無(wú)源互調(diào)測(cè)量及解決方案

1 概述

無(wú)源器件會(huì)產(chǎn)生非線性互調(diào)失真嗎?答案是肯定的!盡管還沒(méi)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(wú)源器件存在互調(diào)失真，并且會(huì)對(duì)通信系統(tǒng)(尤其是蜂窩系統(tǒng))產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。

無(wú)源互調(diào)(PassiveInter-Modulation，PIM)是由發(fā)射系統(tǒng)中各種無(wú)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(wú)源器件的非線性會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于工作頻率的更高次諧波，這些諧波與工作頻率混合會(huì)產(chǎn)生一組新的頻率，其最終結(jié)果就是在空中產(chǎn)生一組無(wú)用的頻譜從而影響正常的通信。

所有的無(wú)源器件都會(huì)產(chǎn)生互調(diào)失真。無(wú)源互調(diào)產(chǎn)生的原因很多，如機(jī)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(wú)源器件互調(diào)問(wèn)題。但是，隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)新頻率的不斷規(guī)劃、更大功率發(fā)射機(jī)的應(yīng)用和接收機(jī)靈敏度的不斷提高，無(wú)源互調(diào)產(chǎn)生的系統(tǒng)干擾日益嚴(yán)重，因此越來(lái)越被運(yùn)營(yíng)商、系統(tǒng)制造商和器件制造商所關(guān)注。

長(zhǎng)期以來(lái)，無(wú)源器件的互調(diào)失真測(cè)量技術(shù)一直被國(guó)外公司所掌握，并壟斷了測(cè)量產(chǎn)品市場(chǎng)。今天這種局面發(fā)生了變化，無(wú)源互調(diào)測(cè)量技術(shù)難關(guān)已經(jīng)被中國(guó)本土的射頻工程師們攻克，而且低成本的商用無(wú)源互調(diào)測(cè)量系統(tǒng)也已誕生。

2 無(wú)源互調(diào)的表達(dá)方式

無(wú)源互調(diào)有絕對(duì)值和相對(duì)值兩種表達(dá)方式。絕對(duì)值表達(dá)方式是指以dBm為單位的無(wú)源互調(diào)的絕對(duì)值大小;相對(duì)值表達(dá)方式是指無(wú)源互調(diào)值與其中一個(gè)載頻的比值(這是因?yàn)闊o(wú)源器件的互調(diào)失真與載頻功率的大小有關(guān))，用dBc來(lái)表示。

典型的無(wú)源互調(diào)指標(biāo)是在兩個(gè)43dBm的載頻功率同時(shí)作用到被測(cè)器件DUT時(shí)，DUT產(chǎn)生-110dBm(絕對(duì)值)的無(wú)源互調(diào)失真，其相對(duì)值為-153dBc。

3 無(wú)源互調(diào)測(cè)量方法

由于無(wú)源互調(diào)值非常小，因此無(wú)源互調(diào)的測(cè)量非常困難。到目前為止，無(wú)源互調(diào)的測(cè)量項(xiàng)目和測(cè)量方法尚無(wú)相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，通常都是采用IEC推薦的測(cè)量方法。IEC推薦的正向和反射互調(diào)產(chǎn)物的測(cè)量方法分別如圖1和2所示。

圖1 正向互調(diào)測(cè)量示意

圖2　反射互調(diào)測(cè)量示意

圖1表示一個(gè)兩端口或多端口器件在兩個(gè)大功率信號(hào)的同時(shí)作用下所產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物。絕大部分的無(wú)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(cè)量。圖2表示一個(gè)單端口器件在兩個(gè)大功率信號(hào)的同時(shí)作用下所產(chǎn)生的反射互調(diào)產(chǎn)物。天線和負(fù)載可以采用這種方法測(cè)量。

4 無(wú)源互調(diào)測(cè)量面臨的新挑戰(zhàn)

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

(1)反向互調(diào)測(cè)量

在一些功率合成系統(tǒng)或者多載頻的共用系統(tǒng)中，當(dāng)兩個(gè)大功率信號(hào)同時(shí)作用于一個(gè)兩端口器件的輸入和輸出端時(shí)，在輸出端口將會(huì)產(chǎn)生很大的互調(diào)產(chǎn)物。在多系統(tǒng)合路平臺(tái)(POI)系統(tǒng)中情況更為復(fù)雜。各種不同頻段的載頻同時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)，除了本頻段的互調(diào)干擾外，還會(huì)產(chǎn)生跨頻段的互調(diào)干擾。因此，需要進(jìn)行圖3所示的無(wú)源器件反向互調(diào)測(cè)量。

圖3 無(wú)源器件的反向互調(diào)測(cè)量

(2)測(cè)量范圍

典型的無(wú)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～-100dBm，也就是相對(duì)于43dBm測(cè)量條件下的-163～-143dBc;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(dá)-60dBc甚至更大。對(duì)于前一類器件，不要求測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍太大。目前同類產(chǎn)品的互調(diào)測(cè)量上限是-65dBm，也就是43 dBm條件下的-108 dBc。對(duì)于后一類器件，可以采用通用的頻譜分析儀測(cè)量。頻譜分析儀是一種通用的射頻分析儀器，也稱為“射頻萬(wàn)用表”。既然獲此美譽(yù)，頻譜分析儀的動(dòng)態(tài)范圍必定足夠大。即使是低端頻譜分析儀，測(cè)量范圍也可以達(dá)到-150～30 dBm。

(3)測(cè)量精度

對(duì)于無(wú)源互調(diào)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度，雖然目前還沒(méi)有相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，但是無(wú)源互調(diào)的測(cè)量精度依然是有章可循的。與測(cè)量精度有關(guān)的因素有功率校準(zhǔn)和系統(tǒng)的剩余互調(diào)。

l功率校準(zhǔn)

功率校準(zhǔn)對(duì)于測(cè)量精度有很大關(guān)系。從理論上說(shuō)，載頻增加1dB，互調(diào)產(chǎn)物增加3dB。在IEC推薦的測(cè)量方法中，建議加載到DUT的測(cè)量功率是每載頻43dBm，這個(gè)值已經(jīng)成為行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量功率。隨著通信系統(tǒng)功率的不斷增加，參照功率標(biāo)準(zhǔn)并非一成不變，可能會(huì)出現(xiàn)更高的參照功率標(biāo)準(zhǔn)。

要準(zhǔn)確校準(zhǔn)測(cè)量端的功率，頻譜分析儀不是最合適的選擇，因?yàn)轭l譜分析儀的幅度測(cè)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(guò)±1dB。大功率測(cè)量的最佳手段莫過(guò)于通過(guò)式功率計(jì)，這種功率計(jì)采用高方向性的定向耦合器，可以提供大功率在線測(cè)量。

l系統(tǒng)的剩余互調(diào)

測(cè)量系統(tǒng)自身的剩余互調(diào)值是系統(tǒng)的最主要指標(biāo)之一。系統(tǒng)剩余互調(diào)和DUT互調(diào)之間的差值決定了測(cè)量結(jié)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10dB，這意味著系統(tǒng)的測(cè)量誤差為+2.4/-3.3dB。在小互調(diào)測(cè)量情況下，這個(gè)誤差完全可以接受。對(duì)于大互調(diào)測(cè)量(大于-80dBc時(shí))，

10dB的余量似乎小了些，20dB比較合理。

5 無(wú)源互調(diào)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要考慮的要素

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

(1)測(cè)量端功率的幅度

測(cè)量端功率大小的設(shè)置原則應(yīng)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(shuō)明，加載到DUT的測(cè)量功率為2×43dBm。顯然，這是針對(duì)早期的基站而言，直到現(xiàn)在，這個(gè)功率等級(jí)依然適用于大多數(shù)器件的測(cè)量。隨著新的數(shù)字蜂窩通信標(biāo)準(zhǔn)的不斷誕生，出現(xiàn)了更大幅度和更大范圍的功率等級(jí)。如CDMA和WCDMA，由于這些調(diào)制信號(hào)具有很高的峰均功率比，為了滿足系統(tǒng)的要求，放大器的1dB壓縮點(diǎn)功率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)調(diào)制狀態(tài)下的平均功率。因此，除了43dBm以外，還出現(xiàn)了小至26 dBm和大到51 dBm條件下的測(cè)量要求。

(2)載頻的數(shù)量

絕大部分無(wú)源互調(diào)測(cè)量都是在兩載頻的條件下進(jìn)行的，但是也有四載頻條件下的測(cè)量。隨著無(wú)線信道的日益擁擠，多載頻的無(wú)源互調(diào)測(cè)量可能在不久的將來(lái)被列入有關(guān)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。

(3)測(cè)量功率流的方向

將兩個(gè)載頻合成后從一個(gè)方向同時(shí)注入DUT，這已經(jīng)是無(wú)源互調(diào)測(cè)量的慣性思維了。但是在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)中的器件要承受來(lái)自不同方向的功率。對(duì)于這一點(diǎn)，早期的無(wú)源互調(diào)測(cè)量系統(tǒng)并沒(méi)有考慮到。

(4)頻率配置

早期，測(cè)量者關(guān)心的是落在接收頻段的互調(diào)，如今越來(lái)越關(guān)心落入發(fā)射頻段的互調(diào)。一些標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)源互調(diào)測(cè)量系統(tǒng)只能測(cè)量落入接收頻段的互調(diào)，對(duì)于落入發(fā)射頻段的互調(diào)測(cè)量無(wú)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(duì)于無(wú)源互調(diào)測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，除了接收頻段外，發(fā)射頻段和跨頻段的互調(diào)分析和測(cè)量也是需要考慮的重要因素。

(5)測(cè)量范圍

這個(gè)問(wèn)題在前面已經(jīng)有詳細(xì)的描述。頻譜分析儀自身的測(cè)量范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)專用的測(cè)量接收機(jī)。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(wú)源互調(diào)測(cè)量解決

方案

經(jīng)過(guò)不懈的努力，上海創(chuàng)遠(yuǎn)信息技術(shù)股份有限公司成功開發(fā)了第一套本土化的商用無(wú)源互調(diào)測(cè)量系統(tǒng)—PIM系統(tǒng)。PIM測(cè)量系統(tǒng)是參照了IEC推薦的測(cè)量方法并結(jié)合當(dāng)前各種新的測(cè)量要求開發(fā)的，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程完全遵循無(wú)源互調(diào)測(cè)量的“仿真原則”。

(1)共享測(cè)量平臺(tái)

PIM系統(tǒng)采用“共享平臺(tái)”設(shè)計(jì)理念，系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)采用通用的頻譜測(cè)量技術(shù)，第二層平臺(tái)分別是GSM900和DCS1800的基本測(cè)量系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上可分別升級(jí)到CDMA800和WCDMA頻段，從而覆蓋了移動(dòng)通信頻段。

得益于這種設(shè)計(jì)理念，PIM系統(tǒng)的升級(jí)和擴(kuò)容變得十分便利和經(jīng)濟(jì)。如要升級(jí)到TETRA頻段和E-GSM頻段，只要增加相應(yīng)的射頻子系統(tǒng)即可;即使要升級(jí)到450MHz和3.5GHz頻段，第一層的共享平臺(tái)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(jí)空間以開發(fā)出客戶化的測(cè)量解決方案。

(2)內(nèi)置信號(hào)源

PIM系統(tǒng)內(nèi)置信號(hào)源，這種信號(hào)源是根據(jù)測(cè)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(jié)構(gòu)

PIM系統(tǒng)分為高度集成化和19英寸機(jī)柜兩種結(jié)構(gòu)，如圖4所示。高度集成化結(jié)構(gòu)占地面積小，適用于單一測(cè)量功能的應(yīng)用;19英寸機(jī)柜結(jié)構(gòu)更方便系統(tǒng)的升級(jí)和擴(kuò)容，每個(gè)子系統(tǒng)模塊均采用19英寸的標(biāo)準(zhǔn)插箱，可以隨心所欲地增加新的功能模塊。

(4)可調(diào)的大功率源

在正向互調(diào)測(cè)量時(shí)，作用在DUT端的測(cè)量功率可大于44dBm;在反向互調(diào)測(cè)量時(shí)，作用在DUT端的功率可高達(dá)49dBm。如果需要，系統(tǒng)功率可以提高到51.7dBm(150 W)。配合標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，測(cè)量端功率任意可調(diào)。為了保證測(cè)量精度，每個(gè)測(cè)量端的功率都經(jīng)過(guò)5012C通過(guò)式功率計(jì)的精確校準(zhǔn)。

(5)通用的基礎(chǔ)儀器

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

(6)具有針對(duì)性的測(cè)量解決方案

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

7 結(jié)束語(yǔ)

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