專欄文章

射頻前端之功率放大器與混頻器等屬非線性元件，當多個載波頻率傳送至此類主動元件上時，除了主訊號被放大外，亦會判隨非線性混頻現象，若訊號位準過高且坐落於接收頻段上，即會造成干擾，因此，需加以評估與重視。

通訊系統中基站端往往需要發射較大的功率將訊號傳送至接收端，使得在服務細胞涵蓋區內能保有較佳的訊號強度。因此，在射頻前端會外加功率放大器元件，甚至在毫米波頻段，需要將中頻訊號透過混頻器載至高頻段等，最後透過天線端輻射至空氣中。

然而，類似功率放大器或混頻器皆屬非線性元件，特別是功率放大器元件要求較高線性度。如圖一所示為功率放大器非線性特性，一般而言，輸入功率與輸出功率呈現線性關係，但當輸入功率超過某個特定功率值後，會呈現非線性變化，若實際功率比線性輸出功率掉1dB，則稱為P1dB增益壓縮點，此時放大器已進入飽和區。

圖一、功率放大器非線性特性

然而，一般評估功率放大器之非線性指標會以IP3來表示，IP3定義為基頻與三倍頻線性斜率延伸之假想線交點，稱為三階截斷點，亦可稱為TOI(Third-order Intercept Point)。此三階截斷點為一理論值，代表此交點為主頻訊號與三階倍頻訊號有同樣的功率位準，另外，若此截斷點越晚出現，代表此功率放大器有較佳線性度表現。

通訊系統會同時有多個載波頻率一起傳輸，當經過非線性主動元件即會造成混頻現象，如圖二所示，以兩個訊號載波f1與f2來舉例，輸出的訊號除了原有f1和f2外，同時也會產生2次諧波項次2f1、2f2 以及二階交互調變失真(second-order intermodulation distortion, IMD2)之f1±f2項次，三階交互調變失真 (簡稱IMD3)之2f1±f2、2f2±f1項次、五階交互調變失真(簡稱IMD5)之3f1±2f2、3f2±2f1項次、及七階交互調變失真(簡稱IMD7)之4f1±3f2、4f2±3f1項次…等頻率組合。

圖二、雙載波訊號之三階交互調變

而高階諧波項次可透過外部的濾波器元件濾除，唯獨交互調變失真所產生的頻率組合會鄰近主頻訊號，無法加以濾除。在無線通訊領域中特別以三階交互調變失真(IMD3)影響最大，因此，功率放大器僅需考量TOI截斷點即可。若此點位置越高，則系統受到交互調變失真影響度就會大幅降低。

 一般要獲得功率放大器IP3需要進行雙頻(Two Tone)測試，將兩個載波訊號f1與f2透過訊號產生器送至功率放大器輸入端，而輸出端連接至頻譜分析儀，並觀察2f1-f2、2f2-f1訊號位準。另外，目前儀器商所開發的高階網路分析儀已可同時取代上述兩台設備功能，在量測上將會便利許多。

參考資料

[[1] K. Chang, “RF and Microwave Wireless Systems”, John Wiley, 2000.

[2] D. M. Pozar, “Microwave and RF Design of Wireless Systems”, John Wiley, 2001.

[3] PNA-X Series Microwave Network Analyzers, [Online]. Available:  https://www.atecorp.com/atecorp/media/pdfs/data-sheets/keysight-pnax-brochurepdf.pdf