När man mäter på blandarkretsar är det viktigt att förstå om det är själva blandarkretsen som genererar oönskade signaler, spurioser, eller om mätningen genomförs felaktigt. Weston Sapia, RF-applikationsingenjör vid Analog Devices Inc förklarar här hur mätningarna skall genomföras och vad man skall se upp med.

Blandarkretsar genererar på utgången mer än önskade signaler: Andra, oönskade signaler vid heltalsmultiplar av ingångs- och LO-frekvenserna uppstår också på samtliga av blandarens portar. Dessa parasitiska signaler kan, i sin tur, blandas ihop och föras från blandarens utgångsport till resten av signalkedjan. Dessa oönskade utsignaler kallas spurioser.

Om spurioserna är tillräckligt kraftiga kan de ställa till med många problem i radiokonstruktioner, exempelvis skapa störsignaler i intilliggande sändarkanaler, nedsatt känslighet i en mottagare, eller att den önskade signalen distorderas.

Beroende på systemets behov finns det flera sätt att hantera dessa problematiska signaler. Försiktig frekvensplanering och filtrering kan hjälpa till att drastiskt minska antalet spurioser, men de kommer alltid att finnas där. Det är därför viktigt att systemkonstruktörer noggrant mäter spuriosnivån på en blandares utgång för att avgöra hur spurioserna bäst ska hanteras.

Svårt mäta spurioser
Det är inte lätt att mäta spurioser från blandare. Det är lätt att luras att tro att en “uppmätt” signal kommer från blandarkretsen i fråga, när den i verkligheten faktiskt är en bieffekt av en felaktig testuppkoppling. Det finns lyckligtvis sätt att motverka sådana testproblem för att se till att det man registrerar bara kommer från blandaren.

Fig 1 visar rätt testuppkoppling för mätning av spuriosinnehållet för en blandarkrets. Bandpassfilter liksom dämpare är viktiga för att minimera testuppkopplingens bidrag till de spurioser som spektrumanalysatorn mäter.

Fig 1. Rätt testuppkoppling för mätning av blandarens spurioser.

Överstyrda spektrumanalysatorer kan ge betydande interna distortionsprodukter. Den interna mottagarkedjan kan komprimera när den uttsätts för en alltför hög pålagd effekt, vilket får samtliga icke-linjära spuriosprodukter att växa med accellererad hastighet i förhållande till insignalens ökning, vilket artificiellt ökar den uppmätta spurioseffekten.

Spektrumanalysatorer är vanligtvis utformade att fungera som bäst med ungefär ‑30 dBm till ‑40 dBm på ingången. För att tillgodose den nivån bör intern undertryckning, extern undertryckning eller en kombination av dessa utnyttjas för att begränsa den effekt som instrumentet utsätts för. Ett test för att kontrollera om spurioser mäts ordentligt är ställa in spektrumanalysatorns interna dämpare för ökad dämpning och observera om/hur spuriosernas styrka förändras. Om spuriosnivån ändras med mer än cirka 0,5 dB är det troligt att spektrumanalysatorn har överstyrts. Då kommer man att avläsa en högre spuriosnivå än den faktiska.

En bra utgångspunkt för dämpningen på ingången är sammanlagt ungefär 20 till 30 dB, internt och/eller externt.

Fig 2 till och med 5 visar en CW-tonsmätning med ökad dämpning på spektrumanalysatorns ingång. När dämpningen ökas minskar den uppmätta effektnivån, vilket visar att instrumentet ursprungligen överstyrts.

Fig 2. 3e övertonen för en 0 dBm 70 MHz CW-ton med 0 dB dämpning på spektrumanalysatorns ingång.

Fig 3. 3e övertonen för en 0 dBm 70 MHz CW-ton med 10 dB dämpning på spektrumanalysatorns ingång.  

Fig 4. 3e övertonen för en 0 dBm 70 MHz CW-ton med 20 dB dämpning på spektrumanalysatorns ingång.

Fig 5. 3e övertonen för en 0 dBm 70 MHz CW-ton med 30 dB dämpning på spektrumanalysatorns ingång.

Efter att ha sett att en överstyrd spektrumanalysator kan resultera i felaktig spuriosmätning väljer du kanske att helt enkelt köra instrumentet med en låg effektnivå för att helt undvika problemet. Om 30 dB dämpning är bra borde väl 100 dB vara bättre? Spektrumanalysatorn normaliserar ju signalerna när den interna dämpningen förändras.

Detta är tyvärr inte möjligt om du vill se de spurioser som är av intresse. För varje dB dämpning på ingången (intern eller extern, det gör detsamma) flyttas instrumentets brusgolv upp 1 dB, vilket minskar instrumentets dynamiska område. I sin tur kan bruset dölja en del av de spurioser som du försöker mäta.

Lägg märke till att brusgolvet är högre och därmed synligt i fig 5 jämfört med figurerna 2-4, trots att skalan är densamma. Spuriosprodukter av högre ordning ändras inte heller i styrka linjärt med önskade utsignaler. Deras styrka ändras istället i multiplar av ingångens effektförändring: Andra ordningens produkter (2·f_IN × 1·f_LO, 2·f_IN × 2·f_LO, 2·f_IN × 3·f_LO, osv) ändras 2 dB/dB, 3e ordningens produkter (3·f_IN × 1·f_LO, 3·_IN × 2·f_LO, 3·f_IN × 3·f_LO, osv) ändras 3 dB/dB och så vidare. Om du exempelvis minskar insignalens styrka med 2 dB, kommer spuriosen vid 5·f_IN × 2·f_LO att minska med 10 dB, medan spuriosen vid 2·f_IN × 1·f_LO minskar med 4 dB. Det innebär att en för låg insignal till spektrumanalysatorn endast resulterar i att samtliga lågeffektsspurioser som du försöker mäta tvingas ned i instrumentets brusgolv.

Brist på filtrering
En annan vanlig källa till felaktig spuriosmätning är en brist på filtrering av insignalen. För noggrann mätning av spuriosnivån är det viktigt att använda filter på insignaler för att undertrycka övertoner från en signalgenerator. Även en signalgenerator av labkvalitet har bara övertonsundertryckning inom området -25 dBc till -50 dBc. Vissa spuriosnivåer på utgången hos en Linear Technology blandarkrets ligger på under -70 dBc, så det duger inte att använda signalgeneratorn utan filter. Av den anledningen bör filter med övertonsundertryckning på åtminstone 30 dB till 50 dB användas.

Fig 6 visar utgångsspektrum för en 100 MHz CW-ton från en Keysight E8257C signalgenerator. Lägg märke till styrkan hos grundsignalens övertoner. De relativa nivåerna för dessa övertoner borde vara desamma för olika huvudtoners effektnivåer.

Om du misstänker att dina insignaler resulterar i oväntat höga spurioser är det bäst att kontrollera spuriosens beteende i förhållande till insignalens nivå. Om spuriosen är av högre ordning, men ändå inte svarar på signalnivåförändringar med lämplig lutning (2dB/dB, 3dB/dB, osv) är det troligt att ingångskällorna inte är tillräckligt rena.

Fig 6. Övertonsspurioser för en 100 MHz CW-ton från en Keysight E8257C signalgenerator.

 Som synes är det inte alltid lätt att mäta spurioser för blandarkretsar, men med vissa små justeringar av testuppkopplingen kan bättre resultat uppnås. Att ställa in ingångsdämpningen rätt och att använda bra filterteknik för signalkällor ger betydligt noggrannare och repeterbara mätresultat.

Filed under: Matteknik