是德科技浅谈变频器测试的基础原理和最新方法

变频器可将输入频率从一个频段转换到另一个更高（上变频）或更低（下变频）的频段。这种关键功能使它们在大多数射频应用中都不可或缺，包括无线通信系统以及卫星系统的发射和接收部分。

今天小K就来跟大家谈谈变频器测试的基础原理和最新方法。并且带来全新的《变频测试应用手册》囊括变频测试所有常用场景并提供配置指南。

混频器和变频器的定义

混频器是实施频率转换的核心元件。它可以将输入信号与用于通断二极管或晶体管的本振（LO）信号混频或倍频，得到两者之和或差。在大多数情况下，这些产物只有一个是有用的，其他的则通过滤波消除。混频器可以是无源器件，也可以是有源器件，取决于应用情况，输入信号可进入IF（中频）端口进行上变频，或进入RF（射频）端口进行下变频。虽然变频或混频过程在本质上是非线性的，但混频器有时候也会呈现出一定的线性——例如，输入信号变化1 dB，输出信号也会变化1 dB，混频器的幅度和相位响应与频率的关系应与输入功率无关。不过，就像放大器一样，取决于输入驱动电平的高低，混频器也具有线性和非线性工作区域。

• 图1. 无源二极管混频器（左）和有源晶体管混频器（右）的示例。

变频器是一种复杂的组合体，其中包含一个或多个混频器、多个放大器和滤波器，可能还包含信号调理元器件，如衰减器、隔离器、限幅器和移相器。变频器中的每一个混频器都需要一个LO信号，出于测试需要，这个LO信号要么由VNA或外部信号发生器提供，要么由被测器件内置或嵌入的振荡器提供。与放大器一样，对混频器和变频器执行的许多测量通常都是射频测试，例如增益、增益平坦度、群时延、增益和相位压缩、互调失真（IMD）和噪声系数。

传统变频测试的方法与局限

当前，很多用户仍然使用传统方法来测试变频器，测试系统中包含大量射频测试设备。传统测试系统的速度要慢得多，准确度也较低，而且配置和维护难度更大，成本更高。例如使用单独的信号发生器来提供射频和LO信号，并使用频谱分析仪作为测量接收机。传统方法的局限性如下：

-由于测试配置包含大量的外部信号调理元器件，例如合路器、滤波器和衰减器，因此设置比较复杂。在不同的测试之间进行切换，通常需要添加或删除元器件，操作起来非常麻烦。

-误差校正仅限于幅度响应校正，因此用户通常需要使用衰减器来降低失配误差，但这会使信噪比（SNR）下降。

-自动频率扫描或功率扫描测量需要使用计算机和软件来同步各种仪器，因此扫描速度比使用VNA扫描慢很多倍。

现代化的矢量网络分析仪由于具有灵活的硬件和许多测量应用软件，提供了非常适合用于变频器测试的组合拳配置。

- 由于仪器内集成了大多数需要的硬件中，因此测量速度大大加快，与典型的传统系统相比，吞吐量提高了100倍。

- 为了获得高度准确的结果，我们针对所有测量应用开发了先进的误差校正方法。例如，我们的方法可以消除扫描增益、时延和噪声系数测量的失配误差，并使用功率计校准测试系统，从而准确设置和测量绝对功率，这对压缩和IMD测量至关重要。

- 精心设计的简单、直观的用户界面和校准向导简化了仪器的使用和配置难度。

下图中的电路显示了互调失真测试配置。

• 图2. PNA-X 包含进行变频器表征所需的主要组件，包括完整的 S 参数测试仪、多个射频源、内置信号合路器、脉冲硬件和低噪声接收机。

那面对复杂的变频测试时，最核心的挑战都有哪些呢？

在测试变频器的传输参数时，必须克服的挑战：

- 激励频率和响应频率错开

- 计算不同频率下的接收机比值

- 变频器件的传输相位测量

使用 PNA-X矢量网络分析仪，很容易克服频偏挑战，因为所有内部射频源（包括为测量接收机提供 LO 信号的射频源）都是频综源，并且可以独立设置为仪器频率范围内的任何频率。

传输幅度测量中涉及接收机比值的第二个挑战也不难克服，因为用户不必直接测量接收机比值。如果不追求特别快的测量速度，那么完全可以先进行一次扫描，测量输入功率，再进行另一次扫描，测量输出功率，最后计算单个接收机测量结果的比值。

在表征变频器的传输参数时，标准的S参数法并不适用。测试混频器和变频器的端口匹配同样非常容易，因为对于反射测量来说，入射信号和测试信号频率相同，可以使用常规S参数。不过，对于变频传输测量来说，输入频率和输出频率不同，因此不能直接使用接收机比值。

对变频器件进行传输相位测量特别具有挑战性

因为通常需要在相同频率的两个信号之间测量相位。对于早期的 VNA 来说，无论何时进行相位或群时延测量，都需要使用参考混频器。参考混频器要么与主信号路径串联（通常称为下/上或上/下变频法），要么与被测器件并联。每种方法都各有优缺点，但无论采用哪种方法，参考混频器都必须覆盖被测器件的频率，并且要有自己的LO信号。通常，用户还会使用一个独立的校准混频器来校准测试系统。

图3. 过去，传统的测试系统需要串联或并联参考混频器，以便测量混频器和变频器的相位和时延。

而现在，VNA可以利用现代化频综硬件进行相位相干的频率扫描，无需使用参考混频器便可完成大部分相位和群时延变频测量，这是早期的 VNA无法做到的。通过相位相干性，VNA能够重复测量单个接收机的相位响应与频率的关系，再根据在不同频率范围上测得的各接收机的相位响应计算比值，计算过程与前面讨论的幅度响应比值一样。这种功能无需使用参考混频器，显著简化了测试系统。

使用SMC、SMC+Phase的核心测量

在使用 PNA-X 对混频器和变频器进行表征时，标量混频器/变频器（SMC，S93082B）和标量混频器/变频器+相位（SMC+Phase，S93083B―S93082B的超集）属于核心测量类别。测量不需要使用参考混频器，用户只需进行频率扫描和功率扫描，便可测量输出功率、增益、增益平坦度、增益压缩、相位偏差、相位随驱动功率的变化（AM 至 PM 转换）、群时延和端口匹配。

本节将举例介绍如何使用图5中的下变频被测器件进行这些测量。

• 图4. 除非另有说明，这个下变频被测器件方框图可用于所有测量示例。

下面我们结合两个最常见的测试场景来说明

扫描中频示例

在典型的变频器中，各端口的工作频率范围有很大差异。射频端口（下变频器的输入端口或上变频器的输出端口）的频率范围通常比中频端口宽得多，中频端口的频段通常受到滤波器的限制。扫描中频测量主要显示中频带宽响应与频率的关系，一般通过单级变频器便可完成，具体做法是在 LO 信号固定在单个频率时（这种情况在工作过程中经常发生）扫描输入端口，然后测量输出端口的扫描响应。图5 显示了对示例下变频器进行扫描中频测量时，用户指定的混频计划和测试结果。测量结果包括变频器的输入和输出频率响应，另外还可以看到窄带增益和增益平坦度，以及绝对输出功率。

• 图5. 如果只想隔离输入或输出响应，用户可以按照图6配置扫描 LO 测量。

• 图6. 用于扫描频率响应测试的单级变频器混频配置。

相位和时延测量

用户要启用相位和群时延测量，用户必须选中“SMC设置”（SMC Setup）对话框“扫描”（Sweep）选项卡上的“启用相位”（Enable Phase）复选框。对于基于小数N分频信号源（合成器版本6）的仪器，信号源的起始相位是不可控的，因此用户可以选择将相位迹线在相位响应的某一点归一化为零。这样就可以避免每次扫描时随机起始相位的影响，提供稳定、归一化的相位迹线。为了实现这种归一化，用户应该选择具有良好SNR的测量点，通常在指定频段的中点。相位归一化不影响相对于线性相位的偏移测量，也不会影响群时延测量，因为在计算相位与频率响应的斜率时，根本不需要考虑绝对相位。不过，对于这些仪器而言，相位归一化意味着无法使用 SMC+Phase 来比较多个路径、多个被测器件间的相位差，或者被测器件内的相位变化。

图8显示了通过示例单级变频器对变频增益和群时延进行的固定LO测量。我们使用了迹线分析功能来显示200 MHz扫宽上的时延统计数据，扫描以通带中点为中心。

图7 通过示例单级变频器对变频增益和群时延进行的固定 LO 测量。

本文为变频测试需求的客户提供了详实的操作指南。所有涉及的测试项目如下，均可在本文中找到配置指南。

本应用指南介绍了如何结合使用PNA-X灵活的硬件和丰富的测量应用软件，只需与被测器件建立一组连接，便可进行广泛的变频器测量，以及表征线性和非线性特性。用户可使用CW、脉冲和调制载波组合，通过频率扫描和功率扫描完成这些测量。

我们为每个测量应用软件都开发了校准方法，确保高准确度测量。线性测量包括变频增益或损耗、输入和输出匹配、群时延、相对于线性相位的偏移、LO路径相位变化以及隔离度。表征非线性特性的测量包括增益和相位压缩、AM到PM转换、相位转移、IMD、噪声系数、杂散、相位噪声，以及调制载波评估（ACPR、NPR 和 EVM）。