放大器IP3和OP3参数测量方法研究

冉红雷，张魁，尹丽晶，黄杰

（1. 中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050051； 2. 国家半导体器件质量监督检验中心，石家庄 050051）

引言

当两个功率电平相同且频率接近的信号经过放大器时，由于放大器的非线性，会输出包括多种频率的分量，其中以三阶交调分量的功率电平最大。如图1所示，假设两基频信号的频率分别是F1和F2，那么三阶交调分量的频率为2F1-F2和2F2-F1，由于这两个频率与基频输出信号F1和F2很接近，使用中很难滤除，因此决定了器件的非线性和失真[1]。

图1 等输入信号三阶交调示意图

当前测试IP3和OP3参数最常用的方法有两种，公式法和图像法。根据GJB 2650标准，IP3和OP3参数计算的公式为：

式中：

E—频谱分析仪读出的基频载波信号功率电平；

D—频谱分析仪读出三阶交调信号功率电平；

Pin—输入信号功率电平。

该方法简单易行，但是IP3和OP3参数的测试结果与输入功率直接相关，输入功率的精确测量与选择决定了测试结果。

图2是采用图象法测量IP3和OP3参数的示意图。IP3与OP3是基频信号在理想线性系统中的输出信号与三阶交调分量幅值相等时交点的坐标，是一个固定的虚交点。

理论上基频信号曲线的斜率为1，而三阶交调分量的功率曲线斜率为3。因此可以采用数据拟合的方法得到IP3和OP3参数。实际操作过程中，即使在放大器的线性工作区，放大器的增益亦会随输入功率的改变而波动。如果直接求解两条直线的交叉点，测试数据量较大，测试过程繁琐，因此实践中很少采用该方法。

1 单片放大器ERA-3的IP3和OP3参数测试方法研究

本文以MINI Circuits公司的ERA-3型单片放大器为研究对象，选取f=1.999 GHz和f=2.0 GHz的两个频率信号，根据产品资料，当f=2 GHz时，其OP3参数设计值≥23 dBm。

1.1 采用公式法求解OP3参数

根据GJB 2650-2007《微波元器件性能测试方法》，测试框图如图3所示，实验测试数据如表1所示，其中输入信号F1的频率为1.999 GHz，F2的频率为2.0 GHz。

其中表1的Pin功率电平是通过将图3测试框架中的待测器件放大器ERA-3去掉，将合路器直接与频谱分析仪相连接直接由频谱分析仪读出。由表1实验数据可知OP3参数和IP3参数的测试结果与信号输入功率电平密切相关[2]。分析原因可知，公式（1）和公式（2）是根据相似三角形计算得出，因此该公式成立的前提是输入功率电平应确保待测器件放大器ERA-3工作在线性区。通常使用标准GJB 2650-2007方法测试IP3参数和OP3参数时，输入信号功率电平一般比待测器件的1 dB功率压缩点输入电平低15 dB左右。

此外，由公式（1）和公式（2）可知，待测器件的OP3参数仅与待测器件的输出参数有关，变量E和变量D均可以由频谱分析仪直接获得；而IP3参数因为计算公式包含Pin参数，因而IP3参数准确测量的前提是准确获得Pin参数。综上可知，OP3参数测量结果的影响因素较少，因此可以通过公式法先精确测量OP3参数，具体如下。

图2 三阶交调参数图示

图3 测试ERA-3型放大器IP3和OP3参数的示意图

表1 实验测试数据（单位：dBm）

为了提高测试精度，可以采取下列措施：

1）隔离两个信号源，减小他们的相互作用，在每个信号源与功率合成器之间加一个铁氧体磁性材料隔离器[3]；

2）增强测试系统的匹配性，在功率合成器与DUT之间、频谱仪与DUT之间分别加一个2 dB的固定衰减器[4]，系统统一采用50 Ω匹配。

此时的测试系统如图4所示。

由公式（1）和公式（2）可知，OP3参数计算结果只与各输出信号功率有关，而IP3参数与输入功率有关，因此使用该方法只能得到OP3参数。

采用图4改进系统测试结果见表2。

由表2可知，上述方法明显的提高了OP3测试结果的稳定性和准确度，降低了输入功率对测试结果的影响。对上述测试结果取均值，得到OP3′参数。

得到OP3′为22.38 dBm，由于上述系统有2 dB衰减器，所以OP3参数测试结果为24.38 dBm。

1.2 求解单片放大器ERA-3基频信号输入输出的关系

图4 改进的测试系统图

表2 根据图4改进系统的实验测试结果（单位：dBm）

为了研究ERA-3的基频信号输入功率与输出功率的关系，这里使用Keysight公司的N5242A矢量网络分析仪测量单片放大器ERA-3在频率f=2 GHz时增益与输入功率的关系，并使用Keysight公司的信号源E8257D与功率计U2002测试单片放大器ERA-3输出功率与输入功率的关系，实验数据如表3所示。

根据表3的实验数据绘制单片放大器ERA-3输出功率和增益随输入功率变化的曲线图，如图5所示。

由图5可以得出，当输入功率Pin≤-10 dBm时，ERA-3单片放大器处于线性区。使用最小二乘法对ERA-3放大器线性区输入功率和输出功率进行拟合，其中拟合直线的斜率为Slope，截距为Intercept。使用EXCEL最小二乘拟合公式，Slope=SLOPE（Pout，Pin），Intercept=INTERCEPT（Pout，Pin）。最终得到结果如下：

表3 ERA-3的实验测试数据

图5 ERA-3单片放大器基频信号输出功率与增益和输入功率的关系

1.3 计算IP3

由图2可知，IP3参数与OP3参数是基频信号在理想线性系统中的输出信号与三阶交调分量幅值相等时交点的坐标，因此将OP3=24.38 dBm带入公式（4），可以得出IP3=7.26 dBm。

1.4 测试结果分析

根据研究结果可知，通过图4所示的改进方案，放大器的OP3参数测试结果的稳定性和准确性得到很大改善。并且由于隔离器和衰减器均为无源器件，其自身的三阶交调参数远低于有源放大器的相关参数，因此对测试结果影响较小，但显著的改善了系统的性能。因此本文提供的组合方案有效的降低了输入功率的选择不当对IP3和OP3参数测试结果的影响，能得到较高精度的测试结果。

2 结论

本文提出了GJB 2650-2007方法中IP3参数和OP3参数测试框图改进方案，实践证明改进方案的参数测试结果具有准确性和更高的稳定性，避免了因为输入功率电平选择不当造成的测试误差。其次，本文通过分析OP3参数和IP3参数的特点，先通过公式法使用改进后的测试方案测量OP3参数，然后通过图像处理和数据拟合获得待测器件基频信号特性曲线进而计算IP3参数。通过放大器ERA-3实例可知，本文提出的方法能准确测量OP3参数和IP3参数，并且操作简单易行。

随着无线通信的快速发展，通信产品需达到的指标要求越来越高，精确测量产品性能愈为重要。线性度是影响系统性能提高的重要因素，做好IP3参数和OP3参数的准确测试工作是研究改进系统线性度的一个重要前提。本文提供的IP3和OP3参数测试方案能对放大器及其他类似产品的IP3和OP3参数的测试工作提供指导帮助。