（高清版）GBT 43023-2023 射频声表面波（SAW）器件和体声波（BAW）器件的非线性测量指南

射频声表面波(SAW)器件和体声波(BAW)器件的非线性测量指南2023-09-07发布2024-01-01实施国家市场监督管理总局前言 I 2规范性引用文件 3术语和定义 4非线性系统的基本特性 4.1非线性系统特性 4.2非线性测量装置 4.3电路阻抗对非线性测量的影响 4.4电路非线性的影响 5非线性测量 5.1测量仪器 5.2测量要求 5.3测量程序 本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件等同采用IEC62761:2014《射频声表面波(SAW)器件和体声波(BAW)器件的非线性测量本文件做了下列最小限度的编辑性改动：——图3中的“OIP”,根据前后文技术内容更正为“OIP2”。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中华人民共和国工业和信息化部提出。本文件由全国频率控制与选择用压电器件标准化技术委员会(SAC/TC182)归口。本文件起草单位：中国电子科技集团公司第二十六研究所、中电科技德清华莹电子有限公司、深圳麦捷微电子股份有限公司、中国电子技术标准化研究院。I1射频声表面波(SAW)器件和体声波(BAW)器件的非线性测量指南本文件规定了通信、测量仪器、雷达系统及消费电子产品等用射频(RF)声表面波(SAW)器件和体声波(BAW)器件(如滤波器、双工器等)的非线性信号的测量方法。本文件包括非线性的基本特性及测量指南，适用于射频SAW/BAW器件测量系统的建立及相应测量程序的制定。本文件的目的不是解释理论，也不是试图覆盖实际环境中出现的所有可能情况，是要让用户在为新应用订购射频SAW/BAW器件前注意到某些更基本的问题，以保证用户得到满意的器件性能。2规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1一般术语体声波双工器bulkacousticwaveduplexer;BAWduplexer采用射频体声波谐振器构成的天线双工器。以体声波为特征的滤波器。体声波通常由一对电极产生，并沿厚度方向传播。一种沿着压电材料上、下表面传播并且穿过整个压电体厚度的声波。截止频率cut-offfrequency相对衰耗值达到规定要求的幅度值所对应的通带频率。双工器duplexer用于频分双工系统的一种器件，能使系统通过共用天线同时收发信号。薄膜体声波谐振器filmbulkacousticresonator;FBAR由两个电极层之间夹一个压电层构成，顶电极和底电极表面无应力，底部由具有图1所示的空腔或2隔膜结构的衬底在基片边缘作为机械支撑。接收频段receiver(Rx)band接收端中用于接收天线输入信号的频段。接收滤波器Rxfilter用于接收端消除无用信号的滤波器。注：接收滤波器是双工器的基本组成部分。声表面波滤波器surfaceacousticwavefi由一个或多个声表面波延迟线或者谐振器单元构成的器件，该器件中的声表面波通常由叉指换能一种一系列低声和高声阻抗Z。交替叠加的具有四分之一波长的薄膜支撑电极/压电层/电极结构的体声波谐振器，这些交替层起到声学反射器以及将谐振器与衬底声学隔离的作用，示例见图2。3发射端中用于将信号传人天线的频段。双工器插入之前传送到负载的功率与双工器插入之后传送到负载的功率之比的对数。相对衰耗等于或小于某一规定值时的频带。两个阻抗Z₁和Z₂的不匹配程度的无量纲度量，比如(Z₁-Z₂)/(Z₁+Z₂),Z₁和Z₂分别表示输注：反射率的绝对值称为反射系数。相对衰耗relativeattenuation规定频率点损耗与参考频率点损耗之差。相对衰耗等于或大于某一规定值时的频带。过渡带transitionband截止频率和相邻阻带的最近频率点之间的频带。记忆效应memoryeffect4GB/T43023—2023/IEC62761:2014截止点interceptpoint;IP互调失真(IMD)所产生的非线性信号与两个输入信号在输出端相等时的功率电平。互调失真intermodulationdistortion;IMD器件响应的非线性失真，表现为输出频率等于两个或多个输人频率整数倍之差或之和。干扰信号jammersignal外界进入的不需要的信号。由信号传输系统非线性引起的信号波形失真。1dB压缩点onedecibelcompressionpoint小信号输入时，增益(输出功率与输入功率的比值)值下降1dB时对应的输入功率。饱和saturation大信号输入时，增益(输出功率与输入功率的比值)下降至接近零的现象。三音测试threetonetest同时输入三种不同频率的正弦信号的非线性测量。3.3.10三音差拍测试triplebeattest与三音测试相同。3.3.11双音测试twotonetest同时输入两种不同频率的正弦信号的非线性测量。4非线性系统的基本特性4.1非线性系统特性假设一个电路或器件的输入信号为x,其输出响应是y(x)。当迟滞效应(记忆效应)是微小的或可忽略时，x对y的麦克劳林展开公式为：式中：x——输人信号；y(x)——输出响应；cm——展开式系数。当电路或器件满足y(一x)=-y(x)时，若m为偶数，则cm为0。当同时输入两个频率分别为f.和f.,幅值分别为a。和a,的连续正弦信号时，即x=acos(2πf₁t)+a,cos(2πf₀t),其中a。远大于as,此时y近似等于：5GB/T43023—2023/IEC62761:2014式中：f.——输入信号a的频率；f₄——输入信号b的频率；a,——输出信号a的幅值；a,——输入信号b的幅值。公式(2)展示了非线性是如何影响电路/器件输出的。前两项表示a.和a。传输系数的变化，并表明饱和是源于大的信号输入(c₃/c₁通常是负值)。公式第一行的后三项表示的是频率为f=mf.(m为整数)的谐波信号。第二行的前两项表示频率为f=f.±f。的二阶互调失真(IMD2)。第二行的最后两项是频率为f=|2f.±f₀|或f=|2fo±f.|的三阶互调失真(IMD3)。假设无线接收机需要调谐一个f=f.的信号。当输入信号频率f=f./2或f=f,/3时，接收机会产生相应的谐波信号，这可能会干扰到主信号的检测。同样地，当两个频率分别为f.和f。的输入信号满足f₁=|f.±fo|、f₁=|2f.±fi|或f₁=|f.±2f,|任一条件时，由IMD2或IMD3产生的f=f;的信号也会干扰主信号的检测。当收发机工作在频分双工(FDD)模式时，发射信号频率为f=f.的信号和输入信号频率为f=f,的信号会导致IMD2和/或IMD3,并且产生的频率为f=f,的信号也会干扰主信号的检测。对于发射机，非线性会导致寄生信号的产生，从而与其他无线通信相互干扰。这些例子清楚地表明了射频系统和器件的非线性与其抑制同样重要。传输压缩(饱和)通常用1dB压缩点P₁来表征，即传输系数减小1dB时的输入信号电平的大小。另一方面，用截止点(IP)表征IMD特性。当信号电平远小于饱和值时，频率为f=|f.±fo1、功率为P±的IMD2信号可表示为P=P。Pa/OIP2。式中P。和P是频率为f.和f。的输出功率。OIP2称作输出二阶截止点。以dB为单位，关系式可重写为公式(3):OIP2=P+P-Pb (3)OIP2——输出二阶截止点；P——输入信号频率为f.的输出功率；P输入信号频率为f,的输出功率；P——输入信号频率为f=|f.±f₄|的输出功率。公式(3)中的所有变量单位均为dBm。同样地，当信号电平远小于饱和值时，频率为f=|2f.±f|、功率为Pz±的IMD3信号可以表示为Pz≠b=Pa²Pm/OIP3²,式中的OIP3是输出三阶截止点。以dB为单位，关系式可重写为公式(4):Pza±b——输人信号频率为f=|2f.±fo|的输出功率。公式(4)中的所有变量单位均为dBm。注意，截止点也能由输入信号电平P(=Pm)来定义：Pab=OIP2和P±b=OIP3。输入二阶和6GB/T43023—2023/IEC62761:2014三阶截止点IIP2和IIP3,它们与OIP2和OIP3的关系见公式(5)和公式(6)。IIP2=OIP2+IA (5)IIP2——输人二阶截止点；IA——器件在非常微弱的输人激励下测得的插入损耗，单位为分贝(dB)。IIP3=OIP3+IA (6)IIP3——输人三阶截止点。图3显示了P(n=1),P±(n=2)和Pza±n(n=3)随Pl(=Pm)的典型变化。OIP,和IIP。可以在两外推直线的交点获得。在这种情况下，IIP2和IIP3约为25dBm和33dBm,同时OIP2和OIP3分别约为20dBm和28dBm。图3基波和谐波输出作为输入信号功率的函数阻抗。从这些表达式中可得到公式(7)(单位dB)。IIP3=9.6+P1an……(7)P₁an-—1dB压缩点。但是该关系式不是普遍成立的，特别是在RF滤波器中。这是因为公式(2)中的所有参数，如c₁、c₂和c₃都是和频率相关的。另外，4.1中的非线性参数如IIPn和OIPn均与f.、f.和f.有关。因此，它们在RFSAW/BAW器件产生的非线性信号在测量中应被规定”。4.2非线性测量装置4.2.1谐波测量图4表示RF元件或系统N次谐波的基本测量装置。信号发生器(SG)为待测器件(DUT)提供输1)RFBAW器件根据其结构常被称为薄膜体声波谐振器(FBAR)或固态装配型谐振器(SMR)。7GB/T43023—2023/IEC62761:2014入频率为f.、功率为P.的正弦信号，采用频谱分析仪(SA)选择性检测频率为f.(=Nf.)的目标频谱成分P,。该测量应遵循以下两原则：a)信号发生器(SG)和频谱分析仪(SA)的非线性可忽略；b)阻抗匹配。应很好地定义通过DUT端口看进去的电路阻抗，不仅仅是在基频(f.)时，而且在谐波频率f=nf(a),(n≤N)时。后者对于无源RF滤波器极为重要。这是因为它们的频率选择性是由其与外围电路阻抗失配造成的，且器件的特性对电路阻抗敏感。通常使电路阻抗与测量系统阻抗率R。相等。DUT(双端口)图4谐波测量的基本装置采用合适的滤波器以有效消除非线性信号的外围电路，见图5。但是，由于引入的无源滤波器仅在通带内的阻抗呈Ro,因此，需要在滤波器和DUT之间接入一个衰减器(ATT)。ATT的接入可改善外围电路从端口1看进去的回波损耗，当ATT的标称衰减值为AdB时，回波损耗减少到2AdB。ATT的接入也导致输入信号的强度降低AdB,使得n次谐波的强度降低到nAdB。受热噪声影响，信号电平的降低可引起SA读数的波动(不准确度),增大SG输出似乎是解决这个难题的一种方法。但应确认以下两点：a)SG产生的谐波在测量中是否可以忽略不计；b)ATT的升温是否不会导致衰减电平随时间发生变化。在DUT和SA之间插入ATT的目的是抑制SA产生的谐波和SA的输入导纳变化。当然，当这些影响可以忽略不计时，ATT不是必需的。图5谐波测量的实际装置当SG输出功率不足时，需要增加功率放大器(PA)。此时，插入滤波器可能不实用。这是因为需要用较大的输出功率补偿接人的ATT的衰减，并可能造成PA的非线性更加明显。在这种情况下，插入一个隔离器(或环行器)以替代滤波器抑制DUT端口1到PA的输入阻抗的影响(见图6)。注意，由于环行器/隔离器在一定程度上会传输寄生信号，因此应充分抑制PA中产生的寄生信号。此外，由于隔离器/环行器通常工作在窄带，可能需要插入一个ATT来改善DUT端口的回波损耗。8图6使用隔离器时的测量装置图7显示了RF元件或系统IMD测量的两套装置，通常称为双音测试装置。两个由SG产生的频率分别为f.和f₀的正弦信号，施加给DUT,SA选择性的测量频率是f:的目标频谱分量P。对双端口器件，需要用功率合成器给DUT同时施加两个信号，如图7a)所示。在这两种情况下，每个SG接入一个合适的滤波器以抑制产生的非线性信号，同时避免该SG产生的IMD。由于功率合成器的特性通常与频率相关，如果有需要，可能需要在功率合成器和DUT端口1间加入ATT,从而改善DUT端口1的回波损耗。图7b)所示的三端口测量装置，在滤波器和DUT之间插入了ATT。因为无源滤波器仅在滤波器的通带具有电路阻抗R。(并不是在DUT产生的IMD信号频率处)。a)双端口DUTb)三端口DUT图7互调失真测量实际装置(双音测试)9图8显示了使用三台SG(SGa、SGb、SGc)测量IMD3的装置，通常被称为三音测量装置(三次差拍)。频率分别为f、f₀和f。的三个正弦信号同时施加给DUT,由SA选择性测量频率为f₁[=f.±(f₄-fu)]的目标频谱成分P.。滤波器、ATT和功率合成器组合使用来抑制SG产生的非线性信号，并避免SGa和SGb产生IMD,同时改善DUT端口的回波损耗及DUT产生的IMD信号频率。图8三音测试实际装置4.3电路阻抗对非线性测量的影响这里定量讨论电路阻抗的影响。举个例子，假设测量一个SAW/BAW天线双工器的IMD2,如图9所示。该天线双工器由两颗滤波器组成：a)发送(Tx)滤波器连接在端口1和2之间，在Tx频段传输信号；b)接收(Rx)滤波器连接在端口2和3之间，在Rx频段传输信号。端口1、2和3通常分别被称为Tx、天线(ANT)和Rx端口。图9SAW/BAW天线双工器IMD2测量装置对于IMD2的测量，两个频率为f.和fi的RF信号发生器SGa和SGb分别连接到端口1和端口2,分别模拟Tx和干扰信号。规定f.和f₀的值，以便：GB/T43023—2023/IEC62761:2014 f,远离Tx频段和Rx频段。这样，端口1的入射信号a将通过Tx滤波器传输到端口2,而端口2处的入射信号b在Tx和Rx滤波器中的传输将显著衰减。这意味着，端口2附近的IMD2信号主要由SAW/BAW谐振器产生，并通过Rx滤波器传输到端口3处。IMD2输出的变化主要由以下5种机制引起：a)f=f.时，在Tx端阻抗失配造成的Tx信号强度的变化；b)f=f.时，在天线端由于阻抗失配导致的天线端信号Tx的返回；c)f=f₀时天线端的阻抗失配导致干扰信号的强度变化；d)f=f₄+fi或f=f.-fi时，天线端的阻抗失配导致的天线端非线性信号的返回；e)f=f₁+f₀或f=f.-f,时，Rx端的阻抗失配导致的检测器读数的变化。当IMD2信号被认为是产生在非常接近DUT端口2处，上述这些作用导致的SA读数b的分数误差δ约为式中：F,DUT端口n看出去的外围电路的反射率。其中，S…是DUT的n端口的反射率，F,是DUT的n端口看去的外围电路的反射率，公式(8)中的上标表示频率，因为S和F,均与频率相关。图10显示了用分贝值表示的8导致的SA读数偏差范围，该范围从20lg(1-lδ|)到20lg(1+于-25dB和-31dB,从而获得的测量准确度分别优于±0.5dB和±0.25dB。在商用双工器中，Si≈0,S;≈0,S#⁰≈0和S特⁸≈0,但|SA|≈1。因此，应重视对T生的抑制；它的抑制应优于25dB(或-31dB)以获得优于±0.5dB(或±0.25dB)的测量准确度。图10δ(dB)导致的SA读数偏差范围GB/T43023—2023/IEC62761:2014这里定量讨论外围电路产生非线性信号的影响。举个例子，假设测量一个RFSAW/BAW双工器……(9)IP2pur——DUT的2阶截止点；φ——连接DUT的n端口的外围电路产生的IMD2信号的相对相位。由于|S*S₂|<<1,|SiS|<<1,而|SSl≈1,因此应重视IP2₂的抑制；图10表明，IP2₂/IP2pur应优于-25dB(或一31dB)从而获得优于±0.5dB(或±0.25dB)的测量准确度。在图4～图9所示的装置中，SG应具备以下特性：b)良好的短期稳定性(小的频率波动);c)能够与外部标准振荡信号同步(通常是10MHz)。定最大输出应充分大于测量所需的值。例如，输出500mW大约需要最大输出为5W的PA。同时，由于热噪声也来自PA,会增大SA读数的噪声电平，故不选用最大输出功率过大的PA。SA应具有良好的线性度和较宽的动态范围。最小检出电平由SA噪声水平决定，因此，应选用低噪声传统SA的分辨率带宽(RBW)可调，SA读数的热噪声电平与RBW成反比。噪声电平以10log(RBW)dB的水平降低。为了减小RBW,应充分抑制SG和/或SA的频率波动，否则波动会导致SA读频率为标准信号频率f.(通常为10MHz)乘以一个预置系数，假设所有SG和SA使用相同的频率源f.,则由f.造成的f.、f.和f,的波动可以相互抵消。目前商用射频仪器设备具备输人和输出标准信号的功能。这种技术使得在GHz范围内测量的RBW能减少到1Hz,否则，超过100Hz的波动才可能在SA显示输出上观察到。当RBW太窄时，SA读数由于f.、fi和f.之间VBW是自动设置的。一些SA提供均值功能。它存储多个测量结果并输出它们的平均值，这也能有效地抑制热噪声所造成的波动。但当频率波动没有远小于RBW时，其输出就不准确了，这就应检查在均值功能开启时SA读数是否不改变。降低RBW也导致SA响应时间(时间常数)的增加，测量数据点和频率带宽应设置为最小。网络分析仪能方便地检查DUT是否正常工作，在测量期间是否受损。矢量网络分析仪因为动态范围较高，因而比标量网络分析仪更好用，也可与带跟踪发生器的SA联合使用。5.1.4配件在非线性测量中会用到一定数量的无源器件如LPF/HPF、ATT和终接器。它们应能承受所施加的功率，且不得对所施加的信号电平产生非线性信号。一般来说，给定的应用功率下，使用更高功率的体积较大器件会表现出较低的非线性。此外，电缆、连接器转换接头、ATT和终接器的标称频率范围应较输人频率以及非线性信号的范围更宽。可变ATT能方便检查如5.3.2d)中描述的电路阻抗的影响。它应是无源的，并能以适当的步长(例如1dB)在0dB～10dB范围内变化。如果可能，还应准备参考器件。它应具有与DUT相同的通带，但具备更高的功率耐受性和较小的非线性。例如，选用体积大的介质谐振器构成的RF滤波器作为RFSAW/BAW滤波器的非线性表征的参考。5.2测量要求对于RFSAW/BAW器件的非线性测量，应规定以下几点：a)DUT类型和连接器；b)测量系统的基本配置及其与DUT的连接方式；c)电路阻抗(通常是50Ω);d)施加信号的扫描范围和频率间隔，以及SA的相应测量频率；e)施加信号的强度。需指明是在DUT的哪一个输入或输出端口。PCS双工器的IMD2测量规定a)待测器件(DUT)PCS双工器放置在带SMA连接器的PCB上。b)测量设置见图11。注意，实际操作中可能会接入滤波器、衰减器等附加元件来满足要求。1)连接连续信号源(SGa)到发送(Tx)端口频率f.:见表1强度A.:天线端口处为+21dBm2)连接连续信号源(SGb)到天线(ANT)端口频率fs:见表1强度A,:天线端口处为-15dBm3)连接频谱分析仪(SA)到接收(Rx)端口目标频率f::见表1DUT(三端口)图11RFSAW/BAW双工器理想IMD2测量装置表1输入信号频率f.和f。及目标频率f,频率第一次设置第二次设置第三次设置 第四次设置第五次设置f./MHz5MHz步长fu/MHz(上变频)80保持不变fs/MHz(下变频)10MHz步长f₁/MHz5MHz步长通过测量DUT的插入损耗和回波损耗，检查DUT是否正常工作。测量装