谐波测试的两种主要方式
有源RF和FEM的第二个关键特性是谐波特性。谐波行为是由非线性器件引起的，这将导致输出功率的频率比发射频率高几倍。由于许多无线标准对带外辐射有严格的规定，工程师将通过测量谐波来评估RF或FEM是否违反这些辐射要求。
测量谐波功率的具体方法通常取决于射频的预期用途。对于一般射频器件，谐波测量需要用连续波信号激励DUT，测量产生不同频率谐波的功率。相反，在测试无线手机或基站的射频时，谐波测量一般需要对激励信号进行调制。此外，测量谐波功率通常需要特别注意信号的带宽特性。
利用连续波激励测量谐波
使用连续波激励来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，需要一个信号发生器来产生具有所需输出功率和频率的连续波。在信号发生器产生激励信号后，信号分析器以数倍于输入频率的频率测量输出功率。常见的谐波测量有三次谐波和五次谐波，分别在3倍和5倍激励频率下测量。
射频信号分析仪提供多种测量方法来测量输出功率的谐波。一种简单的方法是将分析仪调谐到预期的谐波频率，并进行峰值搜索以找到谐波。例如，如果要在产生1GHz信号时测量PA的三次谐波，则三次谐波的频率为3GHz。
测量谐波功率的另一种方法是使用信号分析仪的零跨度模式在时域中测量。以零扩频模式配置的信号分析仪可以有效地执行一系列功率带内测量，并将结果显示为时间的函数。在这种模式下，可以在时域中测量选通窗口中不同频率的功率，并且可以使用信号分析器中内置的平均函数进行计算。
调制激发的谐波
实际上很多pa都是用来放大调制信号的，这些pa的谐波性能需要调制激励。类似于连续波的使用，一个已知功率的激励信号通常以接近设备饱和点的功率电平发送到PA的输入端。在测量谐波输出功率时，工程师通常根据测量时间和所需精度等不同的约束条件采用图解法。
实际上，3GPP LTE、IEEE 802.11ac等无线标准并没有规定谐波的要求，而是规定了一定频率范围内最大杂散辐射的要求。例如，3GPP LTE规定，LTE发射机在超过1GHz的频率下，在1MHz的带宽内不能发射超过-30dBm的信号。在这种情况下，要验证PA是否会导致发射机超过这一限值，需要工程师在1 MHz带宽内测量不同谐波频率下的辐射。
事实上，工程师采用了一系列方法来确保PA不会违反杂散辐射要求。在R&D或特性分析实验室，工程师通常使用频谱信号分析仪或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。
在测量调制信号的谐波时，需要密切注意测量带宽，因为谐波所需的测量带宽随不同阶次的谐波而变化。例如，在测量带宽为N MHz的情况下测试PA的输出谐波时，三次谐波的测量带宽必须为3 * N MHz，五次谐波的测量带宽必须为5 * N MHz。例如，图16显示谐波带宽随着谐波阶数的增加而增加。
谐波带宽
图16。带宽随着谐波阶数的增加而增加。
由于现代通信信号谐波需要很宽的带宽，工程师可以根据信号分析仪的瞬时带宽在时域或频域测量谐波。利用信号分析仪的零扩频模式测量时域谐波是首选，但实际情况可能不可行。例如，需要480MHz的瞬时带宽来精确测量160MHz 802.11ac信号的三次谐波。在这种情况下，需要产生一个非突发的激励信号，或者仔细配置信号分析仪的功率触发器，以确保每个采集到的信号都相当于一个突发信号。
应当注意，GSM、UMTS和LTE等蜂窝标准的规范规定了发射信号的最大杂散辐射(而不是谐波功率本身)。所以除了使用实际谐波，很多工程师还会根据杂散辐射限制来分析无线PA的特性。
互调失真理论的科普
PA线性度的另一个重要指标是互调失真(IMD)。虽然IMD是测量所有PA线性度的重要工具，但该指标最常用于不需要邻道功率测量的一般功率放大器。
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信号频率的每个倍数处产生谐波行为，但多音信号产生的非线性产物需要出现在更宽的频率范围内。
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的各个倍数处。在f2-f1、2f1、f1 f2和2f2产生的失真产物包括每个输入音调的二次谐波以及两个输入音频频率的加法和减法频率的失真产物。
图17。IMD理论
三阶失真描述了一阶音调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，我们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上。以实际应用为例，当PA发送调制信号时，三阶失真表现为目标频段附近的带内失真。
IMD测量描述了音调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调的绝对功率水平。
在许多器件的线性工作区，一阶声音与三阶失真产物的比值往往很高。然而，随着桨距输入功率的增加，三阶失真产物也增加。事实上，音调功率每增加1dB，互调失真产物就会增加3dB。
理论上，由于三阶失真积功率比基音功率增长更快，因此两种信号的功率水平最终相等，如图18所示。理论上，三阶失真积的基音和功率相等的点就是截止点，也称为三阶截止点(TOI或IP3)。
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，信号分析仪的频率可以设置为以两个音高为中心，以确保可以看到高于本地噪声的三阶失真产物。在NI-RFSA SFP上选择检测音，以生成测量结果。NI-RFSA SFP将自动识别音高的功率差和三阶失真产物的功率差，并显示正确的测量结果。有关PXI射频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18。基音信号功率每增加1dB，三阶失真积的功率就会增加3dB。
事实上，IP3/TOI是计算出来的，而不是测量出来的。一阶乘积和三阶乘积之间的功率增加比为3:1，IP3可通过等式24计算。
方程式24。将IMD转换为IP3
TOI是衡量PA性能的重要指标，因为IMD比取决于功率水平。TOI的测量将IMD性能的元素与绝对功率水平相结合，并用数字来表示性能。
IMD测量配置
根据IMD测量理论，pe需要双音激励信号
图19。IMD测量需要两个信号发生器连接到功率合成器。
由于IMD是一种常用的测量方法，许多射频信号分析仪都内置了测量IMD或IMD/TOI的功能。事实上，镍RFSA SFP可以自动检测音高和三阶失真产品，并计算IMD比。
测试高性能PA时，必须确保产生最干净的双音信号。在某些情况下，仅使用合成器无法在两个信号发生器之间提供足够的隔离，也无法产生干净的双音信号。在这些情况下，来自一个源的能量会泄漏到另一个源，导致来自DUT的测量仪器产生微弱的互调产物。
改善隔离的一种方法是选择具有高端口间隔离的合路器。一般来说，纯电阻组合器的隔离只有6dB至12dB，具体取决于电阻拓扑结构。一个值得借鉴的经验是，测量大于25dBm的IP3值需要40dB左右的隔离。在合路器隔离不足的情况下，可以使用衰减器、隔离器甚至放大器来改善合路器端口之间的隔离。
假设源功率足够高，改善隔离的一种方法是在每个源和功率合成器之间连接一个衰减器，如图20所示。衰减器为反向传递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提高隔离，则隔离可高达50dB。然而，耦合器通常仅限于单倍频程，因此不适合宽带应用。
使用衰减器改善源隔离
图20。衰减器通过隔离每个信号发生器来改善激励信号的质量。
当需要大功率激励信号时，具有足够反向隔离功能的放大器是最佳选择。除了提供端口之间的隔离，放大器还可以为激励信号提供增益，从而产生高功率双音激励信号。
标签：信号功率谐波