马景芳 （中国电子科技集团公司第四十一研究所 山东 青岛 266555）

【摘 要】本文详细分析了用高性能矢量网络分析仪进行混频器测量的基本原理以及实现，在此基础上，针对频偏测量精度的问题进行了 讨论，最后给出了混频器参数的测量方法。 

【关键词】混频器；矢量网络分析仪；频率偏移

Application Of PNA At Mixer Measurement

【Abstract】In the paper we analyze the basics theory and the realization of mixer measurement using prior vector network analyzer in detail，then discuss how to make accurate frequency offset measurements。In the end the paper gives the particular method to measure parameters of the mixer。 

【Key words】mixer；vector network analyzer；frequency offset

1. 引言

    混频器件属于非线性网络，能够实现频率变换，因而在各类军用 和民用电子设备中必不可少。而模拟混频器件的实际工作状态、正确 测量混频器件的主要参数是现代高性能矢量网络分析仪的重要应用。 国内外高性能矢量网络分析仪(以下简称 PNA)的混频测量选件提供 了测量频率偏移器件所需的硬件和基本的软件。 

2.混频器测量的基本原理

    矢量网络分析仪进行线性网络测量时，激励信号源输出的信号频 率同接收机的频率是相同的，混频器件输入、输出频率不同，要满足混 频器件测量，要求锁相接收机接收的信号频率与激励信号源输出的频 率有频偏，即高性能矢量网络分析仪工作在频偏方式，并要求系统锁 相锁到混频器件的输出频率上。PNA 进行混频器件测量时，其内部的 锁相接收机仍采用谐波混频方式，在混频器件输出信号中通常包含着 许多杂波，这些杂波信号同矢量网络分析仪的本振信号进行谐波混 频，产生不必要的中频信号，严重干扰锁相环路的正常工作，并引起测 量误差。为了减小杂波信号的影响，通常在混频器件的输出端口接上 一个低通滤波器，滤除杂散信号。 

3.混频器测量的实现以及精度保证

    众所周知，混频器件是一个三端口器件，与通常的两端口器件相 比多了一个本振端口，要正确测量混频器件的实际参数，必须保证混 频器件能够工作在正常工作状态下，这就需要两个信号源。如图 1 所 示，混频器的输入信号由 PNA 内置的合成信号源提供，本振信号源为 混频器提供本振信号，矢量网络分析仪采用调谐接收方式接收混频器 输出的中频信号，并控制两台合成信号源工作在频偏方式，即合成信 号源与接收机有一个频率偏移。

为了保证混频器的精确测量，我们通常从以下几个方面进行考虑： 

3.1 校准 在进行频偏测量时，激励频率和响应频率是不同的。利 用参考测量可以计算出标准的校准误差。因此，传统的校准方法如全 双二端口校准是不能用于频偏测量的。

我们可以用源和接收机功率校准来对频率偏移进行校准。用下面 的向导来完成对频偏测量的校准。 

3.1.1 源功率校准 不管接收机是否用于测量，为了保证在激励 频率点有精确的功率电平，我们需要进行源校准。这个通道的信息可 以拷贝到其他通道。 

3.1.2 接收机功率校准 进行接收机功率校准需要一个已经执行 和应用过的源校准。而且接收机功率校准的数据不能拷贝到其他通 道。

通过上面的操作，我们可以：

a）通过执行包含激励和响应频率的源校准来开始。 

b）拷贝通道信息到其它需要的通道，同时把源功率校准也一起拷 贝。 

c）把拷贝通道的频率范围改成响应频率。 

d）在独立的通道对响应频率执行接收机校准。 

e）把频率范围改成激励频率，并把频偏开关打开。 

f）在状态栏，确认源校准和接收机校准都是打开的（源校准将被 插入）。

 3.2 失配误差 当把两个有不同阻抗的端口连接起来的时候就会 产生失配误差。在进行 S 参数测量时，我们能够测到这些失配并在全 双二端口校准过程中有效的去除。但是这对于频偏测量来说相对要困 难一些。一个比较简单的解决办法就是在混频器的输入和输出端口连 接一个高质量的衰减器。

通过在端口连接一个高质量的衰减器，可以把有效端口匹配提高 到衰减器匹配的两倍。例如，一个有 32dB 端口匹配的 10dB 衰减器， 可以把 10dB 的初始端口匹配转换成 25dB 的有效匹配。然而，当衰减 器的匹配达到原始源匹配时，就不会有这些优势。

衰减器的衰减量越大，产生的匹配就越接近衰减器的匹配。然而， 额外的衰减是不需要的，因为这样会降低测试系统的动态范围。 

3.3 精确且稳定的本振 当用频偏模式时，如果本振信号不够精 确稳定，输出信号可能就不是我们所希望的响应频率。这样的话，输出 信号可能就落在 PNA 接收机中频滤波器的边缘，或者完全落在接收 机滤波器通带外。

而且，本振功率电平在混频器测量中也是很重要的。请时刻监测 本振功率电平。 

4.混频器所需测量的参数以及测量方法

4.1 变频损耗 变频损耗是在给定本振(本地振荡器)功率下，输出 频率点功率和输入频率点功率的比值。如图 2 所示，由于变频损耗随 着本振功率的变化而变化，而且混频器二极管的阻抗也会变化，所以 我们需要特定的本振功率。

    变频损耗(有些变频器可能是增益)测量的是混频器有效地把输入 频率转换成输出频率的能力。如果混频器或者转换器的变频损耗响应 在需要的频率带宽内不是很平坦，那么就会在输出信号中丢掉有用的 信息。

    变频损耗是一个传输测量。通过一个输入信号和一个已知功率电 平的本振信号，我们可以测量输出信号电平。由于输出频率和输入频 率不同，必须使用频偏模式。

使用矢量网络分析仪测量变频损耗连接如图 1 所示，举例设置如 下： 

a)固定本振的扫频输入=扫频输出

 ·输入：3.1- 3.3GHz 

·本振：2.2GHz

·输出：900- 1100MHz 

b)通道 1 上 PNA 的设置和校准

·在通道 1 上设置一个覆盖整个输入和输出频率带宽 (0.9- 3.3GHz)的 R 测量。这是可以被拷贝到 R 和 B 通道测量的源功率校准 的基础。

 ·用功率计进行源校准。经过源校准，混频器输入端的功率电平就 会非常准确。 

c)通道 2 上设置参考测量 

·将通道 1 拷贝到通道 2，通道 2 上将显示混频器的参考输入。通 道 1 的源功率校准和其他的一些通道设置都被一起拷贝。 ·将测量改为 R1。

·将频率改为 3.1- 3.3GHz，同时可以插入源功率校准。

 ·执行接收机功率校准。不需要任何物理连接。PNA 的源在内部是 连到 R1 接收机上的。通过 R 接收机可以读出源功率电平。 

d)通道 3 上设置 B 测量 ·将通道 1 拷贝到通道 3，通道 3 上将显示混频器的输出信息。通 道 1 的源功率校准和其他的一些通道设置都被一起拷贝。 

·将测量改为 B。

·将频率改为 0.9- 1.1GHz，同时可以插入源功率校准。

·在端口 1 和端口 2 连接直通电缆。 ·进行接收机功率校准。通过 B 接收机可以读出输出频率点对应 的源功率。

·关闭接收机功率校准。这样的话，可以减小因改变输入频率而引 起的误差。 

·将频率改为 3.1- 3.3GHz。这样的话，将通道改回混频器的输入频 率。 ·打开频偏功能。 

·改变偏置到(- 2.2GHz)。这样就可以将 B 接收机调谐到输出频率 0.9- 1.1GHz。 

·打开接收机功率校准。 e)测量混频器 ·连接混频器。 ·调整比例以满足测量要求。

·用光标来读出功率电平。如果光标对于每个通道来说是独立设 置的，就必须手动进行数学运算。

 4.2 变频压缩 变频压缩测量的是混频器线性工作的最大射频输 入信号电平。它和放大器的增益压缩类似。为了弄懂变频压缩,必须首 先弄懂变频损耗。变频损耗是中频输出电平和射频输入电平的比值。 这个值在一定的输入功率范围内是恒定的。当输入功率电平超过一定 的电平时，输入和输出功率电平的固定比值将开始变化。如图 3 所示， 比值减小 1dB 的那个点就是 1- dB 压缩点。

    变频压缩是衡量器件动态范围的一个指标。动态范围通常定义为 噪声基底和 1- dB 压缩点之差。

    如图 1 所示，测量变频压缩和测量变频损耗的设备和设置基本上 是一样的。在频偏模式下，PNA 进行功率扫，得到的结果显示的就是混 频器输出功率随输入功率变化的函数。用光标就可以测出 1- dB(或者 是其他的如 3- dB)压缩点。

    为了保证测量精度，通常我们要从两方面进行考虑。第一，设备设 置考虑。PNA 里的耦合器一般有很好的方向性。如果被测件的回波损 耗较差的话，反射信号通过 PNA 取样可能就会出错。这与被测件增益的误差相关。为了提高精度，有必要在 PNA 源端口和被测件的输入端 口接入一个衰减器。通常 6- 10dB 的衰减器就足够了。然而，加了衰减 器之后，减小了被测件的有效驱动。由于 PNA 的高驱动电平，可能会 产生引起测量误差的压缩。如果驱动电平过大，可能会损坏 PNA。在被 测件输出端和 PNA 接收机输入端口之间接入衰减器可以避免这些问 题。第二，校准考虑。为了提供高精度的变频压缩测量，需要进行源功 率校准。

4.3 回波损耗和驻波比 

    即使在测量频率转换器件的时候，回波 损耗和驻波比都是线性反射测量，因为反射频率是不会改变的。这些 测量基本上和滤波器、放大器的测量是相同的。

    回波损耗和驻波比差的器件可能会降低信号功率或者恶化信号 信息。

4.4 隔离 

    隔离测量的是从一个端口到另一个端口的泄露或者通 过量。混频器的隔离越大，通过的信号就越少。隔离是在和激励频率相 同的频率点测量的，而不是在转换频率点测量的。因此，对于这个测量 来说，频偏能力不是必须的。对于混频器测量来说，我们感兴趣的是如 图 4 所示的三个主要的隔离：本振到输出的隔离(VLO)、本振到输入的 隔离(VLO)、输入到输出的直通(VIN)。

    任何通过器件的不希望的信号泄露都会和需要的输出信号混频 产生互调产物，增加互调失真。这些不希望的信号很难被滤除。

    用下面的设置来测量混频器的隔离。第一，输入到输出的隔离和 本振功率电平有很大的关系。应该在混频器正常工作对应的本振功率 点进行测量。第二，每一个不进行测量的端口都应该连接一个精密负 载。通常我们选择的是 50 欧或 75 欧的特性阻抗。例如，如果混频器的 输出端口直接连一个滤波器，那么在测量直通时也应该加这个滤波 器。

4.5 谐波失真 

    谐波是在混频器输入端和本振输入端出现的若干 信号。由这些谐波信号引起的混频器的输出特性的失真就是谐波失 真。谐波失真是由于器件的非线性引起的。谐波不是由两个或者更多 信号混频产生的,这些信号就是互调产物，这样就产生互调失真。

    互调失真可以恶化连接到混频器输出端的器件的性能。谐波也可 以和混频器提供的其他信号混频，从而增加了混频器的互调失真。

    为了保证测量精度，通常我们在混频器的输入端口加一个滤波 器，以消除 PNA 源端口的谐波。

5.结束语 

    在模拟混频器件的实际工作条件下，正确测量混频器件的主要参 数是现代矢量网络分析仪的重要应用。本文介绍的高性能矢量网络分 析仪在混频器测量方面的应用对于实际工作中混频器的测量有一定 的意义。

【参考文献】 

［1］Agilent PNA Series Network Analyzers User’s Information. 

［2］数字通信测量仪器。北京：人民邮电出版社，2007. 

［3］“Network analysis basic - architecture of network analyzers,”Applicat。 Note 1287- 2,Agilent Technologies. 

［4］汤世贤。微波测量[M]。北京：国防工业出版社，1991. 

［5］S.A.Mass,Nonlinear Microwave Circuits。New York：Wiley，1988. 

［6］Urs Lott，“Measurement Of magnitude and phase of harmonics generated in nonlinear microwave two- port”IEEE Trans。Microwave Theory Tech，vol.37，no.10， pp.1506- 1511，Oct.1989. 

作者简介：马景芳，2002 年毕业于西安电子科技大学电子工程系，助理工程 师，主要从事矢量网络分析仪的硬件设计工作。