基于矢量网络分析仪的混频器测试技术

一届流寇

摘　要：混频器是１种三端口器件，且由于其输入、输出频率不同，其快速扫描测量一直是射频和微波领域的１个挑战。传统的测试方法是用２个信号源和１个频谱分析仪进行变频损耗的测试，主要以手动测试为主，测试效率低。介绍了基于矢量网络分析仪的混频器快速扫描测试方法，实现了混频器在固定本振和固定中频两种情况时变频损耗自动测试。围绕着矢量网络分析仪频偏模式，深入研究了混频器变频损耗和相频特性快速扫描测试技术，提出了消除失配纹波的具体解决方案。

引　　言

微波混频器应用于雷达、通信、电子侦察等电子装备和微波毫米波测试仪器，实现频率变换功能，是微波毫米波系统的重要部件，其特性的好坏直接影响设备或仪器的性能。在微波混频器设计、制作和批量生产的各个阶段，都需要对其变频损耗等性能指标做准确快速测试［１］。由于混频器的微波输入、本振和中频端口工作在不同的频率上，无法像其他微波部件一样使用矢量网络分析仪进行测量，传统的测试方法是利用２个信号源和１个频谱仪对混频器变频损耗进行测量、测量速度慢、测试精度低。
本文介绍的基于矢量网络分析仪频偏测试功能对混频器进行测试的方法，不仅能对混频器的变频损耗进行测量，还能对其相频特性进行表征［２］。

１　测试原理
由于混频器的微波输入、本振和中频频率不同，矢量网络分析仪的激励信号源和接收机必须能够工作在不同的频率，需要矢量网络分析仪带有频偏测试功能［３－５］，带有频偏模式的矢量网络分析仪结构图如图１所示。对混频器进行测试时，矢量网络分析仪激励信号源Ａ为混频器提供输入信号，接收机工作在频偏模式，工作频率为混频器输出中频频率，如果矢量网络分析仪内置２个激励信号源，内置信号源Ｂ可以作为本振信号源，但传统的矢量网络分析仪只有１个内置激励信号源，需要利用外置信号源提供本振信号。对于内置两个激励信号源的矢量网络分析仪，无需外配信号源，也无需外配主控计算机，就可以实现混频器的扫频测量［６］。

图１　带频偏模式矢量网络分析仪的结构

２　测试方案与系统组成
２．１　混频器变频损耗的测试
变频损耗是混频器重要的技术指标，其好坏直接关系到混频器性能的优良，其对数功率公式如下：

一般情况下变频损耗是相对中频（在固定的本振频率下）或者是射频频率（在固定的中频频率下）而测量的。２种测试方式下所需的配置也不同［７］。

２．１．１　固定本振混频器测试
当混频器的本振频率固定时，其射频ＲＦ和中频ＩＦ都处于扫描状态，测试系统的具体配置如图２所示。

图２　本振固定时测试系统的结构

如图２所示，射频信号ＲＦ作为混频器的输入信号，可用矢量网络分析仪的源Ａ发出，中频信号作为混频器的输出信号，可以由Ｂ接收机接收。由于混频器的输入输出频率不同，因此要把源Ａ 和Ｂ接收机协调到不同的工作频率，即射频和中频的差值，即为频偏量为固定的本振ＬＯ频率的大小［８］。
将矢量网络分析仪的测量设置为Ｂ接收机模式测量就可以看到Ｂ接收机接收到的中频信号功率随频率的变化，减去混频器输入信号的功率后取绝对值即为变频损耗的大小。若输入的信号为０ｄＢｍ，接收机上接收的曲线即为变频损耗随频率变化的大小［９］。为了提高测试的精度，可以在测试前先对矢量网络分析仪的源和接收机在各自的工作频段上做功率计校准［１０］。这样可以使矢量网络分析仪的源提供精确的功率电平，接收机能接收到精确的功率电平。

２．１．２　固定中频混频器测试
所谓固定中频的测量，就是混频器的射频ＲＦ和本振ＬＯ的频率同时扫描，其差值固定为中频的大小，对混频器的变频损耗进行测量。由于需要外加的本振ＬＯ源随着射频ＲＦ同时步进扫描，因此在测试系统中需要用计算机来控制两个源的扫描，使其差值始终固定为中频频率。固定中频测量时整个系统的结构图如图３所示。

图３　固定中频时测试系统的结构

如图３所示，计算机通过ＧＩＰＢ总线控制提供本振信号ＬＯ的信号源和提供射频信号ＲＦ的矢量网络分析仪源Ａ同时步进扫描，由于本振信号ＬＯ在变化，因此中频和射频的差值也跟着变化，所以计算机还要同时控制矢量网络分析仪的频率偏移量随着ＬＯ 同时改变，大小就为－ＬＯ［１１］。
Ｂ接收机在射频信号和本振信号步进的每一个点上进行中频信号的接收，接收到的中频信号功率减去射频信号的功率的绝对值即为混频器的变频损耗。计算机将每一个点的变频损耗计算出来后记录下来，就可以得到变频损耗随射频频率大小变化的曲线图。为了提高测试的精度，同样可以用功率计对矢量网络分析仪源和接收机进行功率校准。

２．２　混频器相频特性的测试
一般混频器相频特性参数包括相位和群延迟。相位是一个相对测量值，要进行相位测量，必须有１个参考相位。由于在进行混频器测试时，矢量网络分析仪工作在频偏模式，源和接收机工作在不同的频率上，不能形成相位对比。因此为了形成参考相位，在矢量网络分析仪的Ｒ１参考接收机的外接跳线上接入１个参考混频器，对参考混频器施加和被测混频器相同的本振，使源Ａ的信号通过参考混频器的变频，在Ｒ１接收机上接收到和Ｂ接收机相同频率的信号，然后再将矢量网络分析仪测试设置为比值测量（Ｂ／Ｒ１）。整个测试系统的连接图如图４所示。

在测试中，为了消除整个系统的误差，也引入了１个已表征好的标准混频器。先接入标准混频器，测得的相对相位是标准混频器相对于参考混频器的，接收机比值为Ｂ１／Ｒ１（假设这时Ｂ接收机接收到的信号为Ｂ１），归一化系统（消除了整个系统误差），然后移去标准混频器，接入被测混频器，这时候测试的接收机比值为Ｂ２／Ｒ１（假设这时Ｂ接收机接收到得信号为Ｂ２），由于对标准混频器测试进行了归一化，因此矢量网络分析仪显示的结果是Ｂ２／Ｒ１除以Ｂ１／Ｒ１，即为了Ｂ２／Ｂ１，即被测混频器相对于标准混频器的相位特性。此时再将测试模式改为群延迟便得到了相对于标准混频器群延迟算出的群延迟。

３　测试与试验结果
３．１　混频器变频损耗测试结果
针对上面提出的测试方案，我们选择了合适的仪器搭建了测试系统来对混频器的变频损耗进行了测试。对于作为整个测试系统的核心的矢量网络分析仪，选择了中电４１所的带有频率偏移功能的ＡＶ３６５４Ｂ，其工作频率范围为０～４０ＧＨｚ。信号源选择的是中电４１所的ＡＶ１４８７信号源，其工作频率范围也为０～４０ＧＨｚ。
３．１．１　固定本振频率的测试结果
如图２所示搭好测试系统，在本振信号为１０ＧＨｚ，功率为１５ｄＢｍ，射频信号为１０．１～１２ＧＨｚ，中频信号为０．１～２ＧＨｚ的扫频信号下对一个宽带混频器进行了测试。为了验证测试的精确度，在相同的测试条件下和传统的利用频谱仪和功率计测量的测试方法做了对比。在用功率计和矢量网络分析仪测量时，需在混频器的中频输出端加入１个截止频率为２．５ＧＨｚ的低通滤波器来滤除泄露信号和其它杂散信号，在消除了滤波器的损耗后可得到混频器的变频损耗。３种测试结果的对比如图５所示。
以功率计的测量结果为标准，可以很明显的看出，利用矢量网络分析仪的测试方法精度要大大高于传统的利用频谱仪的测试方法，而且其测试速度也快于后者。

３．１．２　固定中频频率的测试结果
如图３所示，将ＡＶ３６５４Ｂ矢量网络分析仪，ＡＶ１４８７信号源和计算机用ＧＰＩＢ电缆两两连接起来，入被测混频器。在编写好的计算机控制程序里输入固定的中频频率１ＧＨｚ，本振ＬＯ频率范围为３～１５ＧＨｚ，功率为１５ｄＢｍ，射频信号功率为－５ｄＢｍ，同样，在混频器的中频输出端加入１个截止频率为１．５ＧＨｚ的低通滤波器用来滤除杂散信号，然后计算机自动控制整个系统对混频器进行测试，测试的结果在计算机上显示出来，测试结果如图６所示。

图６　固定中频测量时测得的变频损耗曲线

３．２　混频器相对相位和群延迟测试结果
同变频损耗的测试一样，我们选用了ＡＶ３６５４Ｂ矢量网络分析仪和ＡＶ１４８７信号源，选用的参考混频器和标准混频器的工作频率范围应大于被测混频器。
如图４所示连接好系统，接入标准混频器，将测量模式设为相位测量，选择Ｂ／Ｒ１比值测量，归一化矢量网络分析仪，再接入被测混频器，就能测得相对于标准混频器的相对相位，测量完毕后将测量模式改为群延迟，测量结果就为相对于标准混频器算出的群延迟，图７和图８时在本振为８ＧＨｚ，功率为１５ｄＢｍ，中频为１～２ＧＨｚ时测出的相对相位和群延迟。

３．３　减小失配纹波试验研究

混频测量的主要难题之一是由于混频器的非线性特性，在测试中存在多个信号和会产生很多杂散信号。无用的信号的后果通常是形成测量纹波，减小这些不希望的信号是混频器测量的关键。衰减器是用来降低无用信号影响的常用元件［１２］。

在基于矢量网络分析仪的混频器测试中，为了找出失配纹波产生的根源以消除失配纹波，在实验时将在射频输入端加入１个１０ｄＢｍ 衰减器、在中频输出端接入１个１０ｄＢｍ的衰减器和不加衰减器的３种情况做了对比，分析出主要影响测试结果产生失配纹波根源。测试混频器的设置如下：
射频：１１～１１．５ＧＨｚ
本振：１０ＧＨｚ、１５ｄＢｍ
中频：１．１～１．５ＧＨｚ

测得的变频损耗结果如图９所示。

图９　３种情况测试结果对比

由图９可以很明显的看出，在混频器的输入端口接入衰减器后，变频损耗平坦度增加，失配纹波明显减小，而在输出端口接入衰减器不会有任何影响。这说明产生失配

纹波的根源之一在输入端，因此在测试中为了降低失配纹波，提高测量的精确度，建议在混频器的输入端接入１个合适的衰减器。