無源互調測量面臨的問題

傅曉明，張需溥

（1.武漢網銳檢測科技有限公司，湖北 武漢 430205；2.杭州紫光通信絡技術有限公司，浙江 杭州 310053）

0 引 言

由無源器件（如同軸電纜、波導、連接器、合路器及天線等）的非線性產生的互調稱為無源互調（Passive Intermodulation，PIM）[1-2]，在無源器件中主要有兩種無源非線性，即接觸非線性和材料非線性。接觸非線性為具有非線性電流/電壓行為的接觸，如松動、氧化和腐蝕連接等；材料非線性是指具有非線性特性的材料如鐵磁材料和碳纖維。

近十年來，隨著移動通信系統(tǒng)的增加和技術的發(fā)展，無源互調干擾問題被越來越多地研究。相比于有源互調，無源互調的產生機理非常復雜，一直到現(xiàn)在還未完全清楚。在這種情況下，對無源互調的測量變得非常重要。一方面，測量所得的數據可以用來進行高階預測，另一方面能夠為研究無源互調機理提供依據。國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）（TC46/WG6）在1999 年9 月頒布IEC 62037 標準，主要針對射頻連接器、連接器電纜組件和電纜的互調電平測量。在此之前，國際上尚無統(tǒng)一的測量方法。嚴格意義上講，IEC 62037 還不能成為測試標準，因為目前對無源互調的測量理論和方法都處于起步階段，測量方法也不夠成熟，標準本身需要一個持續(xù)完善的過程。隨著移動通信技術的發(fā)展，無源互調測量可能出現(xiàn)一些新的問題。對這些問題的解決將有助于推動對互調機理的研究。

1 測量系統(tǒng)面臨的問題

根據IEC 62037 推薦方法，國內外都有符合標準要求的測量儀表推向市場。國外有SUMMITEK，國內有紫光網絡等公司的產品。這些儀表在一定程度上能夠滿足移動通信測量的需求，但移動通信技術的發(fā)展又給無源互調測量系統(tǒng)帶來新的挑戰(zhàn)。

1.1 測量范圍

測量包括兩個方面，一個是發(fā)射機的功率范圍，另一個是接收機的動態(tài)范圍。IEC 測試標準中建議發(fā)射功率為43 dBm（20 W）。顯然，這是針對早期的基站而言。雖然直到現(xiàn)在，這個功率等級依然適合大多數器件的測量，但隨著移動通信向5G的過渡，需要更高功率的輸出。譬如NR 系統(tǒng)，其峰均比大約為105，射頻信號的峰值功率遠遠大于平均功率。因此，除43 dBm 外，測量系統(tǒng)需要支持50 dBm 甚至53 dBm 的功率輸出，而目前大部分廠商的互調測試儀表還不能完全支持穩(wěn)定可靠的大功率輸出。從理論上講，功率每增加1 dB，互調電平增加3 dB。但對于無源互調，并不完全遵循此規(guī)律。無源器件的互調產物具有門限效應，輸入功率大于某一門限值時，互調產物電平會突變，因此測量中不能用小功率測量來代替大功率測量。另外，對PIM 機理的研究表明，PIM 具有隨時間變化的特性[3]。一類是突發(fā)性的，在2～3 s 的時間間隔內能觀測到這些突發(fā)；另外一類是連貫性的，由于射頻熱效應導致PIM 隨時間變化，為了觀測到這種變化，互調儀需要連續(xù)長時間（超過24 小時）工作在大功率情況下，而不是短時間開關測試，這對測量設備的可靠性和穩(wěn)定性提出新的挑戰(zhàn)。

無源互調分析儀都有一個線性工作區(qū)，由接收機的動態(tài)范圍決定。一般互調儀接收機的動態(tài)范圍為-75～135 dBm，相對于43 dBm 為-108～-178 dBc，如果輸入到接收機的PIM 產物大于-75 dBm，測量誤差將增大。典型的無源器件如功率分配器、合路器及耦合器等，互調產物同產在-140～-110 dBc，因此以上范圍是適合的。但對于鐵氧體器件，環(huán)形器和其互調產物遠大于-75 dBm，不能直接用來測量。在這種情況下，一方面可以通過提高接收機動態(tài)范圍來解決問題，另外一方面可通過測試方法改進來解決。

對于高互調產物電平的測量，可以用如圖1 所示的方法[4]。雙載波和互調信號都進入端口2，但是功率電平得到衰減。定向耦合器必須有足夠低的固有互調特性，其耦合度為30 dB 左右，測量前首先要連接定向耦合器到互調儀的兩端口做殘余互調的檢查。圖1 是傳輸互調測試框圖，圖2 是反射互調測試框圖。在圖2 中，定向耦合器要反接。

圖1 寬帶匹配傳輸互調測試

圖2 寬帶匹配反射互調測試

1.2 測量精度

與測量精度相關的因素是輸出功率和系統(tǒng)的殘余互調。對于輸出功率，推薦使用通過式功率計進行校準，頻譜儀并不是合適的選擇，因為頻譜儀的測量精度通過為±1 dB，另外功率輸出必須保持穩(wěn)定，否則也會影響測量精度。

測量系統(tǒng)自身的互調值是系統(tǒng)最主要指標之一，系統(tǒng)的殘余互調與被測件互調之間的差值決定了測量結果的精度。一般測量系統(tǒng)的殘余互調在-165 dBc@43 dBm 左右，IEC 建議的系統(tǒng)剩余互調與被測件之間的差值為10 dB，在這種情況下測量誤差為-3.3～2.4 dB。一般無源器件的互調高于殘余互調20 dB 以上，測量誤差較小。但是3G 通信系統(tǒng)中，由于發(fā)射功率大并且接收機靈敏度低，對無源器件的互調值提出了更為苛刻的要求，一般要求小于-153 dBc@43 dBm，甚至要求小于-160 dBc@43 dBm，在這種情況下，與測量系統(tǒng)殘余互調之間的差值減小，測量誤差增大。當系統(tǒng)剩余互調與被測件之間的差值為20 dB 時，測量誤差減小為-0.9～0.8 dB。因此，要滿足3G無源器件的測試精度，建議系統(tǒng)的殘余互調低于-175 dBc@43 dBm。

除與儀表有關外，測量精度還與測量方法有關。一般二端口無源器件的測量方法如圖3 所示[5]，互調儀的端口1 和端口2 僅在測量的發(fā)射和接收頻帶內實現(xiàn)阻抗匹配，在輸出射頻載波信號的諧波頻率范圍內（除去互調儀通頻帶）將產生大的駐波，即使被測件為寬頻帶器件，這種方法也會產生一定的測量誤差。采用圖1 和圖2 的方法，可以在一定程度上解決此問題，輸出射頻載波在很寬的頻帶范圍內都是匹配的，建議耦合器耦合度在10～30 dB，過大的耦合度會使互調產物淹沒在分析儀噪聲中，過小的耦合度將增加測量誤差。

圖3 通用單頻段互調測試系統(tǒng)原理

1.3 測量方式

無源互調測量過去一般關注3 階互調產物。目前研究表明，在部分情況下，5 階和7 階互調也有可能對通信系統(tǒng)造成影響。因此，要求分析儀不僅能對3 階互調進行測量，還要能夠對更高階的互調產物進行測量。這個問題相對比較簡單，通過軟件升級，目前的測量系統(tǒng)都能支持此功能。目前的大部分無源互調測量都是在兩載頻的條件下測試，隨著無線信道的日益擁擠，多載頻的無源互調測量也有必要列入有關測量標準。

在一些功率合成系統(tǒng)中，當兩個大功率信號同時作用于合路系統(tǒng)的輸入和輸出端時，在輸出端將會產生很大的互調產物。在多系統(tǒng)合路平臺中，情況更為復雜。各種不同頻段的信號同時進入系統(tǒng)，除了本頻段的干擾外，還會產生跨頻段的干擾。2008 年10 月份，工業(yè)和信息化部發(fā)布關于移動通信網絡共建共享的通知，在此背景下，跨頻段的互調干擾將會更加突出，譬如電信CDMA 信號對移動GSM 信號的干擾。目前的測量系統(tǒng)原理如圖3 所示，采用這種工作方式的儀表，只支持單向的功率輸出，將兩個信號合路后從一個方向同時注入被測器件，并且這種方式不支持跨頻段的測試。

圖4 給出一種雙向功率輸出測量系統(tǒng)，可以測量CDMA 和GSM 跨頻段互調干擾。CDMA 和GSM信號分別經多工器1 和多工器2 的P1 端口輸入，P4 端口輸出，P2 端口則為另外一路信號提供通路，P3 端口對應CDMA 或GSM 的接收頻段。

圖4 跨頻段交叉互調測試系統(tǒng)原理

目前的測量系統(tǒng)只關注落到接收頻帶內的互調產物，不支持對落到發(fā)射頻帶的互調產物的測量。CDMA/GSM/DCS 的三階互調會落到各自的接收頻帶，對于WCDMA 系統(tǒng)，其發(fā)射頻帶為2 110～ 2 170 MHz，接收頻帶為1 920～1 980 MHz，三階互調產生的范圍為2 050～2 200 MHz，不能落到接收頻帶。盡管如此，由于WCDMA 系統(tǒng)是一種自干擾系統(tǒng)，并且載波的峰均比達到105以上，在這種情況下，如果發(fā)射頻段產生一個-110 dBm 的互調干擾信號，由于接近系統(tǒng)有用信號的最小幅度，就可能會對系統(tǒng)造成影響。TDS-CDMA 系統(tǒng)由于收發(fā)信道公用，也會產生位于發(fā)射（接收）頻段附近的互調產物。如圖3 所示，互調儀內部一般采用雙工器和濾波器分離互調CDMA/GSM/DCS 信號，而對于WCDMA 和TDS-CDMA 信號，則不能用此方式來分離互調信號，需要用雙工器代替耦合器，濾波器代替可調帶通濾波器，這將大大增大測量系統(tǒng)的制造難度。

1.4 儀表功能

目前的互調分析儀僅具備頻域功能，能夠滿足對PIM 機理進行研究及測試驗證需要。但是在工程施工中，并不是對單一器件測試，而是需要對整個分配網絡的互調產物進行測試。在這種情況下，不僅需要得到互調干擾信號的頻率和幅度，也需要能夠對無源互調干擾源進行定位[6]，與網絡分析儀故障定位功能類似，可采用基于脈沖反射計原理的方法確定無源互調干擾源位置，總的來說，目前國內外對于這方面的研究不多。

隨著便攜式工程型互調儀出現(xiàn)在市場，時域定位功能將是一個不得不考慮的問題。

2 結 語

從原理上看，PIM 的測量方法與有源器件的互調測試方法類似，但是由于無源器件本身對測量的特殊要求和PIM 機理的復雜性，使測量系統(tǒng)的結構更復雜，要求也更高。目前已有越來越多的無源器件制造商和基站制造商開始關注這個指標，相信在不遠的將來，會有更為合適的、能夠部分或全部解決以上四方面問題的無源互調測量系統(tǒng)誕生。