放大器IP3和OP3參數測量方法研究

冉紅雷，張魁，尹麗晶，黃杰

（1. 中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊 050051； 2. 國家半導體器件質量監督檢驗中心，石家莊 050051）

引言

當兩個功率電平相同且頻率接近的信號經過放大器時，由于放大器的非線性，會輸出包括多種頻率的分量，其中以三階交調分量的功率電平最大。如圖1所示，假設兩基頻信號的頻率分別是F1和F2，那么三階交調分量的頻率為2F1-F2和2F2-F1，由于這兩個頻率與基頻輸出信號F1和F2很接近，使用中很難濾除，因此決定了器件的非線性和失真[1]。

圖1 等輸入信號三階交調示意圖

當前測試IP3和OP3參數最常用的方法有兩種，公式法和圖像法。根據GJB 2650標準，IP3和OP3參數計算的公式為：

式中：

E—頻譜分析儀讀出的基頻載波信號功率電平；

D—頻譜分析儀讀出三階交調信號功率電平；

Pin—輸入信號功率電平。

該方法簡單易行，但是IP3和OP3參數的測試結果與輸入功率直接相關，輸入功率的精確測量與選擇決定了測試結果。

圖2是采用圖象法測量IP3和OP3參數的示意圖。IP3與OP3是基頻信號在理想線性系統中的輸出信號與三階交調分量幅值相等時交點的坐標，是一個固定的虛交點。

理論上基頻信號曲線的斜率為1，而三階交調分量的功率曲線斜率為3。因此可以采用數據擬合的方法得到IP3和OP3參數。實際操作過程中，即使在放大器的線性工作區，放大器的增益亦會隨輸入功率的改變而波動。如果直接求解兩條直線的交叉點，測試數據量較大，測試過程繁瑣，因此實踐中很少采用該方法。

1 單片放大器ERA-3的IP3和OP3參數測試方法研究

本文以MINI Circuits公司的ERA-3型單片放大器為研究對象，選取f=1.999 GHz和f=2.0 GHz的兩個頻率信號，根據產品資料，當f=2 GHz時，其OP3參數設計值≥23 dBm。

1.1 采用公式法求解OP3參數

根據GJB 2650-2007《微波元器件性能測試方法》，測試框圖如圖3所示，實驗測試數據如表1所示，其中輸入信號F1的頻率為1.999 GHz，F2的頻率為2.0 GHz。

其中表1的Pin功率電平是通過將圖3測試框架中的待測器件放大器ERA-3去掉，將合路器直接與頻譜分析儀相連接直接由頻譜分析儀讀出。由表1實驗數據可知OP3參數和IP3參數的測試結果與信號輸入功率電平密切相關[2]。分析原因可知，公式（1）和公式（2）是根據相似三角形計算得出，因此該公式成立的前提是輸入功率電平應確保待測器件放大器ERA-3工作在線性區。通常使用標準GJB 2650-2007方法測試IP3參數和OP3參數時，輸入信號功率電平一般比待測器件的1 dB功率壓縮點輸入電平低15 dB左右。

此外，由公式（1）和公式（2）可知，待測器件的OP3參數僅與待測器件的輸出參數有關，變量E和變量D均可以由頻譜分析儀直接獲得；而IP3參數因為計算公式包含Pin參數，因而IP3參數準確測量的前提是準確獲得Pin參數。綜上可知，OP3參數測量結果的影響因素較少，因此可以通過公式法先精確測量OP3參數，具體如下。

圖2 三階交調參數圖示

圖3 測試ERA-3型放大器IP3和OP3參數的示意圖

表1 實驗測試數據（單位：dBm）

為了提高測試精度，可以采取下列措施：

1）隔離兩個信號源，減小他們的相互作用，在每個信號源與功率合成器之間加一個鐵氧體磁性材料隔離器[3]；

2）增強測試系統的匹配性，在功率合成器與DUT之間、頻譜儀與DUT之間分別加一個2 dB的固定衰減器[4]，系統統一采用50 Ω匹配。

此時的測試系統如圖4所示。

由公式（1）和公式（2）可知，OP3參數計算結果只與各輸出信號功率有關，而IP3參數與輸入功率有關，因此使用該方法只能得到OP3參數。

采用圖4改進系統測試結果見表2。

由表2可知，上述方法明顯的提高了OP3測試結果的穩定性和準確度，降低了輸入功率對測試結果的影響。對上述測試結果取均值，得到OP3′參數。

得到OP3′為22.38 dBm，由于上述系統有2 dB衰減器，所以OP3參數測試結果為24.38 dBm。

1.2 求解單片放大器ERA-3基頻信號輸入輸出的關系

圖4 改進的測試系統圖

表2 根據圖4改進系統的實驗測試結果（單位：dBm）

為了研究ERA-3的基頻信號輸入功率與輸出功率的關系，這里使用Keysight公司的N5242A矢量網絡分析儀測量單片放大器ERA-3在頻率f=2 GHz時增益與輸入功率的關系，并使用Keysight公司的信號源E8257D與功率計U2002測試單片放大器ERA-3輸出功率與輸入功率的關系，實驗數據如表3所示。

根據表3的實驗數據繪制單片放大器ERA-3輸出功率和增益隨輸入功率變化的曲線圖，如圖5所示。

由圖5可以得出，當輸入功率Pin≤-10 dBm時，ERA-3單片放大器處于線性區。使用最小二乘法對ERA-3放大器線性區輸入功率和輸出功率進行擬合，其中擬合直線的斜率為Slope，截距為Intercept。使用EXCEL最小二乘擬合公式，Slope=SLOPE（Pout，Pin），Intercept=INTERCEPT（Pout，Pin）。最終得到結果如下：

表3 ERA-3的實驗測試數據

圖5 ERA-3單片放大器基頻信號輸出功率與增益和輸入功率的關系

1.3 計算IP3

由圖2可知，IP3參數與OP3參數是基頻信號在理想線性系統中的輸出信號與三階交調分量幅值相等時交點的坐標，因此將OP3=24.38 dBm帶入公式（4），可以得出IP3=7.26 dBm。

1.4 測試結果分析

根據研究結果可知，通過圖4所示的改進方案，放大器的OP3參數測試結果的穩定性和準確性得到很大改善。并且由于隔離器和衰減器均為無源器件，其自身的三階交調參數遠低于有源放大器的相關參數，因此對測試結果影響較小，但顯著的改善了系統的性能。因此本文提供的組合方案有效的降低了輸入功率的選擇不當對IP3和OP3參數測試結果的影響，能得到較高精度的測試結果。

2 結論

本文提出了GJB 2650-2007方法中IP3參數和OP3參數測試框圖改進方案，實踐證明改進方案的參數測試結果具有準確性和更高的穩定性，避免了因為輸入功率電平選擇不當造成的測試誤差。其次，本文通過分析OP3參數和IP3參數的特點，先通過公式法使用改進后的測試方案測量OP3參數，然后通過圖像處理和數據擬合獲得待測器件基頻信號特性曲線進而計算IP3參數。通過放大器ERA-3實例可知，本文提出的方法能準確測量OP3參數和IP3參數，并且操作簡單易行。

隨著無線通信的快速發展，通信產品需達到的指標要求越來越高，精確測量產品性能愈為重要。線性度是影響系統性能提高的重要因素，做好IP3參數和OP3參數的準確測試工作是研究改進系統線性度的一個重要前提。本文提供的IP3和OP3參數測試方案能對放大器及其他類似產品的IP3和OP3參數的測試工作提供指導幫助。