（高清版）GBT 43023-2023 射頻聲表面波（SAW）器件和體聲波（BAW）器件的非線性測量指南

射頻聲表面波(SAW)器件和體聲波(BAW)器件的非線性測量指南2023-09-07發(fā)布2024-01-01實施國家市場監(jiān)督管理總局前言 I 2規(guī)范性引用文件 3術語和定義 4非線性系統(tǒng)的基本特性 4.1非線性系統(tǒng)特性 4.2非線性測量裝置 4.3電路阻抗對非線性測量的影響 4.4電路非線性的影響 5非線性測量 5.1測量儀器 5.2測量要求 5.3測量程序 本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件等同采用IEC62761:2014《射頻聲表面波(SAW)器件和體聲波(BAW)器件的非線性測量本文件做了下列最小限度的編輯性改動：——圖3中的“OIP”,根據(jù)前后文技術內(nèi)容更正為“OIP2”。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔識別專利的責任。本文件由中華人民共和國工業(yè)和信息化部提出。本文件由全國頻率控制與選擇用壓電器件標準化技術委員會(SAC/TC182)歸口。本文件起草單位：中國電子科技集團公司第二十六研究所、中電科技德清華瑩電子有限公司、深圳麥捷微電子股份有限公司、中國電子技術標準化研究院。I1射頻聲表面波(SAW)器件和體聲波(BAW)器件的非線性測量指南本文件規(guī)定了通信、測量儀器、雷達系統(tǒng)及消費電子產(chǎn)品等用射頻(RF)聲表面波(SAW)器件和體聲波(BAW)器件(如濾波器、雙工器等)的非線性信號的測量方法。本文件包括非線性的基本特性及測量指南，適用于射頻SAW/BAW器件測量系統(tǒng)的建立及相應測量程序的制定。本文件的目的不是解釋理論，也不是試圖覆蓋實際環(huán)境中出現(xiàn)的所有可能情況，是要讓用戶在為新應用訂購射頻SAW/BAW器件前注意到某些更基本的問題，以保證用戶得到滿意的器件性能。2規(guī)范性引用文件本文件沒有規(guī)范性引用文件。3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。3.1一般術語體聲波雙工器bulkacousticwaveduplexer;BAWduplexer采用射頻體聲波諧振器構(gòu)成的天線雙工器。以體聲波為特征的濾波器。體聲波通常由一對電極產(chǎn)生，并沿厚度方向傳播。一種沿著壓電材料上、下表面?zhèn)鞑ゲ⑶掖┻^整個壓電體厚度的聲波。截止頻率cut-offfrequency相對衰耗值達到規(guī)定要求的幅度值所對應的通帶頻率。雙工器duplexer用于頻分雙工系統(tǒng)的一種器件，能使系統(tǒng)通過共用天線同時收發(fā)信號。薄膜體聲波諧振器filmbulkacousticresonator;FBAR由兩個電極層之間夾一個壓電層構(gòu)成，頂電極和底電極表面無應力，底部由具有圖1所示的空腔或2隔膜結(jié)構(gòu)的襯底在基片邊緣作為機械支撐。接收頻段receiver(Rx)band接收端中用于接收天線輸入信號的頻段。接收濾波器Rxfilter用于接收端消除無用信號的濾波器。注：接收濾波器是雙工器的基本組成部分。聲表面波濾波器surfaceacousticwavefi由一個或多個聲表面波延遲線或者諧振器單元構(gòu)成的器件，該器件中的聲表面波通常由叉指換能一種一系列低聲和高聲阻抗Z。交替疊加的具有四分之一波長的薄膜支撐電極/壓電層/電極結(jié)構(gòu)的體聲波諧振器，這些交替層起到聲學反射器以及將諧振器與襯底聲學隔離的作用，示例見圖2。3發(fā)射端中用于將信號傳人天線的頻段。雙工器插入之前傳送到負載的功率與雙工器插入之后傳送到負載的功率之比的對數(shù)。相對衰耗等于或小于某一規(guī)定值時的頻帶。兩個阻抗Z?和Z?的不匹配程度的無量綱度量，比如(Z?-Z?)/(Z?+Z?),Z?和Z?分別表示輸注：反射率的絕對值稱為反射系數(shù)。相對衰耗relativeattenuation規(guī)定頻率點損耗與參考頻率點損耗之差。相對衰耗等于或大于某一規(guī)定值時的頻帶。過渡帶transitionband截止頻率和相鄰阻帶的最近頻率點之間的頻帶。記憶效應memoryeffect4GB/T43023—2023/IEC62761:2014截止點interceptpoint;IP互調(diào)失真(IMD)所產(chǎn)生的非線性信號與兩個輸入信號在輸出端相等時的功率電平?；フ{(diào)失真intermodulationdistortion;IMD器件響應的非線性失真，表現(xiàn)為輸出頻率等于兩個或多個輸人頻率整數(shù)倍之差或之和。干擾信號jammersignal外界進入的不需要的信號。由信號傳輸系統(tǒng)非線性引起的信號波形失真。1dB壓縮點onedecibelcompressionpoint小信號輸入時，增益(輸出功率與輸入功率的比值)值下降1dB時對應的輸入功率。飽和saturation大信號輸入時，增益(輸出功率與輸入功率的比值)下降至接近零的現(xiàn)象。三音測試threetonetest同時輸入三種不同頻率的正弦信號的非線性測量。3.3.10三音差拍測試triplebeattest與三音測試相同。3.3.11雙音測試twotonetest同時輸入兩種不同頻率的正弦信號的非線性測量。4非線性系統(tǒng)的基本特性4.1非線性系統(tǒng)特性假設一個電路或器件的輸入信號為x,其輸出響應是y(x)。當遲滯效應(記憶效應)是微小的或可忽略時，x對y的麥克勞林展開公式為：式中：x——輸人信號；y(x)——輸出響應；cm——展開式系數(shù)。當電路或器件滿足y(一x)=-y(x)時，若m為偶數(shù)，則cm為0。當同時輸入兩個頻率分別為f.和f.,幅值分別為a。和a,的連續(xù)正弦信號時，即x=acos(2πf?t)+a,cos(2πf?t),其中a。遠大于as,此時y近似等于：5GB/T43023—2023/IEC62761:2014式中：f.——輸入信號a的頻率；f?——輸入信號b的頻率；a,——輸出信號a的幅值；a,——輸入信號b的幅值。公式(2)展示了非線性是如何影響電路/器件輸出的。前兩項表示a.和a。傳輸系數(shù)的變化，并表明飽和是源于大的信號輸入(c?/c?通常是負值)。公式第一行的后三項表示的是頻率為f=mf.(m為整數(shù))的諧波信號。第二行的前兩項表示頻率為f=f.±f。的二階互調(diào)失真(IMD2)。第二行的最后兩項是頻率為f=|2f.±f?|或f=|2fo±f.|的三階互調(diào)失真(IMD3)。假設無線接收機需要調(diào)諧一個f=f.的信號。當輸入信號頻率f=f./2或f=f,/3時，接收機會產(chǎn)生相應的諧波信號，這可能會干擾到主信號的檢測。同樣地，當兩個頻率分別為f.和f。的輸入信號滿足f?=|f.±fo|、f?=|2f.±fi|或f?=|f.±2f,|任一條件時，由IMD2或IMD3產(chǎn)生的f=f;的信號也會干擾主信號的檢測。當收發(fā)機工作在頻分雙工(FDD)模式時，發(fā)射信號頻率為f=f.的信號和輸入信號頻率為f=f,的信號會導致IMD2和/或IMD3,并且產(chǎn)生的頻率為f=f,的信號也會干擾主信號的檢測。對于發(fā)射機，非線性會導致寄生信號的產(chǎn)生，從而與其他無線通信相互干擾。這些例子清楚地表明了射頻系統(tǒng)和器件的非線性與其抑制同樣重要。傳輸壓縮(飽和)通常用1dB壓縮點P?來表征，即傳輸系數(shù)減小1dB時的輸入信號電平的大小。另一方面，用截止點(IP)表征IMD特性。當信號電平遠小于飽和值時，頻率為f=|f.±fo1、功率為P±的IMD2信號可表示為P=P。Pa/OIP2。式中P。和P是頻率為f.和f。的輸出功率。OIP2稱作輸出二階截止點。以dB為單位，關系式可重寫為公式(3):OIP2=P+P-Pb (3)OIP2——輸出二階截止點；P——輸入信號頻率為f.的輸出功率；P輸入信號頻率為f,的輸出功率；P——輸入信號頻率為f=|f.±f?|的輸出功率。公式(3)中的所有變量單位均為dBm。同樣地，當信號電平遠小于飽和值時，頻率為f=|2f.±f|、功率為Pz±的IMD3信號可以表示為Pz≠b=Pa2Pm/OIP32,式中的OIP3是輸出三階截止點。以dB為單位，關系式可重寫為公式(4):Pza±b——輸人信號頻率為f=|2f.±fo|的輸出功率。公式(4)中的所有變量單位均為dBm。注意，截止點也能由輸入信號電平P(=Pm)來定義：Pab=OIP2和P±b=OIP3。輸入二階和6GB/T43023—2023/IEC62761:2014三階截止點IIP2和IIP3,它們與OIP2和OIP3的關系見公式(5)和公式(6)。IIP2=OIP2+IA (5)IIP2——輸人二階截止點；IA——器件在非常微弱的輸人激勵下測得的插入損耗，單位為分貝(dB)。IIP3=OIP3+IA (6)IIP3——輸人三階截止點。圖3顯示了P(n=1),P±(n=2)和Pza±n(n=3)隨Pl(=Pm)的典型變化。OIP,和IIP?？梢栽趦赏馔浦本€的交點獲得。在這種情況下，IIP2和IIP3約為25dBm和33dBm,同時OIP2和OIP3分別約為20dBm和28dBm。圖3基波和諧波輸出作為輸入信號功率的函數(shù)阻抗。從這些表達式中可得到公式(7)(單位dB)。IIP3=9.6+P1an……(7)P?an-—1dB壓縮點。但是該關系式不是普遍成立的，特別是在RF濾波器中。這是因為公式(2)中的所有參數(shù)，如c?、c?和c?都是和頻率相關的。另外，4.1中的非線性參數(shù)如IIPn和OIPn均與f.、f.和f.有關。因此，它們在RFSAW/BAW器件產(chǎn)生的非線性信號在測量中應被規(guī)定”。4.2非線性測量裝置4.2.1諧波測量圖4表示RF元件或系統(tǒng)N次諧波的基本測量裝置。信號發(fā)生器(SG)為待測器件(DUT)提供輸1)RFBAW器件根據(jù)其結(jié)構(gòu)常被稱為薄膜體聲波諧振器(FBAR)或固態(tài)裝配型諧振器(SMR)。7GB/T43023—2023/IEC62761:2014入頻率為f.、功率為P.的正弦信號，采用頻譜分析儀(SA)選擇性檢測頻率為f.(=Nf.)的目標頻譜成分P,。該測量應遵循以下兩原則：a)信號發(fā)生器(SG)和頻譜分析儀(SA)的非線性可忽略；b)阻抗匹配。應很好地定義通過DUT端口看進去的電路阻抗，不僅僅是在基頻(f.)時，而且在諧波頻率f=nf(a),(n≤N)時。后者對于無源RF濾波器極為重要。這是因為它們的頻率選擇性是由其與外圍電路阻抗失配造成的，且器件的特性對電路阻抗敏感。通常使電路阻抗與測量系統(tǒng)阻抗率R。相等。DUT(雙端口)圖4諧波測量的基本裝置采用合適的濾波器以有效消除非線性信號的外圍電路，見圖5。但是，由于引入的無源濾波器僅在通帶內(nèi)的阻抗呈Ro,因此，需要在濾波器和DUT之間接入一個衰減器(ATT)。ATT的接入可改善外圍電路從端口1看進去的回波損耗，當ATT的標稱衰減值為AdB時，回波損耗減少到2AdB。ATT的接入也導致輸入信號的強度降低AdB,使得n次諧波的強度降低到nAdB。受熱噪聲影響，信號電平的降低可引起SA讀數(shù)的波動(不準確度),增大SG輸出似乎是解決這個難題的一種方法。但應確認以下兩點：a)SG產(chǎn)生的諧波在測量中是否可以忽略不計；b)ATT的升溫是否不會導致衰減電平隨時間發(fā)生變化。在DUT和SA之間插入ATT的目的是抑制SA產(chǎn)生的諧波和SA的輸入導納變化。當然，當這些影響可以忽略不計時，ATT不是必需的。圖5諧波測量的實際裝置當SG輸出功率不足時，需要增加功率放大器(PA)。此時，插入濾波器可能不實用。這是因為需要用較大的輸出功率補償接人的ATT的衰減，并可能造成PA的非線性更加明顯。在這種情況下，插入一個隔離器(或環(huán)行器)以替代濾波器抑制DUT端口1到PA的輸入阻抗的影響(見圖6)。注意，由于環(huán)行器/隔離器在一定程度上會傳輸寄生信號，因此應充分抑制PA中產(chǎn)生的寄生信號。此外，由于隔離器/環(huán)行器通常工作在窄帶，可能需要插入一個ATT來改善DUT端口的回波損耗。8圖6使用隔離器時的測量裝置圖7顯示了RF元件或系統(tǒng)IMD測量的兩套裝置，通常稱為雙音測試裝置。兩個由SG產(chǎn)生的頻率分別為f.和f?的正弦信號，施加給DUT,SA選擇性的測量頻率是f:的目標頻譜分量P。對雙端口器件，需要用功率合成器給DUT同時施加兩個信號，如圖7a)所示。在這兩種情況下，每個SG接入一個合適的濾波器以抑制產(chǎn)生的非線性信號，同時避免該SG產(chǎn)生的IMD。由于功率合成器的特性通常與頻率相關，如果有需要，可能需要在功率合成器和DUT端口1間加入ATT,從而改善DUT端口1的回波損耗。圖7b)所示的三端口測量裝置，在濾波器和DUT之間插入了ATT。因為無源濾波器僅在濾波器的通帶具有電路阻抗R。(并不是在DUT產(chǎn)生的IMD信號頻率處)。a)雙端口DUTb)三端口DUT圖7互調(diào)失真測量實際裝置(雙音測試)9圖8顯示了使用三臺SG(SGa、SGb、SGc)測量IMD3的裝置，通常被稱為三音測量裝置(三次差拍)。頻率分別為f、f?和f。的三個正弦信號同時施加給DUT,由SA選擇性測量頻率為f?[=f.±(f?-fu)]的目標頻譜成分P.。濾波器、ATT和功率合成器組合使用來抑制SG產(chǎn)生的非線性信號，并避免SGa和SGb產(chǎn)生IMD,同時改善DUT端口的回波損耗及DUT產(chǎn)生的IMD信號頻率。圖8三音測試實際裝置4.3電路阻抗對非線性測量的影響這里定量討論電路阻抗的影響。舉個例子，假設測量一個SAW/BAW天線雙工器的IMD2,如圖9所示。該天線雙工器由兩顆濾波器組成：a)發(fā)送(Tx)濾波器連接在端口1和2之間，在Tx頻段傳輸信號；b)接收(Rx)濾波器連接在端口2和3之間，在Rx頻段傳輸信號。端口1、2和3通常分別被稱為Tx、天線(ANT)和Rx端口。圖9SAW/BAW天線雙工器IMD2測量裝置對于IMD2的測量，兩個頻率為f.和fi的RF信號發(fā)生器SGa和SGb分別連接到端口1和端口2,分別模擬Tx和干擾信號。規(guī)定f.和f?的值，以便：GB/T43023—2023/IEC62761:2014 f,遠離Tx頻段和Rx頻段。這樣，端口1的入射信號a將通過Tx濾波器傳輸?shù)蕉丝?,而端口2處的入射信號b在Tx和Rx濾波器中的傳輸將顯著衰減。這意味著，端口2附近的IMD2信號主要由SAW/BAW諧振器產(chǎn)生，并通過Rx濾波器傳輸?shù)蕉丝?處。IMD2輸出的變化主要由以下5種機制引起：a)f=f.時，在Tx端阻抗失配造成的Tx信號強度的變化；b)f=f.時，在天線端由于阻抗失配導致的天線端信號Tx的返回；c)f=f?時天線端的阻抗失配導致干擾信號的強度變化；d)f=f?+fi或f=f.-fi時，天線端的阻抗失配導致的天線端非線性信號的返回；e)f=f?+f?或f=f.-f,時，Rx端的阻抗失配導致的檢測器讀數(shù)的變化。當IMD2信號被認為是產(chǎn)生在非常接近DUT端口2處，上述這些作用導致的SA讀數(shù)b的分數(shù)誤差δ約為式中：F,DUT端口n看出去的外圍電路的反射率。其中，S…是DUT的n端口的反射率，F(xiàn),是DUT的n端口看去的外圍電路的反射率，公式(8)中的上標表示頻率，因為S和F,均與頻率相關。圖10顯示了用分貝值表示的8導致的SA讀數(shù)偏差范圍，該范圍從20lg(1-lδ|)到20lg(1+于-25dB和-31dB,從而獲得的測量準確度分別優(yōu)于±0.5dB和±0.25dB。在商用雙工器中，Si≈0,S;≈0,S#?≈0和S特?≈0,但|SA|≈1。因此，應重視對T生的抑制；它的抑制應優(yōu)于25dB(或-31dB)以獲得優(yōu)于±0.5dB(或±0.25dB)的測量準確度。圖10δ(dB)導致的SA讀數(shù)偏差范圍GB/T43023—2023/IEC62761:2014這里定量討論外圍電路產(chǎn)生非線性信號的影響。舉個例子，假設測量一個RFSAW/BAW雙工器……(9)IP2pur——DUT的2階截止點；φ——連接DUT的n端口的外圍電路產(chǎn)生的IMD2信號的相對相位。由于|S*S?|<<1,|SiS|<<1,而|SSl≈1,因此應重視IP2?的抑制；圖10表明，IP2?/IP2pur應優(yōu)于-25dB(或一31dB)從而獲得優(yōu)于±0.5dB(或±0.25dB)的測量準確度。在圖4～圖9所示的裝置中，SG應具備以下特性：b)良好的短期穩(wěn)定性(小的頻率波動);c)能夠與外部標準振蕩信號同步(通常是10MHz)。定最大輸出應充分大于測量所需的值。例如，輸出500mW大約需要最大輸出為5W的PA。同時，由于熱噪聲也來自PA,會增大SA讀數(shù)的噪聲電平，故不選用最大輸出功率過大的PA。SA應具有良好的線性度和較寬的動態(tài)范圍。最小檢出電平由SA噪聲水平?jīng)Q定，因此，應選用低噪聲傳統(tǒng)SA的分辨率帶寬(RBW)可調(diào)，SA讀數(shù)的熱噪聲電平與RBW成反比。噪聲電平以10log(RBW)dB的水平降低。為了減小RBW,應充分抑制SG和/或SA的頻率波動，否則波動會導致SA讀頻率為標準信號頻率f.(通常為10MHz)乘以一個預置系數(shù)，假設所有SG和SA使用相同的頻率源f.,則由f.造成的f.、f.和f,的波動可以相互抵消。目前商用射頻儀器設備具備輸人和輸出標準信號的功能。這種技術使得在GHz范圍內(nèi)測量的RBW能減少到1Hz,否則，超過100Hz的波動才可能在SA顯示輸出上觀察到。當RBW太窄時，SA讀數(shù)由于f.、fi和f.之間VBW是自動設置的。一些SA提供均值功能。它存儲多個測量結(jié)果并輸出它們的平均值，這也能有效地抑制熱噪聲所造成的波動。但當頻率波動沒有遠小于RBW時，其輸出就不準確了，這就應檢查在均值功能開啟時SA讀數(shù)是否不改變。降低RBW也導致SA響應時間(時間常數(shù))的增加，測量數(shù)據(jù)點和頻率帶寬應設置為最小。網(wǎng)絡分析儀能方便地檢查DUT是否正常工作，在測量期間是否受損。矢量網(wǎng)絡分析儀因為動態(tài)范圍較高，因而比標量網(wǎng)絡分析儀更好用，也可與帶跟蹤發(fā)生器的SA聯(lián)合使用。5.1.4配件在非線性測量中會用到一定數(shù)量的無源器件如LPF/HPF、ATT和終接器。它們應能承受所施加的功率，且不得對所施加的信號電平產(chǎn)生非線性信號。一般來說，給定的應用功率下，使用更高功率的體積較大器件會表現(xiàn)出較低的非線性。此外，電纜、連接器轉(zhuǎn)換接頭、ATT和終接器的標稱頻率范圍應較輸人頻率以及非線性信號的范圍更寬。可變ATT能方便檢查如5.3.2d)中描述的電路阻抗的影響。它應是無源的，并能以適當?shù)牟介L(例如1dB)在0dB～10dB范圍內(nèi)變化。如果可能，還應準備參考器件。它應具有與DUT相同的通帶，但具備更高的功率耐受性和較小的非線性。例如，選用體積大的介質(zhì)諧振器構(gòu)成的RF濾波器作為RFSAW/BAW濾波器的非線性表征的參考。5.2測量要求對于RFSAW/BAW器件的非線性測量，應規(guī)定以下幾點：a)DUT類型和連接器；b)測量系統(tǒng)的基本配置及其與DUT的連接方式；c)電路阻抗(通常是50Ω);d)施加信號的掃描范圍和頻率間隔，以及SA的相應測量頻率；e)施加信號的強度。需指明是在DUT的哪一個輸入或輸出端口。PCS雙工器的IMD2測量規(guī)定a)待測器件(DUT)PCS雙工器放置在帶SMA連接器的PCB上。b)測量設置見圖11。注意，實際操作中可能會接入濾波器、衰減器等附加元件來滿足要求。1)連接連續(xù)信號源(SGa)到發(fā)送(Tx)端口頻率f.:見表1強度A.:天線端口處為+21dBm2)連接連續(xù)信號源(SGb)到天線(ANT)端口頻率fs:見表1強度A,:天線端口處為-15dBm3)連接頻譜分析儀(SA)到接收(Rx)端口目標頻率f::見表1DUT(三端口)圖11RFSAW/BAW雙工器理想IMD2測量裝置表1輸入信號頻率f.和f。及目標頻率f,頻率第一次設置第二次設置第三次設置 第四次設置第五次設置f./MHz5MHz步長fu/MHz(上變頻)80保持不變fs/MHz(下變頻)10MHz步長f?/MHz5MHz步長通過測量DUT的插入損耗和回波損耗，檢查DUT是否正常工作。測量裝