_3=a+\frac{a-b}{2}=\frac{3a-b}{2}$

IIP₃＝OIP₃-G

其中，G为放大器的增益。

但是，现有技术中三阶交调测试中存在以下缺陷：首先，输出到频谱 分析仪的信号功率不能太高，避免由频谱分析仪产生的非线性失真，对此 要求射频信号源的输出功率要小，而由图2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 频谱分析仪则要有很高的动态范围。其次，由图3可知，测试框图中的测 试仪器与设备非常复杂、繁多而且价格昂贵，整个测试系统尤其对滤波器、 频谱仪要求很高，这些在一定程度上又增大了测试系统的成本与复杂性。

因此，如何简化测试系统，降低测试成本，提高测试效率是目前急需 解决的重要问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述问题，大幅度的削减测试成本、简化测试结构，本发明利 用放大器的输入输出曲线，尤其是N₁dB压缩点输入功率与N₂dB 压缩点输入功率的差值Δ，提供了一种基于N₁dB压缩点和N₂dB 压缩点的三阶交调测试方法。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于N₁dB压缩点和N₂dB压缩 点的三阶交调测试方法，包括：将信号源、待测放大器和功率计依次连接； 信号源向待测放大器输入功率，并逐步加大输入功率，功率计测量每一输 入功率对应的输出功率；根据测量的输入功率和输出功率，确定N₁dB压 缩点输入功率和N₂dB压缩点输入功率由N₁dB压缩点 输入功率和N₂dB压缩点输入功率计算输入功率的差值 Δ；将该差值Δ代入三阶交调计算公式计算出N₁dB压缩点输入功率与三阶 交调点输入功率的功率差值Δ_IIP3；以及对该功率差值Δ_IIP3进行修正，得到 三阶交调点输入功率值。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的基于N₁dB压缩点和N₂dB压缩点的三阶交调测试方 法，只需要使用一个信号源与一个功率计，从而大幅度降低了测试系统的 成本，简化了测试结构，在经过算法的计算后，加上校正值修正从而能保 证很高的精度。

2、随着微电子技术的发展，测试仪器越来越贵，从而导致测试费用 将会越来越高。而本发明提供的基于N₁dB压缩点和N₂dB压缩点的三阶 交调测试方法，对测试费用的要求很低，从而使得本发明将会有更大的潜 力。

附图说明

图1是双音测试的输入输出频谱图；

图2是三阶交调的定义图；

图3是现有技术中三阶交调测试的示意图；

图4是由放大器输入输出曲线确定及其差值Δ的的示意 图；

图5是由放大器输入、增益曲线确定及其差值Δ的的示意 图；

图6是依照本发明实施例基于N₁dB压缩点和N₂dB压缩点的三阶交 调测试的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

首先，对本发明提供的基于N₁dB压缩点和N₂dB压缩点的三阶交调 测试方法所涉及的术语进行阐述。对于放大器而言，当输入功率处于放大 器线性区时输出功率与输入功率保持一个稳定的增益值(Gain)，而当输 入功率进入放大器非线性区时输出功率与输入功率的增益值将会小于线 性区时的增益值，那么此时的增益值与线性区增益值的差值就等于NdB， 这个输入输出功率点就是NdB压缩点。图4和图5从两个不同的方面， 用不同的参数表示了这一概念。

N₁dB压缩点输入功率与N₂dB压缩点输入功率的 差值即为Δ，从图4输入输出功率图和图5输入与增益图可以清楚的看出 并计算与理解。将Δ带入到三阶交调计算公式可算出IIP3与N₁dB压缩点 输入功率的差值Δ_IIP3，对该差值Δ_IIP3进行修正后可得到三阶交调 点输入功率(IIP3)值。

在计算的过程中，放大器输入输出数据用于完整的记录放大器从线性 区到非线性区的大范围变化数据，在非常宽的范围内测量记录放大器的输 入输出功率，从小功率开始测量，从线性区测到非线性区，至少要超过3dB 压缩点。根据放大器的输入输出数据，确定N₁dB压缩点和N₂dB压缩点， 根据其二者的输入功率差值与N₁dB压缩点输入功率代入三阶交调计算公 式，计算出三阶交调点输入功率(IIP3)。

下面阐述三阶交调计算公式的推导过程。对于放大器而言，其输入信 号经过放大后会由于放大器的非线性特性而产生许多高阶信号及其衍生 产物，由于数学分析过于复杂的原因，本公式仅考虑到五阶信号为止(这 也考虑到了高阶信号中影响最大的四阶信号)。假设放大器的幅度放大倍 数为a₁，则理想的放大器输出信号：V_o＝a₁V_i

设输入信号为：V_i＝V_sCOS(ωt)

则实际输出信号为：$V_o=a_1{V}_i+a_2{V}_i^2+a_3{V}_i^3+a_4{V}_i^4+a_5{V}_i^5---\left(1\right)$

当输入信号为双音信号时：V_i＝V_s(cosω₁t+cosω₂t)，代入(1)式中再展 开可算出频率为ω₁的一阶信号为：$V_{o1}=(a_1{V}_s+\frac{9}{4}{a}_3{V}_s^3+\frac{25}{4}{a}_5{V}_s^5){\cos \omega }_{1}t$

频率为2ω₁-ω₂的三阶交调信号为：$V_{o3}=(\frac{3}{4}{a}_3{V}_s^3+\frac{25}{8}{a}_5{V}_s^5)\cos ({2\omega }_1-{\omega }_2)t$

在剩下的公式推导过程中由于只考虑信号的功率而不考虑信号相位 的变化，则在以后的过程中将只对幅值进行计算，故为简化运算。

频率为ω₁的一阶信号为：$V_{o1}=a_1{V}_s+\frac{9}{4}{a}_3{V}_s^3+\frac{25}{4}{a}_5{V}_s^5---\left(2\right)$

频率为2ω₁-ω₂的三阶交调信号为：$V_{o3}=\frac{3}{4}{a}_3{V}_s^3+\frac{25}{8}{a}_5{V}_s^5---\left(3\right)$

对于N₁dB压缩点，设：此时的输出功率为：

对于N₂dB压缩点，设：此时的输出功率为：

而N₁dB压缩点处的输出功率：$V_o^{N_1}=a_1{V}_1+\frac{9}{4}{a}_3{V}_1^3+\frac{25}{4}{a}_5{V}_1^5$

联立(4)式可得：${\mathrm{Aa}}_1=a_1+\frac{9}{4}{a}_3{V}_1^2+\frac{25}{4}{a}_5{V}_1^4---\left(6\right)$

而N₁dB压缩点处的输出功率：$V_o^{N_2}=a_1{V}_2+\frac{9}{4}{a}_3{V}_2^3+\frac{25}{4}{a}_5{V}_2^5$

联立(5)式可得：${\mathrm{Ba}}_1=a_1+\frac{9}{4}{a}_3{V}_2^2+\frac{25}{4}{a}_5{V}_2^4---\left(7\right)$

对于三阶交调点而言，此处的一阶输出功率：V_oiip3-1＝α₁V₃    (8)

而此处的三阶交调输出功率：$V_{\mathrm{oiip}3-3}=\frac{3}{4}{a}_3{V}_3^3+\frac{25}{8}{a}_5{V}_3^5---\left(9\right)$

由三阶交调定义可知，V_oiip3-1与V_oiip3-3应该相等，而a₃、a₅＜0，则为了 保持等式左右的相等：

V_oiip3-1＝-V_oiip3-3    (10)

联立(8)(9)(10)式可推出；$a_1=-\frac{3}{4}{a}_3{V}_3^2-\frac{25}{8}{a}_5{V}_3^4---\left(11\right)$

对(11)式解一元二次方程可解得：$V_3^2=\frac{-\frac{3}{4}{a}_3-\sqrt{\frac{9}{16}{a}_3^2-\frac{25}{2}{a}_5{a}_1}}{\frac{25}{4}{a}_5}---\left(12\right)$

联立(6)、(7)式可解得：$a_3=\frac{4(\frac{A-1}{V_1^4}-\frac{B-1}{V_2^4})}{9(\frac{1}{V_1^2}-\frac{1}{V_2^2})}{a}_1---\left(13\right)$

$a_5=\frac{{4a}_1}{25(V_2^2-V_1^2)}(\frac{B-1}{V_2^2}-\frac{A-1}{V_1^2})---\left(14\right)$

而对于假设：$V_2^2={10}^x*V_1^2---\left(15\right)$

将(13)、(14)、(15)代入(12)式可得：

$V_3^2=\frac{\frac{(1-A-\frac{1-B}{{10}^{2x}})}{3(1-\frac{1}{{10}^x})}-\sqrt{\frac{{(1-A-\frac{1-B}{{10}^{2x}})}^2}{9{(1-\frac{1}{{10}^x})}^2}-\frac{2}{{10}^x-1}(1-A-\frac{1-B}{{10}^x})}}{\frac{1}{{10}^x-1}(1-A-\frac{1-B}{{10}^x})}{V}_1^2---\left(16\right)$

现设定N₁dB与N₂dB压缩点之间的输入功率差值为ΔdB，则对于(16) 式：$x=\frac{\Delta }{10}---\left(17\right)$

将与(17)式代入(16)式可得：

$V_3^2\text{=}\frac{\frac{(1-{10}^{\frac{{-N}_1}{20}}-\frac{1-{10}^{\frac{-N_2}{20}}}{{10}^{\frac{\Delta }{5}}})}{3(1-\frac{1}{{10}^{\frac{\Delta }{10}}})}-\sqrt{\frac{{(1-{10}^{\frac{{-N}_1}{20}}-\frac{1-{10}^{\frac{{-N}_2}{20}}}{{10}^{\frac{\Delta }{5}}})}^2}{9{(1-\frac{1}{{10}^{\frac{\Delta }{10}}})}^2}-\frac{2}{{10}^{\frac{\Delta }{10}}-1}(1-{10}^{\frac{{-N}_1}{20}}-\frac{1-{10}^{\frac{{-N}_2}{20}}}{{10}^{\frac{\Delta }{10}}})}}{\frac{1}{{10}^{\frac{\Delta }{10}}-1}(1-{10}^{\frac{{-N}_1}{20}}-\frac{1-{10}^{\frac{-N_2}{20}}}{{10}^{\frac{\Delta }{10}}})}{V}_1^2$

假设：

${\Delta }_{\mathrm{IIP}3}=10\lg \left(\frac{\frac{(1-{10}^{\frac{{-N}_1}{20}}-\frac{1-{10}^{\frac{{-N}_2}{20}}}{{10}^{\frac{\Delta }{5}}})}{3(1-\frac{1}{{10}^{\frac{\Delta }{10}}})}-\sqrt{\frac{{(1-{10}^{\frac{{-N}_1}{20}}-\frac{1-{10}^{\frac{{-N}_2}{20}}}{{10}^{\frac{\Delta }{5}}})}^2}{9{(1-\frac{1}{{10}^{\frac{\Delta }{10}}})}^2}-\frac{2}{{10}^{\frac{\Delta }{10}}-1}(1-{10}^{\frac{{-N}_1}{20}}-\frac{1-{10}^{\frac{{-N}_2}{20}}}{{10}^{\frac{\Delta }{10}}})}}{\frac{1}{{10}^{\frac{\Delta }{10}}-1}(1-{10}^{\frac{{-N}_1}{20}}-\frac{1-{10}^{\frac{{-N}_2}{20}}}{{10}^{\frac{\Delta }{10}}})}\right)$

则转化为对数功率时：从而可以得到：

而在实际测量过程中因为本公式忽略了五阶以上更高阶谐波对信号 功率的影响，所以需要加上一个修正值Δ_revise，这个修正值依据不同的测试 环境而有所变化，需在初次测试时加以校正。综上可得： $\mathrm{IIP}3=P_{N_1\mathrm{dB}}+{\Delta }_{\mathrm{IIP}3}+{\Delta }_{\mathrm{revise}}.$

本发明提供的基于N₁dB压缩点和N₂dB压缩点的三阶交调测试方法， 主要包括放大器输入输出数据(曲线)、N₁dB和N₂dB压缩点选取、N₁-N₂输入功率差以及三阶交调计算。其中，放大器输入输出数据(曲线)用于 完整的记录放大器从线性区到非线性区的大范围变化数据；N₁dB和N₂dB 压缩点选取是在放大器输入输出曲线上确定出线性区与非线性区，在非线 性区内选取两个压缩点-N₁dB压缩点和N₂dB压缩点；N₁-N₂输入功率差： 计算选取的N₁dB压缩点和N₂dB压缩点输入功率的差值；三阶交调计算： 根据N₁-N₂输入功率差和N₁-N₂输出功率差计算放大器的三阶交调点。

本发明需要在非常宽的范围内测量记录放大器的输入输出功率，从小 功率开始测量，从线性区测到非线性区，至少要超过3dB压缩点。如果输 入功率过早的达到放大器输入功率上限，则测量范围以放大器输入功率上 限为限。根据放大器的输入输出数据确定出线性区与非线性区，在非线性 区内确定N₁dB压缩点和N₂dB压缩点。根据选取的N₁dB压缩点和N₂dB 压缩点输入功率的差值，计算其二者的输入功率差值N₁-N₂输入功率差。 然后根据计算出的N₁-N₂输入功率差及N₁、N₂计算出三阶交调点。

下面以一个射频放大器为例，利用本发明提供的基于N₁dB压缩点和 N₂dB压缩点进行三阶交调测试方法，测试待测放大器的三阶交调点输入 功率IIP3。

图6示出了依照本发明实施例基于N₁dB压缩点和N₂dB压缩点的三 阶交调测试的示意图，包括以下步骤：

步骤1：将信号源、待测放大器和功率计依次连接，如图6所示；

步骤2：信号源从-30dBm的小功率开始向待测放大器输入功率，并以 0.1dBm为间隔逐步加大输入功率，功率计测量每一输入功率对应的输出 功率；

步骤3：根据测量的输入功率和输出功率，确定放大器的增益、线性 区和非线性区，在非线性区中选择N₁dB压缩点与N₂dB压缩点，进而确 定N₁dB压缩点输入功率和N₂dB压缩点输入功率

步骤4：由N₁dB压缩点输入功率和N₂dB压缩点输入功率 计算输入功率的差值Δ：

步骤5：将该差值Δ代入三阶交调计算公式计算出N₁dB压缩点输入功 率与三阶交调点输入功率(IIP3)的功率差值Δ_IIP3：

${\Delta }_{\mathrm{IIP}3}=10\lg \left(\frac{\frac{(1-{10}^{\frac{{-N}_1}{20}}-\frac{1-{10}^{\frac{{-N}_2}{20}}}{{10}^{\frac{\Delta }{5}}})}{3(1-\frac{1}{{10}^{\frac{\Delta }{10}}})}-\sqrt{\frac{{(1-{10}^{\frac{{-N}_1}{20}}-\frac{1-{10}^{\frac{{-N}_2}{20}}}{{10}^{\frac{\Delta }{5}}})}^2}{9{(1-\frac{1}{{10}^{\frac{\Delta }{10}}})}^2}-\frac{2}{{10}^{\frac{\Delta }{10}}-1}(1-{10}^{\frac{{-N}_1}{20}}-\frac{1-{10}^{\frac{{-N}_2}{20}}}{{10}^{\frac{\Delta }{10}}})}}{\frac{1}{{10}^{\frac{\Delta }{10}}-1}(1-{10}^{\frac{{-N}_1}{20}}-\frac{1-{10}^{\frac{{-N}_2}{20}}}{{10}^{\frac{\Delta }{10}}})}\right)$

其中，为此时的功率增益小于放大器增益N1dB 时的输入功率，为此时的功率增益小于放大器增益N2dB时的输入功 率。

步骤6：对该功率差值Δ_IIP3进行修正，即再加入修正值可进一步计算 得出更精确的三阶交调点输入功率(IIP3)：其中 Δ_revise为修正值。

本发明提供的基于N₁dB压缩点和N₂dB压缩点的三阶交调测试方法， 只需要使用一个信号源与一个功率计，从而大幅度降低测试系统的成本， 并且结构简单。在经过算法的计算后，加上校正值修正从而能保证很高的 精度。随着微电子技术的发展，测试仪器越来越贵，从而导致测试费用将 会越来越高。而本发明提供的基于N₁dB压缩点和N₂dB压缩点的三阶交 调测试方法，对测试费用的要求很低，从而使得本发明将会有更大的潜力。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。