混頻器變頻損耗的兩種測試方法

摘要：在各種可靠性試驗后，混頻器的變頻損耗參數(shù)是衡量器件性能的一個重要指標，在基于頻譜儀法和矢量網(wǎng)絡分析儀法兩種測試變頻損耗方法的基礎上，分析了變頻損耗三種誤差的主要來源，通過兩種測試方法的實測數(shù)據(jù)分析了這三種誤差對兩種測試方法的影響和相應的誤差消除技術，得出了結論：頻譜儀法儀器成本低，操作簡單，誤差來源多且測試不穩(wěn)定，矢量網(wǎng)絡分析儀法測試穩(wěn)定，可靠性高，在整個測試頻段內(nèi)測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定精確。

１引言

微波混頻器主要應用于通信、雷達、電子偵察等電子裝備和微波毫米波測試儀器，實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換功能，是微波毫米波系統(tǒng)的重要組成部件，其性能的好壞直接影響設備和儀器的參數(shù)指標。變頻損耗定義為在給定的本振（ＬＯ）功率下輸入頻率的功率與輸出頻率的功率之比，是混頻器如何有效地將輸入頻率能量變換成輸出頻率能量的測度［１］。微波混頻器作為微波接收機的前置級或者作為低噪聲放大器的后續(xù)級，它的性能如噪聲特性、變頻損耗對整個微波系統(tǒng)有十分重要的影響。

傳統(tǒng)混頻器變頻損耗的測量是采用頻譜儀和雙信號源同步解決混頻器輸入輸出不同頻的測試難點［２］，但是由于其測量受到本振功率、射頻輸入功率及各端口間匹配影響，頻譜儀法測試儀器操作繁瑣，測量速度慢，測量穩(wěn)定性不高，只能看到信號的幅度信息，無法直接獲得相應的相位信息［３］。本文主要研究了基于頻譜儀和矢量網(wǎng)絡分析儀測量混頻器變頻損耗的原理、校準上的不同點，探究了影響變頻損耗測量的三種主要因素，通過對兩種方法的測試數(shù)據(jù)進行數(shù)學分析，得出了相應的結論。

２變頻損耗兩種測試方法

傳統(tǒng)的測試方法是利用兩臺信號源和一臺頻譜儀組合對混頻器的變頻損耗進行測量［４］，兩臺信號源分別接入混頻器的射頻輸入端和本振端，頻譜儀接入中頻輸出端，為確保中頻輸出端的頻率是射頻端與本振端的頻率差，需確保兩臺信號源同時刻達到對應的頻率點，以保證中頻輸出端的準確性［５］。如圖１所示為頻譜儀測試原理圖。

圖１傳統(tǒng)測試方法原理圖

頻譜儀法測試儀器多、操作步驟繁瑣，儀器與傳輸線、傳輸線與混頻器之間的匹配，雙信號源信號一致性等因素導致了頻譜儀法測試中存在較大的失配誤差、人為操作誤差及儀器誤差等，這些因素在混頻器頻率不斷提高下變得越來越影響變頻損耗測量的精確性，同時頻譜儀法無法完全通過校準消除相應的誤差因素［６］。

傳統(tǒng)的標量網(wǎng)絡分析儀均只能在輸入輸出同頻的情況下測量線性器件的散射參數(shù)指標，為了使變頻損耗的測量更高效且測量不確定度更小，安捷倫及羅德施瓦茨等公司開發(fā)了相應的矢量網(wǎng)絡分析儀頻偏模塊，可以通過功率計校準矢網(wǎng)源端信號及接收機端口的精確性和穩(wěn)定性、端口間的失配誤差通過隔離衰減器以減小失配［７］。

矢量網(wǎng)絡分析儀法的測量原理圖如圖２所示，矢量網(wǎng)絡分析儀的源Ａ作為混頻器射頻端的輸入信號，混頻器的中頻端作為輸出信號，由矢量網(wǎng)絡分析儀Ｂ接收機接收。由于混頻器的輸入輸出頻率不同，所以要把矢量網(wǎng)絡分析儀調(diào)諧到不同的工作頻率，即射頻和中頻的差值也就是固定本振的頻率［８］。

矢量網(wǎng)絡分析儀的測量設置為Ｂ接收機模式測量，就能得到Ｂ接收機中頻信號功率隨頻率的變化曲線，讀出所需測試頻點的數(shù)據(jù)減去輸入信號的功率后取絕對值即是變頻損耗值［９］。

圖２矢量網(wǎng)絡分析儀法原理圖

３數(shù)據(jù)分析

針對頻譜儀法和矢量網(wǎng)絡分析儀法的比較，主要對在相同頻率范圍內(nèi)多組測量值之間進行誤差分析及分析兩者測量過程中存在的誤差因素來比較兩種測量方法。在實驗室環(huán)境下，分別用頻譜儀和矢量網(wǎng)絡分析儀對選定的混頻器進行４只樣品為一組的６次測量。圖４和圖５所示為頻譜儀法和矢量網(wǎng)絡分析儀法一次測量值所繪曲線。

圖３頻譜儀法變頻損耗測量值

圖４矢量網(wǎng)絡分析儀法變頻損耗測量值

如圖能看出變頻損耗在Ｆ＝３００ＭＨｚ之前，頻譜儀法與矢網(wǎng)分析儀法都近似線性增加，兩者所測值差值不大。在３００ＭＨｚ后，頻譜儀法所測值類似拋物線的形式增加且與矢量網(wǎng)絡分析儀所測值相比差值越來越大。矢量網(wǎng)絡分析儀法所測值在整個測試頻率范圍內(nèi)變頻損耗近似線性隨著頻率的增加，在曲線比較平緩，測量的波動性比頻譜儀法小，測量穩(wěn)定性好。

針對頻譜儀法和矢量網(wǎng)絡分析儀法所測值進行平均值、算術平均值及相對平均偏差三種數(shù)學分析法分析。如表１所示。

變頻損耗是對混頻器頻率變換后產(chǎn)生的損耗的量度，其定義為射頻信號的輸入功率Ｐrf與中頻信號的輸出功率大小Ｐif的比值。其分貝表示式如（１）所示，由該式可知，變頻損耗可理解為由非線性電導凈變頻損耗Ｌα、二極管結損耗與和電路失配損耗三部分組成［１０］。

非線性電導凈變頻損耗Ｌα一般來說，這部分的損耗與管子非線性特性、各階次混頻產(chǎn)物分量∣ｍｆＲＦ±ｎｆＬＯ∣的負載情況和二極管上的本振功率大小等有關系。電路設計時，各端口應盡可能地對空閑頻率分量短路，回收額外的頻率，減少這部分能量的損失。增大本振輸入功率同樣可以降低這部分損耗。然而，本振功率增大時，噪聲系數(shù)將會變差。

二極管結損耗Ｌβ有來自Ｒｊ的射頻功率才可以參與混頻，而ＲＳ的分壓作用和Ｃｊ的分流作用必將帶來損耗，ＲＳ近似線性，其大小可以看作不隨本振功率大小而變化，而Ｒｊ和Ｃｊ則呈非線性特性，其值的大小隨本振功率大小而變化。其值的大小可用式（２）表示為：

當ＰＬＯ增加時，Ｒｊ將減小，Ｃｊ的分流作用減小，但ＲＳ的分壓將變大；當ＰＬＯ減小時，Ｒｊ將增大，ＲＳ的分壓作用減小，但Ｃｊ的分流將變大。由此可知存在一個最優(yōu)的本振功率值，使得結損耗最小，由上面的分析可知，變頻損耗并不是隨本振功率增加而單調(diào)減小的，而是存在一個最佳的本振功率值或功率范圍，使得變頻損耗最小。

失配損耗Ｌｙ是由于電路的輸入和輸出端口匹配不理想使得能量產(chǎn)生反射引起的損耗，因此匹配程度決定了其值的大小［１１］。設射頻輸入和中頻輸出反射系數(shù)分別為Γ１和Γ２，他們對應的駐波系數(shù)分別為ρ１和ρ２。則失配損耗的分貝值可用式（３）表示為：

由以上變頻損耗誤差來源可知，在低頻階段頻譜儀法輸入本振功率在傳輸線上衰減不大，非線性電導凈變頻損耗Ｌα、二極管結損耗Ｌβ兩者能在最佳本振功率工作范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)接頭之間失配損耗Ｌｙ也影響較小，頻譜儀和矢網(wǎng)兩者相差不大；到了中高頻階段，在傳輸線衰減作用下，本振功率偏移最佳工作點，導致混頻器的非線性電導凈變頻損耗Ｌａ、二極管結損耗Ｌβ增大，在低頻階段可忽略轉(zhuǎn)接頭間的失配損耗Ｌｙ也影響著變頻損耗精確測量；矢網(wǎng)分析儀法利用功率計校準矢網(wǎng)源功率及接收機，減小了矢網(wǎng)輸入輸出端口的不確定度，信號端口接入衰減器消除了匹配誤差。從而減少對測量的影響同時矢網(wǎng)還可在輸入端口接入一定衰減量的衰減器提高變頻損耗的測量精度。

兩種方法在實際運用中各有各的優(yōu)缺點，要選擇合適的測試方法最優(yōu)化完成測試任務。頻譜儀法測量優(yōu)點為測量儀器常見、成本低，測試過程較簡單；缺點為測量精度較差、雙信號源同步性、儀器操作切換繁瑣、多次測量間的人為誤差大、端口間及轉(zhuǎn)接頭匹配性難以保證。矢量網(wǎng)絡分析儀優(yōu)點為測量精度高、所需儀器少、測試速度快、誤差少；缺點為儀器昂貴，需專業(yè)的操作人員、校準技術繁瑣。

４結論

針對混頻器變頻損耗的兩種常用測量方法研究比較，探究了兩者存在的誤差來源、誤差分析以及誤差消除，通過測量驗證頻譜儀和矢網(wǎng)測量方法的優(yōu)缺點，頻譜儀法適用于元器件廠商產(chǎn)品合格性判斷，操作簡單、測試成本低；矢量網(wǎng)絡分析儀法適用于需高精度測量變頻損耗的高等學校、科研院所，為設計優(yōu)化提供參考。

原文標題：頻譜儀和矢網(wǎng)的混頻器變頻損耗測量技術

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