全面测试混频器和变频器
应用指南
全面测试混频器和变频器 - PNA-X 应用指南 1408-23
引言
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雷达和电子战系统的发射和接收部分。本应用指南介绍了如何使用 Keysight PNA-X 系列等现代化矢量网络分析仪（VNA）对混频器和变频器进行全面测试。
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（图 1），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。
变频器是一种更复杂的组合体，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。在本应用指南中，我们将详细介绍这些测量以及其他测量。
测试方法
很多用户仍然使用传统系统来测试变频器，这些系统中包含大量射频测试设备。与本应用指南中介绍的现代方法相比，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。此前，用户在测试变频器时，通常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。这种方法理论上较为简单，但在实践中有许多缺点：
- 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。
- 通常，只有在执行变频增益等传输幅度测量时，才需要使用 VNA 表征端口匹配、相对于线性相位的偏差以及群时延。
- 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。
PNA-X 等现代化 VNA 由于具有灵活的硬件和许多测量应用软件，所以非常适合用于测试变频器。使用这种软硬件组合，用户只需在测试仪器与被测器件（DUT）之间建立一组连接，便可执行许多不同的测试，例如幅度和相位的正向和反向线性表征，以及压缩、失真的非线性测试和噪声系数测量。由于仪器内集成了大多数需要的硬件（图 2）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。另外，我们还精心设计了简单、直观的用户界面和校准向导，使复杂的仪器使用起来更简单。
变频器测试的挑战
在表征变频器的传输参数时，标准的 S 参数法并不适用。S 参数的定义是入射信号（an）与测试信号（bn）的复数比（幅度/相位）。当激励频率和响应频率相同时（主要发生在非变频器件中），用户可以将这个复数比当成接收机比值直接测量，如 b2/a1（它是 S21 的核心测量）或是 b1/a1（它是 S11 的核心测量）。所有接收机的数据采集是同步进行的，因此在每个测量方向上（正向和反向）进行一次扫描，就足以收集到必要的数据，进行双端口器件误差校正 S 参数测量。
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