無源互調(diào)測量及解決方案

1、概述

無源器件會產(chǎn)生非線性互調(diào)失真嗎?答案是肯定的!盡管還沒有系統(tǒng)的理論分析，但是在工程中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在一定條件下無源器件存在互調(diào)失真，并且會對通信系統(tǒng)（尤其是蜂窩系統(tǒng)）產(chǎn)生嚴重干擾。

無源互調(diào)（Passive Inter-Modulation，PIM）是由發(fā)射系統(tǒng)中各種無源器件的非線性特性引起的。在大功率、多信道系統(tǒng)中，這些無源器件的非線性會產(chǎn)生相對于工作頻率的更高次諧波，這些諧波與工作頻率混合會產(chǎn)生一組新的頻率，其最終結果就是在空中產(chǎn)生一組無用的頻譜從而影響正常的通信。

所有的無源器件都會產(chǎn)生互調(diào)失真。無源互調(diào)產(chǎn)生的原因很多，如機械接觸的不可靠、虛焊和表面氧化等。

5年前，大部分射頻工程師很少提及無源器件互調(diào)問題。但是，隨著移動通信系統(tǒng)新頻率的不斷規(guī)劃、更大功率發(fā)射機的應用和接收機靈敏度的不斷提高，無源互調(diào)產(chǎn)生的系統(tǒng)干擾日益嚴重，因此越來越被運營商、系統(tǒng)制造商和器件制造商所關注。

長期以來，無源器件的互調(diào)失真測量技術一直被國外公司所掌握，并壟斷了測量產(chǎn)品市場。今天這種局面發(fā)生了變化，無源互調(diào)測量技術難關已經(jīng)被中國本土的射頻工程師們攻克，而且低成本的商用無源互調(diào)測量系統(tǒng)也已誕生。

2、無源互調(diào)的表達方式

無源互調(diào)有絕對值和相對值兩種表達方式。絕對值表達方式是指以dBm為單位的無源互調(diào)的絕對值大��；相對值表達方式是指無源互調(diào)值與其中一個載頻的比值（這是因為無源器件的互調(diào)失真與載頻功率的大小有關），用dBc來表示。

典型的無源互調(diào)指標是在兩個43 dBm的載頻功率同時作用到被測器件DUT時，DUT產(chǎn)生-110 dBm（絕對值）的無源互調(diào)失真，其相對值為-153 dBc。

3、無源互調(diào)測量方法

由于無源互調(diào)值非常小，因此無源互調(diào)的測量非常困難。到目前為止，無源互調(diào)的測量項目和測量方法尚無相應的國際標準，通常都是采用IEC推薦的測量方法。IEC推薦的正向和反射互調(diào)產(chǎn)物的測量方法分別如圖1和2所示。

圖1　正向互調(diào)測量示意

圖2　反射互調(diào)測量示意

圖1表示一個兩端口或多端口器件在兩個大功率信號的同時作用下所產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物。絕大部分的無源器件，如雙工器、濾波器、定向耦合器等都可以采用這種方法測量。圖2表示一個單端口器件在兩個大功率信號的同時作用下所產(chǎn)生的反射互調(diào)產(chǎn)物。天線和負載可以采用這種方法測量。

4、無源互調(diào)測量面臨的新挑戰(zhàn)

隨著通信技術的不斷發(fā)展，新的系統(tǒng)干擾問題不斷出現(xiàn)，給測量工作者帶來了新的挑戰(zhàn)。

（1）反向互調(diào)測量

在一些功率合成系統(tǒng)或者多載頻的共用系統(tǒng)中，當兩個大功率信號同時作用于一個兩端口器件的輸入和輸出端時，在輸出端口將會產(chǎn)生很大的互調(diào)產(chǎn)物。在多系統(tǒng)合路平臺（POI）系統(tǒng)中情況更為復雜。各種不同頻段的載頻同時進入系統(tǒng)，除了本頻段的互調(diào)干擾外，還會產(chǎn)生跨頻段的互調(diào)干擾。因此，需要進行圖3所示的無源器件反向互調(diào)測量。

圖3　無源器件的反向互調(diào)測量

（2）測量范圍

典型的無源器件，如定向耦合器、功率分配器、雙工器、連接器和電纜組件等，其互調(diào)產(chǎn)物通常在-120～-100 dBm，也就是相對于43 dBm測量條件下的-163～-143 dBc；而某些器件的互調(diào)產(chǎn)物更大，如鐵氧體器件的互調(diào)產(chǎn)物可達-60 dBc甚至更大。對于前一類器件，不要求測量系統(tǒng)的測量范圍太大。目前同類產(chǎn)品的互調(diào)測量上限是-65 dBm，也就是43 dBm條件下的-108 dBc。對于后一類器件，可以采用通用的頻譜分析儀測量。頻譜分析儀是一種通用的射頻分析儀器，也稱為“射頻萬用表”。既然獲此美譽，頻譜分析儀的動態(tài)范圍必定足夠大。即使是低端頻譜分析儀，測量范圍也可以達到-150～30 dBm。

（3）測量精度

對于無源互調(diào)測量系統(tǒng)的測量精度，雖然目前還沒有相應的國際標準，但是無源互調(diào)的測量精度依然是有章可循的。與測量精度有關的因素有功率校準和系統(tǒng)的剩余互調(diào)。

●功率校準

功率校準對于測量精度有很大關系。從理論上說，載頻增加1 dB，互調(diào)產(chǎn)物增加3 dB。在IEC推薦的測量方法中，建議加載到DUT的測量功率是每載頻43 dBm，這個值已經(jīng)成為行業(yè)的標準測量功率。隨著通信系統(tǒng)功率的不斷增加，參照功率標準并非一成不變，可能會出現(xiàn)更高的參照功率標準。

要準確校準測量端的功率，頻譜分析儀不是最合適的選擇，因為頻譜分析儀的幅度測量精度通常為±1dB，加上衰減器的影響，總的功率誤差可能超過±1 dB。大功率測量的最佳手段莫過于通過式功率計，這種功率計采用高方向性的定向耦合器，可以提供大功率在線測量。

●系統(tǒng)的剩余互調(diào)

測量系統(tǒng)自身的剩余互調(diào)值是系統(tǒng)的最主要指標之一。系統(tǒng)剩余互調(diào)和DUT互調(diào)之間的差值決定了測量結果的精度。在IEC中建議的可接受的系統(tǒng)剩余互調(diào)和DUT互調(diào)之間的差值為10 dB。這意味著系統(tǒng)的測量誤差為+2.4/-3.3 dB。在小互調(diào)測量情況下，這個誤差完全可以接受。對于大互調(diào)測量（大于-80 dBc時），10 dB的余量似乎小了些，20 dB比較合理。

5、無源互調(diào)測量系統(tǒng)的實現(xiàn)需要考慮的要素

無源互調(diào)測量實際上是在實驗室重現(xiàn)器件在實際工作條件下所產(chǎn)生的無源互調(diào)，因此，如何能逼真地模仿實際工作環(huán)境是無源互調(diào)測量系統(tǒng)的關鍵所在。要做到這一點，必須考慮以下幾大要素。

（1）測量端功率的幅度

測量端功率大小的設置原則應該是可能加載到DUT端的最大功率的上限。在IEC中提到：除非特別說明，加載到DUT的測量功率為2×43 dBm。顯然，這是針對早期的基站而言，直到現(xiàn)在，這個功率等級依然適用于大多數(shù)器件的測量。隨著新的數(shù)字蜂窩通信標準的不斷誕生，出現(xiàn)了更大幅度和更大范圍的功率等級。如CDMA和WCDMA，由于這些調(diào)制信號具有很高的峰均功率比，為了滿足系統(tǒng)的要求，放大器的1 dB壓縮點功率要遠遠超過調(diào)制狀態(tài)下的平均功率。因此，除了43 dBm以外，還出現(xiàn)了小至26 dBm和大到51 dBm條件下的測量要求。

（2）載頻的數(shù)量

絕大部分無源互調(diào)測量都是在兩載頻的條件下進行的，但是也有四載頻條件下的測量。隨著無線信道的日益擁擠，多載頻的無源互調(diào)測量可能在不久的將來被列入有關的測量標準。

（3）測量功率流的方向

將兩個載頻合成后從一個方向同時注入DUT，這已經(jīng)是無源互調(diào)測量的慣性思維了。但是在實際應用中，系統(tǒng)中的器件要承受來自不同方向的功率。對于這一點，早期的無源互調(diào)測量系統(tǒng)并沒有考慮到。

（4）頻率配置

早期，測量者關心的是落在接收頻段的互調(diào)，如今越來越關心落入發(fā)射頻段的互調(diào)。一些標準的無源互調(diào)測量系統(tǒng)只能測量落入接收頻段的互調(diào)，對于落入發(fā)射頻段的互調(diào)測量無能為力。另外，由于多制式系統(tǒng)的共存，跨頻段的互調(diào)干擾也將逐漸顯現(xiàn)。對于無源互調(diào)測量系統(tǒng)來說，除了接收頻段外，發(fā)射頻段和跨頻段的互調(diào)分析和測量也是需要考慮的重要因素。

（5）測量范圍

這個問題在前面已經(jīng)有詳細的描述。頻譜分析儀自身的測量范圍遠遠超過專用的測量接收機。此外，頻譜分析儀是通用儀器，可以充分提高資源的利用率。

6、無源互調(diào)測量解決方案

經(jīng)過不懈的努力，上海創(chuàng)遠信息技術股份有限公司成功開發(fā)了第一套本土化的商用無源互調(diào)測量系統(tǒng)——PIM系統(tǒng)。PIM測量系統(tǒng)是參照了IEC推薦的測量方法并結合當前各種新的測量要求開發(fā)的，整個設計過程完全遵循無源互調(diào)測量的“仿真原則”。

（1）共享測量平臺

PIM系統(tǒng)采用“共享平臺”設計理念，系統(tǒng)的基礎平臺采用通用的頻譜測量技術，第二層平臺分別是GSM900和DCS 1800的基本測量系統(tǒng)，在此基礎上可分別升級到CDMA800和WCDMA頻段，從而覆蓋了移動通信頻段。

得益于這種設計理念，PIM系統(tǒng)的升級和擴容變得十分便利和經(jīng)濟。如要升級到TETRA頻段和E-GSM頻段，只要增加相應的射頻子系統(tǒng)即可；即使要升級到450 MHz和3.5 GHz頻段，第一層的共享平臺依然可以利用。隨著新的通信系統(tǒng)（如POI系統(tǒng)）的不斷出現(xiàn)，PIM系統(tǒng)可以提供足夠的升級空間以開發(fā)出客戶化的測量解決方案。

（2）內(nèi)置信號源

PIM系統(tǒng)內(nèi)置信號源，這種信號源是根據(jù)測量要求的頻段而配置的，目的是為了降低用戶的投資成本。

（3）靈活的結構

PIM系統(tǒng)分為高度集成化和19英寸機柜兩種結構，如圖4所示。高度集成化結構占地面積小，適用于單一測量功能的應用；19英寸機柜結構更方便系統(tǒng)的升級和擴容，每個子系統(tǒng)模塊均采用19英寸的標準插箱，可以隨心所欲地增加新的功能模塊。

圖4　上海創(chuàng)遠公司開發(fā)生產(chǎn)的PIM測量系統(tǒng)

（4）可調(diào)的大功率源

在正向互調(diào)測量時，作用在DUT端的測量功率可大于44 dBm；在反向互調(diào)測量時，作用在DUT端的功率可高達49 dBm。如果需要，系統(tǒng)功率可以提高到51.7 dBm（150 w）。配合標準信號源，測量端功率任意可調(diào)。為了保證測量精度，每個測量端的功率都經(jīng)過5012C通過式功率計的精確校準。

（5）通用的基礎儀器

除內(nèi)置信號源外，PIM系統(tǒng)還兼容通用的基礎射頻儀器，從而保證了系統(tǒng)的通用性和可擴展性。

（6）具有針對性的測量解決方案

除具備IEC推薦的基本測量方法外，PIM系統(tǒng)還提供了大量具有極強針對性的測量解決方案，包括發(fā)射頻段的互凋測量、反向互調(diào)測量、諧波測量、POI系統(tǒng)的互調(diào)測量和更大功率的合成應用等。

7、結束語

無源器件互調(diào)失真的分析和測量比較復雜。根據(jù)無源互調(diào)測量的“仿真原則”，一套無源互調(diào)測量系統(tǒng)應具有組合功能，具有良好的兼容性和升級的便利性，上海創(chuàng)遠信息技術股份有限公司開發(fā)的PIM無源互調(diào)測量系統(tǒng)很好地滿足了這幾大方面的要求。