GB/T 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（正式版）

ICS31.140CCSL21GB/T43023—2023/IEC62761:2014射頻聲表面波(SAW)器件和體聲波wave(SAW)andbulkacousticwave(BAW)devicesinradiofrequency(RF)(IEC62761:2014,IDT)國家市場監(jiān)督管理總局國家標準化管理委員會 I 12規(guī)范性引用文件 3術(shù)語和定義 4非線性系統(tǒng)的基本特性 44.1非線性系統(tǒng)特性 44.2非線性測量裝置 64.3電路阻抗對非線性測量的影響 94.4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 1GB/T43023—2023/IEC62761:2014本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導(dǎo)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(shù)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(shù)委員會(SAC/TC182)歸口。1GB/T43023—2023/IEC62761:2014射頻聲表面波(SAW)器件和體聲波1范圍本文件規(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(yīng)測量程序的制定。應(yīng)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。本文件沒有規(guī)范性引用文件。3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1一般術(shù)語3.1.1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。3.1.2體聲波濾波器bulkacousticwavefilter;BAWfilter3.1.3體聲波bulkacousticwave;BAW3.1.4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(yīng)的通帶頻率。3.1.5用于頻分雙工系統(tǒng)的一種器件，能使系統(tǒng)通過共用天3.1.6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(yīng)力，底部由具有圖1所示的空腔或2GB/T43023—2023/IEC62761:2014隔膜結(jié)構(gòu)的襯底在基片邊緣作為機械支撐。頂電極頂電極底電極壓電材料h支撐襯底支撐層3.1.7接收端中用于接收天線輸入信號的頻段。3.1.8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。3.1.9聲表面波濾波器surfaceacousticwavefilter;SAWfilter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3.1.10一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)頂電極頂電極壓電層低聲阻抗層高聲阻抗層底電極h圖2SMR結(jié)構(gòu)示意圖3GB/T43023—2023/IEC62761:20143.1.113.1.123.1.133.2.13.2.23.2.33.2.43.2.53.2.63.3.13.3.24GB/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(yīng)的非線性失真，表現(xiàn)為輸出頻率等于兩個或多個輸入頻率整數(shù)倍之差或之和。干擾信號jammersignal外界進入的不需要的信號。非線性失真nonlineardistortion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(yīng)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(shè)一個電路或器件的輸入信號為x,其輸出響應(yīng)是y(x)。當遲滯效應(yīng)(記憶效應(yīng))是微小的或可式中：x——輸入信號；y(x)——輸出響應(yīng)；cm——展開式系數(shù)。當同時輸入兩個頻率分別為f.和fb,幅值分別為a。和ab的連續(xù)正弦信號時，即x=a?cos(2πf,t)+a?cos(2πfbt),其中a。遠大于ab,此時y近似等于：5f.——輸入信號a的頻率；a,——輸出信號a的幅值；ap——輸入信號b的幅值。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=|2f.±f.|的三階互調(diào)失真(IMD3)。號和輸入信號頻率為f=f。的信號會導(dǎo)致IMD2和/或IMD3,并且產(chǎn)生的頻率為f=f.的信號也會干P.±b的IMD2信號可表示為Pa±b=P。Pob/OIP2。式中Po和P。是頻率為f.和fo的輸出功率。OIP2——輸出二階截止點；Pc——輸入信號頻率為f.的輸出功率；P?！斎胄盘栴l率為f.的輸出功率；Pa±b——輸入信號頻率為f=If.±f.|的輸出功率。公式(3)中的所有變量單位均為dBm。為Pza±b=Po2Po/OIP32,式中的OIP3是輸出三階截止點。以dB為單位，關(guān)系式可重寫為公式(4): (4)OIP3——輸出三階截止點；Pza±b——輸入信號頻率為f=|2f.±f.|的輸出功率。公式(4)中的所有變量單位均為dBm。6GB/T43023—2023/IEC62761:2014三階截止點IP2和IIP3,它們與OIP2和OIP3的關(guān)系見公式(5)和公式(6)。IIP2=OIP2+IA (5)式中：IP2——輸入二階截止點；IA——器件在非常微弱的輸入激勵下測得的插入損耗，單位為分貝(dB)。IIP3=OIP3+IA (6)式中：IP3——輸入三階截止點。圖3顯示了Pa(n=1),P.±b(n=2)和Pza±b(n=3)隨Pi(=Pim)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+P?dB (7)式中：P1d-——1dB壓縮點。但是該關(guān)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(guān)的。另外，4.1中的非線性參數(shù)如IIPn和OIPn均與fa、fo和f.有關(guān)。因此，它們在RFSAW/BAW器件產(chǎn)生的非線性信號在測量中應(yīng)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(yīng)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(yīng)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。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R。,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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)納變化。當然，當這DUTDUT(雙端口)1端口2端口LPF/BPFATTATT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入的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(yīng)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。8GB/T43023—2023/IEC62761:2014PAPA隔離器ATTDUT(雙端口)1端口2端口R?R?R?4.2.2IMD的測量圖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fb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(guān)，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)。ATTR?R?1端口2端口DUT(雙端口)ATTR?a)a)雙端口DUTDUT(三端口)1端口3端口R?LPF/BPF2端口R?LPF/BPFATTATTATT圖7互調(diào)失真測量實際裝置(雙音測試)9GB/T43023—2023/IEC62761:2014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.、fo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.士(fa-fo)]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LPFLPF/BPFDUT(三端口)LPF/BPFATTLPF/BPFR?1端口3端口2端口ATTATTRRa)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LPFLPF/BPFSAW/BAW雙工器LPF/BPF2端口(ANT)R?端口3端口ATTATTR?對于IMD2的測量，兩個頻率為f.和fo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.GB/T43023—2023/IEC62761:2014 fb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。b)f=f。c)f=fod)f=fa+f.e)f=f.+f.差δ約為時，在Tx端阻抗失配造成的Tx信號強度的變化；時，在天線端由于阻抗失配導(dǎo)致的天線端信號Tx的返回；時天線端的阻抗失配導(dǎo)致干擾信號的強度變化；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(dǎo)致的SA讀數(shù)b的分數(shù)誤式中：S——DUT端口n的反射率；P.DUT端口n看出去的外圍電路的反射率。的上標表示頻率，因為Sm和P,均與頻率相關(guān)。圖10顯示了用分貝值表示的8導(dǎo)致的SA讀數(shù)偏差范圍，該范圍從20lg(1-l8|)到20lg(1+Si?≈0,S法b≈0和S轉(zhuǎn)b≈0,但|S?I≈1。因此，應(yīng)重視對P的抑制；它的抑制應(yīng)優(yōu)于25dB(或誤差因子|8/dB圖10δ(dB)導(dǎo)致的SA讀數(shù)偏差范圍GB/T43023—2023/IEC62761:20144.4電路非線性的影響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(shè)測量一個RFSAW/BAW雙工器的IMD2,測量電路見圖9。在這種情況下，由于電路非線性導(dǎo)致的SA的讀數(shù)b的相對誤差8為……(9)IP2puTDUT的2階截止點；IP2,外圍電路連接到DUT端口n的2階截止點；φ?！B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|SbSi?I<<1,|S;,SsI<<1,而|S法bSil≈1,因此應(yīng)重視IP22的抑制；圖10表明，IP2?/IP2pur應(yīng)優(yōu)于-25dB(或-31dB)從而獲得優(yōu)于±0.5dB(或士0.25dB)的測量準確度。5非線性測量5.1測量儀器5.1.1信號發(fā)生器(SG)和功率放大器(PA)在圖4～圖9所示的裝置中，SG應(yīng)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)。條件b)和c)是為了降低SA讀數(shù)的熱噪聲水平，見5.1.2。當需要使用PA時，選擇合適的PA量級非常重要。PA的輸出級應(yīng)在A類模式下工作，PA的額定最大輸出應(yīng)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。5.1.2頻譜分析儀(SA)在非線性測量中，各種頻譜分量同時輸入SA,其中一些可能比目標頻率分量強得多，因此，選擇的SA應(yīng)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(yīng)選用低噪聲水平的SA。在某些測量中SA可用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)替代，但VNA的線性度和動態(tài)范圍比一般傳統(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(yīng)充分抑制SG和/或SA的頻率波動，否則波動會導(dǎo)致SA讀數(shù)的減小。同步所有SG和SA是減少波動的有效方法，現(xiàn)有的射頻信號發(fā)生器大多使用頻率合成器，其輸出頻率為標準信號頻率f,(通常為10MHz)乘以一個預(yù)置系數(shù)，假設(shè)所有SG和SA使用相同的頻率源f.,則由f.造成的f.、fo和f.的波動可以相互抵消。目前商用射頻儀器設(shè)備具備輸入和輸出標準信號的功能。這種技術(shù)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.、fo和f.之間的不相關(guān)頻率波動而減小。還應(yīng)注意不要混淆RBW與SA的另一個可調(diào)參數(shù)視頻帶寬(VBW)。VBW的減小能平滑SA的顯示輸出。這有時能有效抑制熱噪聲造成的波動，但它也可平滑線譜，這會導(dǎo)致SA讀數(shù)減小。通常GB/T43023—2023/IEC62761:20145.1.3網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)(可選)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(yīng)能承受所施加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