谐波如何测试？谐波测试两种主要方式分析

谐波测试两种主要方式

有源RF和FEM的第二个关键属性是谐波行为。谐波行为由非线性器件引起，会导致在比发射频率高数倍的频率下产生输出功率。由于许多无线标准对带外辐射进行了严格的规定，所以工程师会通过测量谐波来评估RF或FEM是否违反了这些辐射要求。

测量谐波功率的具体方法通常取决于RF的预期用途。对于通用RF等器件备来说，谐波测量需要使用连续波信号来激励DUT，并测量所生成的不同频率的谐波的功率。相反，在测试无线手机或基站RF时，谐波测量一般需要调制激励信号。另外，测量谐波功率通常需要特别注意信号的带宽特性。

使用连续波激励测量谐波

使用连续波激励测量谐波需要使用信号发生器和信号分析仪。对于激励信号，需要使用信号发生器生成具有所需输出功率和频率的连续波。信号发生器生成激励信号后，信号分析仪在数倍于输入频率的频率下测量输出功率。常见的谐波测量有三次谐波和五次谐波，分别在3倍和5倍的激励频率下进行测量。

RF信号分析仪提供了多种测量方法来测量谐波的输出功率。一个直截了当的方法是将分析仪调至谐波的预期频率，并进行峰值搜索以找到谐波。例如，如果要测量生成1GHz信号时的PA三次谐波，则三次谐波的频率就是3GHz。

测量谐波功率的另一种方法是使用信号分析仪的零展频（zero span）模式在时域中进行测量。配置为零展频模式的信号分析仪可以有效地进行一系列功率带内测量，并将结果以时间的函数形式表现出来。在此模式下，可以在时域上测量选通窗口中不同频率的功率，并使用信号分析仪内置的取平均功能进行计算。

使用调制激励的谐波

实际上，许多PA被用来放大调制信号，而且这些PA的谐波性能需要调制激励。与使用连续波类似，通常在接近设备饱和点的功率电平下，将已知功率激励信号发送到PA的输入端。
测量谐波输出功率时，工程师通常会根据测量时间和所需的准确度等不同限制条件而采用图通方法。

实际上，3GPP LTE和IEEE 802.11ac等无线标准并没有对谐波的要求进行具体的规定，而是规定了在一定频率范围内最大杂散辐射要求。例如，3GPP LTE规定LTE发射器在超过1GHz的频率下，在1MHz的带宽内不能发射超过-30dBm的功率。在这种情况下，验证PA是否会导致发射器超出此限制需要工程师在1 MHz带宽下测量不同谐波频率下的辐射。

实际上，工程师们采用了一系列方法来确保PA不会违反杂散辐射要求。在研发或特性分析实验室中，工程师通常会使用频谱信号分析仪或是矢量信号分析仪直接测量杂散辐射。然而，在制造环境中，由于测试时间至关重要，工程师通常直接测量谐波功率并使用统计相关性来预测PA是否违反杂散辐射要求。

测量调制信号的谐波需要仔细注意测量带宽，因为谐波所需的测量带宽因不同阶次的谐波而异。举例来说，当测试需要N MHz测量带宽的PA的输出谐波时，三次谐波的测量带宽必须为3 * N MHz，而五次谐波的测量带宽必须为5 * N MHz。例如，图16展示了谐波的带宽随着谐波阶次的增加而增加。

谐波的带宽

图16.带宽随谐波阶次的增加而增加

由于现代通信信号谐波要求较宽的带宽，所以工程师可以根据信号分析仪的瞬时带宽来在时域或频域上测量谐波。使用信号分析仪的零展频模式进行时域谐波测量是第一选择，但实际情况未必切实可行。例如，精确测量160MHz 802.11ac信号的三次谐波需要480MHz的瞬时带宽。在这种情况下，需要生成非突发激励信号或者需要小心地配置信号分析仪的功率触发，以确保每次采集的信号等效于突发信号。

需要注意的是，GSM、UMTS和LTE等蜂窝标准的规范对发射信号的最大杂散辐射（而不是谐波功率本身）进行了具体规定。因此，除了使用实际谐波之外，许多工程师还会根据杂散辐射限制来分析无线PA的特征。

互调失真理论知识科普

PA线性度的另一个重要指标是互调失真（IMD）。虽然IMD是衡量所有PA 线性度的重要工具，但是该指标最常用于不需要相邻信道功率测量的通用功率放大器。

互调失真理论

为了理解IMD，我们需要回顾一下非线性系统的多音信号理论。虽然单音激励信号会在该信号频率的每个倍数处产生谐波行为，但是多音信号产生的非线性产物需要在更宽的频率范围才会出现。

如图17所示，PA输出端的二阶失真产物出现在输入信号频率每个倍数的频率处。f2 - f1, 2f1, f1 + f2,和2f2处产生的失真产物包含每个输入音的二次谐波以及两个输入音频率相加和相减频率处的失真产物。

图17. IMD理论

三阶失真描述的是一阶基音信号和每个二阶失真产物之间的相互作用。 事实上，通过数学计算，可以看到两个特定的三阶失真出现在接近基音频率的频率下。以一个实际应用为例，当PA发送调制信号时，三阶失真作为带内失真出现在邻近感兴趣频带的地方。

IMD测量描述的是基音和相邻三阶失真之间的功率差的比率，用dB表示。IMD测量的一个重要特征是一阶和三阶失真之间的功率比完全取决于每个音的绝对功率电平。

在许多器件的线性工作区域中，一阶音和三阶失真产物的比率常常很高。 然而，随着基音输入功率的增加，三阶失真产物也随之增加。实际上，基音的功率每增加1dB，互调失真产物会增加3dB。

理论上，由于三阶失真产物功率的增加速度会比基音功率增加的速度更快，所以两种类型的信号在功率电平上最终相等，如图18所示。从理论上来讲，基音和三阶失真产物功率相等的点为截断点，这个点也称为三阶截点（TOI或IP3）。

使用PXI信号分析仪测量IMD和TOI

互调失真（IMD）和三阶截点（TOI）是NI-RFSA软件前面板（SFP）的内置测量功能。进行这些测量时，可以将信号分析仪的频率设置为以两个基音为中心频率，以确保可以看见高于本地噪声的三阶失真产物。在NI-RFSA SFP上选择检测音，生成测量结果。NI-RFSA SFP会自动识别基音的功率差以及三阶失真产物的功率差，并显示正确的测量结果。有关PXI RF信号分析仪的更多信息，请访问以下链接：

输出功率与IMD的关系图

图18. 基音信号功率每增加1dB，三阶失真产物功率增加3dB

实际上，IP3/TOI是计算所得而非测量所得的结果。一阶产物和三阶产物之间的功率增加比是3:1，利用等式24可以计算出IP3。

等式24. 将IMD转换为IP3

TOI是衡量PA性能的重要指标，因为IMD比率取决于功率电平。TOI的测量将IMD性能的要素与绝对功率电平相结合，并通过一个数字来表示性能。

IMD测量配置

根据IMD测量理论，执行该测量需要双音激励信号激励信号。在大多数应用中，配置双音激励信号的首选方法是将RF信号发生器连接至RF功率组合器，如图19所示。

IMD测量配置

图19. IMD测量需要连接至功率组合器的两个信号产生器

由于IMD是一种常见的测量方式，许多RF信号分析仪具有内置测量功能来测量IMD或IMD/TOI。事实上，NI-RFSA SFP可以自动检测基音和三阶失真产物，并计算出IMD比。

测试高性能PA时，必须确保生成最干净的双音信号。在某些情况下，仅仅使用组合器并不能在两个信号发生器之间提供足够的隔离，也就无法产生足够干净的双音信号。在这些情况下，来自某一个源的能量会泄漏到另一个源中，导致DUT出来来自测量仪器的弱互调产物。

改进隔离的一种方法是选择具有高端口间隔离的组合器。通常，纯电阻组合器的隔离度仅为6dB至12dB，具体取决于电阻器拓扑结构。一个值得借鉴的经验是测量大于+ 25dBm的IP3值需要大约40dB的隔离度。在组合器隔离不足的情况下，可以使用衰减器、隔离器甚至是放大器来改善组合器的端口间隔离。

假设源功率足够高，提高隔离的一个方法是在每个源和功率组合器之间连接一个衰减器，如图20所示。衰减器为在相反方向上为通过的信号提供额外的隔离。如果两个端口都使用定向耦合器或隔离器来增加隔离度，则隔离度可高达50dB。然而，耦合器通常限于单倍频程使用，因此不适用于宽频应用。

利用衰减器提高源隔离

图20.衰减器可以通过隔离每个信号发生器提高激励信号的质量

当需要高功率激励信号时，具有足够反向隔离功能的放大器是最佳选择。除了在端口之间提供隔离之外，放大器还可以为激励信号提供增益，从而生成高功率双音激励信号。