射頻電纜的無(wú)源互調(diào)測(cè)試

一、無(wú)源互調(diào)介紹

在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，日益增加的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信息必須在一個(gè)固定帶寬中傳輸，無(wú)源互調(diào)失真已經(jīng)成為限制系統(tǒng)容量的重要因素。就好像在有源器件中，當(dāng)兩個(gè)頻率以上的信號(hào)以一個(gè)非線(xiàn)性形式混合在一起時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一些偽信號(hào)，這就是無(wú)源互調(diào)信號(hào)。當(dāng)這些偽互調(diào)信號(hào)落在基站的接收(上行)頻段內(nèi)時(shí)，接收機(jī)就會(huì)發(fā)生減敏現(xiàn)象。這種現(xiàn)象可以降低通話(huà)質(zhì)量，或者降低系統(tǒng)的載干比(C/I)，從而減少通信系統(tǒng)的容量。

造成無(wú)源互調(diào)的原因很多，其中包括機(jī)械接觸不良，射頻通道中的含鐵導(dǎo)體，和射頻導(dǎo)體表面的污染。事實(shí)上，很難準(zhǔn)確預(yù)知器件的無(wú)源互調(diào)值，測(cè)量所得的數(shù)據(jù)只能用來(lái)大致描述器件的性能。由于結(jié)構(gòu)技術(shù)方面的微小改變都會(huì)導(dǎo)致互調(diào)指標(biāo)的嚴(yán)重變化，所以一些生產(chǎn)廠(chǎng)商通過(guò)對(duì)產(chǎn)品100%的檢驗(yàn)來(lái)保證基站中使用的射頻器件的無(wú)源互調(diào)水平都能滿(mǎn)足指標(biāo)要求。

當(dāng)存在兩個(gè)或兩個(gè)以上頻率時(shí)，基站的大功率傳輸通道中的每個(gè)組件和子系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生互調(diào)失真。本文僅關(guān)注其中的一種組件：集成電纜。針對(duì)集成電纜產(chǎn)生的互調(diào)失真既是有方向性的，又是依賴(lài)于頻率的理解，對(duì)于集成電纜的指標(biāo)及其在通信基站中的使用是一個(gè)非常重要的因素。

二、電纜互調(diào)測(cè)試的實(shí)現(xiàn)

一條集成電纜(或者是任何兩端口射頻器件)都有兩種無(wú)源互調(diào)響應(yīng)：反射互調(diào)和通過(guò)互調(diào)。圖1為Summitek公司的無(wú)源互調(diào)分析儀測(cè)量這兩個(gè)互調(diào)信號(hào)的原理。在SI-1900A型設(shè)備中，通過(guò)端口1向集成電纜注入兩個(gè)大功率信號(hào)，電纜的另一端與端口2連接。端口2作為這兩個(gè)大功率信號(hào)的負(fù)載，并且其無(wú)源反射互調(diào)很小，可忽略。在端口1處測(cè)量反射無(wú)源互調(diào)響應(yīng)，在端口2處測(cè)量通過(guò)(即前向)無(wú)源互調(diào)。與目前使用的大多數(shù)無(wú)源互調(diào)測(cè)試設(shè)備不同的是，Summitek公司的互調(diào)分析儀支持前向和反向互調(diào)響應(yīng)的同時(shí)測(cè)量，而不需要重新接駁。這樣可以避免重新接駁時(shí)所必須的配對(duì)和再配對(duì)操作，從而使反射響應(yīng)和通過(guò)響應(yīng)的測(cè)量誤差最小化。將該特性與Summitek分析儀的掃頻互調(diào)測(cè)量功能相結(jié)合，就可以對(duì)電纜完整的互調(diào)特性做測(cè)量了。

圖1(a) Summitek 無(wú)源互調(diào)失真分析儀對(duì)反射和通過(guò)互調(diào)響應(yīng)的測(cè)試框圖

圖1(b)用于集成電纜互調(diào)測(cè)量的分析儀圖片

三、電纜互調(diào)特性

圖2中的模型有助于對(duì)集成電纜的反射和通過(guò)互調(diào)特性的理解。

圖2 用來(lái)說(shuō)明集成電纜反射和通過(guò)互調(diào)響應(yīng)的模型

圖中的中間部分是集成電纜本身。在這個(gè)模型中，關(guān)鍵是假定集成電纜中只有接頭部分產(chǎn)生互調(diào)。換句話(huà)說(shuō)，盡管當(dāng)信號(hào)沿著電纜的長(zhǎng)度傳輸，電纜本身會(huì)產(chǎn)生損耗和群時(shí)延，但是相對(duì)于接頭，電纜本身不產(chǎn)生大的互調(diào)，可以用圖2中H( )的傳輸函數(shù)來(lái)表示。用IMa和IMb來(lái)表示集成電纜接頭產(chǎn)生的互調(diào)響應(yīng)。在本模型中，我們假設(shè)互調(diào)只產(chǎn)生在每個(gè)接頭中單一的一點(diǎn)上，并且假設(shè)互調(diào)一旦產(chǎn)生后，其雙向傳輸是等能量傳輸?shù)摹?/p>

模型的左邊是端口1，該端口用來(lái)將兩個(gè)+43dBm的信號(hào)注入集成電纜(見(jiàn)圖1(a)的框圖)。這兩個(gè)信號(hào)在圖2中表示為向量A1和A2。無(wú)源互調(diào)測(cè)試系統(tǒng)本身也會(huì)產(chǎn)生互調(diào)，用向量IM1表示。注意，和該模型中的其他互調(diào)響應(yīng)一樣，IM1響應(yīng)也是自其產(chǎn)生處雙向傳輸?shù)摹＜俣?，端?的互調(diào)響應(yīng)和電纜a端的互調(diào)是協(xié)同定位的，換句話(huà)說(shuō)，這兩個(gè)互調(diào)源之間的電磁波距離可以忽略不計(jì)。

模型的右邊是端口2，該端口也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)不希望出現(xiàn)的小互調(diào)能量，以IM2表示。所有用于端口1的假設(shè)同樣適用于端口2。通觀(guān)完整的集成電纜無(wú)源互調(diào)的測(cè)量模型，以下幾條值得關(guān)注：

每個(gè)測(cè)試端口都有與其相關(guān)的4個(gè)互調(diào)響應(yīng)。其中兩個(gè)是接頭末端產(chǎn)生的，另兩個(gè)是互調(diào)分析儀自身產(chǎn)物。

電纜b端的互調(diào)(IMb)和端口2的互調(diào)(IM2)會(huì)通過(guò)電纜反向傳輸，從而產(chǎn)生的反射互調(diào)響應(yīng)可以在端口1處測(cè)量。

電纜a端的互調(diào)(IMa)和端口1的互調(diào)(IM1)會(huì)通過(guò)電纜進(jìn)行傳輸，從而產(chǎn)生的通過(guò)互調(diào)響應(yīng)可以在端口2處測(cè)量。

通過(guò)這個(gè)模型，集成電纜的互調(diào)值就可以被確定了。

四、使用模型預(yù)計(jì)互調(diào)特性

雖然預(yù)計(jì)一個(gè)給定的射頻器件的互調(diào)絕對(duì)值是非常困難的，但是單個(gè)互調(diào)源之間的相互作用在圖2的模型中可以很容易地被表現(xiàn)出來(lái)。

首先，我們已經(jīng)知道了每一個(gè)互調(diào)源的三階互調(diào)公式。以端口1和電纜a端的響應(yīng)開(kāi)始，互調(diào)響應(yīng)為：

三階互調(diào)的頻率為：

w3 ≡2ω2 −ω1

其中

t：時(shí)間

IM1：端口1的三階互調(diào)響應(yīng)

IMa：電纜a端的三階互調(diào)響應(yīng)

σ1：端口1的互調(diào)系數(shù)，即端口1(=10[dBc/20.])的dBc響應(yīng)的簡(jiǎn)單數(shù)字轉(zhuǎn)化

σa：端口a的互調(diào)系數(shù)，即端口a(=10[dBc/20.])的dBc響應(yīng)的簡(jiǎn)單數(shù)字轉(zhuǎn)化

ω1, 2, 3：分別為載波1，載波2和產(chǎn)生的三階互調(diào)響應(yīng)的頻率弧度

電纜b端和端口2的互調(diào)響應(yīng)相對(duì)稍微復(fù)雜。兩個(gè)載波產(chǎn)生的互調(diào)響應(yīng)可以通過(guò)電纜傳輸函數(shù)H(w)表示。為了簡(jiǎn)化公式，和消除非線(xiàn)性功率對(duì)互調(diào)產(chǎn)物及其載波的影響，假設(shè)電纜是無(wú)損耗的。在公式中，這個(gè)假設(shè)表示為：

|H(w) |= 1

當(dāng)最終結(jié)果出來(lái)時(shí)，這個(gè)假設(shè)對(duì)于模型精確度的影響是非常顯著的。

即使假設(shè)電纜是無(wú)損耗的，電纜產(chǎn)生的群時(shí)延還是被包含在模型中的，具體如下式：

其中：

k：與頻率有關(guān)的通過(guò)電纜(2p/l)的電磁波數(shù)

v：同軸電纜的傳輸速率

L：電纜的長(zhǎng)度

電纜b端和端口2的互調(diào)響應(yīng)表示為：

當(dāng)公式中IMa、IM1、IMb、和IM2已知，落在端口2上，總的通過(guò)(前向)互調(diào)表達(dá)式為：

上式表示同時(shí)落在互調(diào)測(cè)試設(shè)備端口2上的四個(gè)互調(diào)響應(yīng)，不依賴(lài)于互調(diào)頻率。假設(shè)單獨(dú)的互調(diào)源是不依賴(lài)于頻率的，且電纜的損耗是一個(gè)常數(shù)，那么整條集成電纜的通過(guò)互調(diào)響應(yīng)將不依賴(lài)于頻率。

我們可以采用相似的過(guò)程來(lái)描述反射互調(diào)響應(yīng)。反射互調(diào)響應(yīng)可以由下式來(lái)給出：

Reflected IM at Port ( 1) = IMa + IM1 + H(w)∗(IMb + IM2 )

簡(jiǎn)化為：

上式表示端口1中的反射互調(diào)響應(yīng)是端口1和電纜b端響應(yīng)的合成，加上由于電纜b端和端口2的互調(diào)響應(yīng)的合成造成的移相響應(yīng)。由于存在一個(gè)不同相位的互調(diào)源的合成向量，所以，我們認(rèn)為反射互調(diào)響應(yīng)是一個(gè)與電纜的頻率和電長(zhǎng)度有關(guān)的函數(shù)。

五、集成電纜互調(diào)響應(yīng)的測(cè)量

為了驗(yàn)證該模型，我們使用SI-1900A型無(wú)源互調(diào)失真分析儀來(lái)測(cè)量無(wú)線(xiàn)通信應(yīng)用中一種典型的集成跳線(xiàn)。該集成跳線(xiàn)長(zhǎng)1.5米，廠(chǎng)商標(biāo)注的速率因子為82%，兩端分別安裝有一個(gè)DIN-M型接頭。載波功率設(shè)置為20W/路。分析儀的自適應(yīng)邏輯電路確保了測(cè)試過(guò)程中，載波的功率變化不超過(guò)0.2dB。分析儀的底噪不超過(guò)-140dBm，即當(dāng)施加一個(gè)+43dBm的載波功率時(shí)，分析儀的互調(diào)底噪不超過(guò)-163dBc。

圖3顯示了反射和通過(guò)互調(diào)響應(yīng)的測(cè)量結(jié)果曲線(xiàn)，以及相應(yīng)的預(yù)測(cè)曲線(xiàn)。電纜每個(gè)端口上的互調(diào)響應(yīng)值，是通過(guò)假設(shè)前向互調(diào)響應(yīng)是由兩個(gè)分別在電纜兩端的等幅互調(diào)源之和組成的。反射互調(diào)響應(yīng)值僅由該模型來(lái)決定，且不用調(diào)節(jié)使之與測(cè)得的數(shù)據(jù)相匹配。

圖3：集成電纜無(wú)源互調(diào)失真的測(cè)量結(jié)果與預(yù)計(jì)曲線(xiàn)

如圖3所示，盡管預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)中的反射互調(diào)響應(yīng)0點(diǎn)的深度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)，但是總的通過(guò)和反射響應(yīng)趨勢(shì)是符合模型的預(yù)計(jì)曲線(xiàn)趨勢(shì)。這非?？赡苁怯捎谀Ｐ椭械暮?jiǎn)單假設(shè)和電纜實(shí)際性能之間的差別造成的。

1)假設(shè)在模型中的互調(diào)源是等幅的。但是實(shí)際上，電纜兩端的互調(diào)響應(yīng)可能并不是等幅的。這就導(dǎo)致了模型的互調(diào)0點(diǎn)值好于測(cè)量所得數(shù)據(jù)。

2)在這個(gè)簡(jiǎn)單的模型中，假設(shè)電纜是無(wú)損耗的，那么，當(dāng)互調(diào)從電纜的一端傳輸?shù)搅硪欢藭r(shí)，將仍然維持原始的振幅。但是實(shí)際測(cè)量中，互調(diào)從電纜的一端傳輸?shù)搅硪欢藭r(shí)，必將產(chǎn)生損耗，這就會(huì)造成電纜中兩個(gè)互調(diào)響應(yīng)的不一致，從而產(chǎn)生一個(gè)深度較淺的0點(diǎn)值。

3)假設(shè)測(cè)試設(shè)備所產(chǎn)生的互調(diào)響應(yīng)與電纜接頭的互調(diào)響應(yīng)是協(xié)同定位的。在實(shí)際測(cè)量中，由于在測(cè)試設(shè)備的端口1和端口2上使用了接頭保護(hù)器(插孔適配器)，使得測(cè)試設(shè)備和電纜接頭之間產(chǎn)生3cm的距離，進(jìn)而大約在測(cè)得的0值深度處產(chǎn)生額外的互調(diào)響應(yīng)。

六、結(jié)論

在簡(jiǎn)化的無(wú)源互調(diào)模型中，電纜的反射互調(diào)和通過(guò)互調(diào)被準(zhǔn)確的預(yù)計(jì)。而且模型預(yù)計(jì)和實(shí)際測(cè)量所得的結(jié)果之間的差異也可以很容易解釋。

負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體實(shí)現(xiàn)和器件的互調(diào)性能的工程師可以通過(guò)這些結(jié)果的應(yīng)用，來(lái)幫助理解現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室環(huán)境中的無(wú)源互調(diào)測(cè)量?；谝陨辖Y(jié)果的結(jié)論包括：

如果電纜是低損耗的，且電纜每一端產(chǎn)生的互調(diào)被認(rèn)為是基本相似的，那么一般來(lái)說(shuō)，測(cè)得的通過(guò)互調(diào)響應(yīng)比電纜任一端的響應(yīng)大6dB，而且通常與頻率無(wú)關(guān)。該響應(yīng)表現(xiàn)為電纜反射或通過(guò)互調(diào)測(cè)量中的最大(或接近最大)的互調(diào)響應(yīng)。

如果測(cè)量低損耗電纜的反射無(wú)源互調(diào)，那么測(cè)得的互調(diào)值會(huì)隨著互調(diào)頻率的改變而改變。因此，測(cè)量單一頻率的反射互調(diào)可能不能真正說(shuō)明整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的無(wú)源互調(diào)失真的影響。

合理選擇電纜的長(zhǎng)度可以導(dǎo)致互調(diào)源之間的相消干擾，從而產(chǎn)生一個(gè)低的系統(tǒng)互調(diào)響應(yīng)。這個(gè)特性可以用來(lái)選定發(fā)射機(jī)架與基站調(diào)諧箱面板間跳線(xiàn)的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)頻組分配。

當(dāng)長(zhǎng)電纜的一端產(chǎn)生的大互調(diào)響應(yīng)與電纜另一端的小互調(diào)響應(yīng)合成時(shí)，很可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與頻率高度相關(guān)的反射互調(diào)響應(yīng)。這種情況可能是因?yàn)榛局杏幸粋€(gè)由于有缺陷或設(shè)計(jì)不合理的天線(xiàn)返回的大互調(diào)信號(hào)造成的。

當(dāng)同軸電纜的溫度改變(比如，電纜的損耗發(fā)熱或者陽(yáng)光的照射)時(shí)，電纜的電長(zhǎng)度將會(huì)發(fā)生變化。這種變化會(huì)造成電纜長(zhǎng)度的增加，以及速率因子的減小。當(dāng)電纜的長(zhǎng)度變化時(shí)，使得多個(gè)互調(diào)源間的相位改變，從而造成基站雙工機(jī)接收端產(chǎn)生的互調(diào)值發(fā)生變化。那么，互調(diào)值隨溫度函數(shù)增加或減小，將會(huì)導(dǎo)致基站容量的變化。

雖然，本文以射頻集成電纜為例來(lái)說(shuō)明互調(diào)的測(cè)量，但該結(jié)論可以延伸并同樣適用于任何兩端口器件。根據(jù)器件本身傳輸函數(shù)的定義，與雙工器、濾波器或天線(xiàn)相關(guān)的互調(diào)特性也可以被確定了。