無源互調(diào)測(cè)量面臨的問題

傅曉明，張需溥

（1.武漢網(wǎng)銳檢測(cè)科技有限公司，湖北 武漢 430205；2.杭州紫光通信絡(luò)技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310053）

0 引 言

由無源器件（如同軸電纜、波導(dǎo)、連接器、合路器及天線等）的非線性產(chǎn)生的互調(diào)稱為無源互調(diào)（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(dòng)、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(dòng)通信系統(tǒng)的增加和技術(shù)的發(fā)展，無源互調(diào)干擾問題被越來越多地研究。相比于有源互調(diào)，無源互調(diào)的產(chǎn)生機(jī)理非常復(fù)雜，一直到現(xiàn)在還未完全清楚。在這種情況下，對(duì)無源互調(diào)的測(cè)量變得非常重要。一方面，測(cè)量所得的數(shù)據(jù)可以用來進(jìn)行高階預(yù)測(cè)，另一方面能夠?yàn)檠芯繜o源互調(diào)機(jī)理提供依據(jù)。國(guó)際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission，IEC）（TC46/WG6）在1999 年9 月頒布IEC 62037 標(biāo)準(zhǔn)，主要針對(duì)射頻連接器、連接器電纜組件和電纜的互調(diào)電平測(cè)量。在此之前，國(guó)際上尚無統(tǒng)一的測(cè)量方法。嚴(yán)格意義上講，IEC 62037 還不能成為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槟壳皩?duì)無源互調(diào)的測(cè)量理論和方法都處于起步階段，測(cè)量方法也不夠成熟，標(biāo)準(zhǔn)本身需要一個(gè)持續(xù)完善的過程。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，無源互調(diào)測(cè)量可能出現(xiàn)一些新的問題。對(duì)這些問題的解決將有助于推動(dòng)對(duì)互調(diào)機(jī)理的研究。

1 測(cè)量系統(tǒng)面臨的問題

根據(jù)IEC 62037 推薦方法，國(guó)內(nèi)外都有符合標(biāo)準(zhǔn)要求的測(cè)量?jī)x表推向市場(chǎng)。國(guó)外有SUMMITEK，國(guó)內(nèi)有紫光網(wǎng)絡(luò)等公司的產(chǎn)品。這些儀表在一定程度上能夠滿足移動(dòng)通信測(cè)量的需求，但移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展又給無源互調(diào)測(cè)量系統(tǒng)帶來新的挑戰(zhàn)。

1.1 測(cè)量范圍

測(cè)量包括兩個(gè)方面，一個(gè)是發(fā)射機(jī)的功率范圍，另一個(gè)是接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。IEC 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中建議發(fā)射功率為43 dBm（20 W）。顯然，這是針對(duì)早期的基站而言。雖然直到現(xiàn)在，這個(gè)功率等級(jí)依然適合大多數(shù)器件的測(cè)量，但隨著移動(dòng)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(hào)的峰值功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平均功率。因此，除43 dBm 外，測(cè)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(diào)測(cè)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(diào)電平增加3 dB。但對(duì)于無源互調(diào)，并不完全遵循此規(guī)律。無源器件的互調(diào)產(chǎn)物具有門限效應(yīng)，輸入功率大于某一門限值時(shí)，互調(diào)產(chǎn)物電平會(huì)突變，因此測(cè)量中不能用小功率測(cè)量來代替大功率測(cè)量。另外，對(duì)PIM 機(jī)理的研究表明，PIM 具有隨時(shí)間變化的特性[3]。一類是突發(fā)性的，在2～3 s 的時(shí)間間隔內(nèi)能觀測(cè)到這些突發(fā)；另外一類是連貫性的，由于射頻熱效應(yīng)導(dǎo)致PIM 隨時(shí)間變化，為了觀測(cè)到這種變化，互調(diào)儀需要連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間（超過24 小時(shí)）工作在大功率情況下，而不是短時(shí)間開關(guān)測(cè)試，這對(duì)測(cè)量設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性提出新的挑戰(zhàn)。

無源互調(diào)分析儀都有一個(gè)線性工作區(qū)，由接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍決定。一般互調(diào)儀接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍為-75～135 dBm，相對(duì)于43 dBm 為-108～-178 dBc，如果輸入到接收機(jī)的PIM 產(chǎn)物大于-75 dBm，測(cè)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(diào)產(chǎn)物同產(chǎn)在-140～-110 dBc，因此以上范圍是適合的。但對(duì)于鐵氧體器件，環(huán)形器和其互調(diào)產(chǎn)物遠(yuǎn)大于-75 dBm，不能直接用來測(cè)量。在這種情況下，一方面可以通過提高接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍來解決問題，另外一方面可通過測(cè)試方法改進(jìn)來解決。

對(duì)于高互調(diào)產(chǎn)物電平的測(cè)量，可以用如圖1 所示的方法[4]。雙載波和互調(diào)信號(hào)都進(jìn)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(diào)特性，其耦合度為30 dB 左右，測(cè)量前首先要連接定向耦合器到互調(diào)儀的兩端口做殘余互調(diào)的檢查。圖1 是傳輸互調(diào)測(cè)試框圖，圖2 是反射互調(diào)測(cè)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(diào)測(cè)試

圖2 寬帶匹配反射互調(diào)測(cè)試

1.2 測(cè)量精度

與測(cè)量精度相關(guān)的因素是輸出功率和系統(tǒng)的殘余互調(diào)。對(duì)于輸出功率，推薦使用通過式功率計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，頻譜儀并不是合適的選擇，因?yàn)轭l譜儀的測(cè)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(huì)影響測(cè)量精度。

測(cè)量系統(tǒng)自身的互調(diào)值是系統(tǒng)最主要指標(biāo)之一，系統(tǒng)的殘余互調(diào)與被測(cè)件互調(diào)之間的差值決定了測(cè)量結(jié)果的精度。一般測(cè)量系統(tǒng)的殘余互調(diào)在-165 dBc@43 dBm 左右，IEC 建議的系統(tǒng)剩余互調(diào)與被測(cè)件之間的差值為10 dB，在這種情況下測(cè)量誤差為-3.3～2.4 dB。一般無源器件的互調(diào)高于殘余互調(diào)20 dB 以上，測(cè)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(jī)靈敏度低，對(duì)無源器件的互調(diào)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(cè)量系統(tǒng)殘余互調(diào)之間的差值減小，測(cè)量誤差增大。當(dāng)系統(tǒng)剩余互調(diào)與被測(cè)件之間的差值為20 dB 時(shí)，測(cè)量誤差減小為-0.9～0.8 dB。因此，要滿足3G無源器件的測(cè)試精度，建議系統(tǒng)的殘余互調(diào)低于-175 dBc@43 dBm。

除與儀表有關(guān)外，測(cè)量精度還與測(cè)量方法有關(guān)。一般二端口無源器件的測(cè)量方法如圖3 所示[5]，互調(diào)儀的端口1 和端口2 僅在測(cè)量的發(fā)射和接收頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，在輸出射頻載波信號(hào)的諧波頻率范圍內(nèi)（除去互調(diào)儀通頻帶）將產(chǎn)生大的駐波，即使被測(cè)件為寬頻帶器件，這種方法也會(huì)產(chǎn)生一定的測(cè)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(nèi)都是匹配的，建議耦合器耦合度在10～30 dB，過大的耦合度會(huì)使互調(diào)產(chǎn)物淹沒在分析儀噪聲中，過小的耦合度將增加測(cè)量誤差。

圖3 通用單頻段互調(diào)測(cè)試系統(tǒng)原理

1.3 測(cè)量方式

無源互調(diào)測(cè)量過去一般關(guān)注3 階互調(diào)產(chǎn)物。目前研究表明，在部分情況下，5 階和7 階互調(diào)也有可能對(duì)通信系統(tǒng)造成影響。因此，要求分析儀不僅能對(duì)3 階互調(diào)進(jìn)行測(cè)量，還要能夠?qū)Ω唠A的互調(diào)產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)量。這個(gè)問題相對(duì)比較簡(jiǎn)單，通過軟件升級(jí)，目前的測(cè)量系統(tǒng)都能支持此功能。目前的大部分無源互調(diào)測(cè)量都是在兩載頻的條件下測(cè)試，隨著無線信道的日益擁擠，多載頻的無源互調(diào)測(cè)量也有必要列入有關(guān)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。

在一些功率合成系統(tǒng)中，當(dāng)兩個(gè)大功率信號(hào)同時(shí)作用于合路系統(tǒng)的輸入和輸出端時(shí)，在輸出端將會(huì)產(chǎn)生很大的互調(diào)產(chǎn)物。在多系統(tǒng)合路平臺(tái)中，情況更為復(fù)雜。各種不同頻段的信號(hào)同時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)，除了本頻段的干擾外，還會(huì)產(chǎn)生跨頻段的干擾。2008 年10 月份，工業(yè)和信息化部發(fā)布關(guān)于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)共建共享的通知，在此背景下，跨頻段的互調(diào)干擾將會(huì)更加突出，譬如電信CDMA 信號(hào)對(duì)移動(dòng)GSM 信號(hào)的干擾。目前的測(cè)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(gè)信號(hào)合路后從一個(gè)方向同時(shí)注入被測(cè)器件，并且這種方式不支持跨頻段的測(cè)試。

圖4 給出一種雙向功率輸出測(cè)量系統(tǒng)，可以測(cè)量CDMA 和GSM 跨頻段互調(diào)干擾。CDMA 和GSM信號(hào)分別經(jīng)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(hào)提供通路，P3 端口對(duì)應(yīng)CDMA 或GSM 的接收頻段。

圖4 跨頻段交叉互調(diào)測(cè)試系統(tǒng)原理

目前的測(cè)量系統(tǒng)只關(guān)注落到接收頻帶內(nèi)的互調(diào)產(chǎn)物，不支持對(duì)落到發(fā)射頻帶的互調(diào)產(chǎn)物的測(cè)量。CDMA/GSM/DCS 的三階互調(diào)會(huì)落到各自的接收頻帶，對(duì)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(diào)產(chǎn)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(dá)到105以上，在這種情況下，如果發(fā)射頻段產(chǎn)生一個(gè)-110 dBm 的互調(diào)干擾信號(hào)，由于接近系統(tǒng)有用信號(hào)的最小幅度，就可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響。TDS-CDMA 系統(tǒng)由于收發(fā)信道公用，也會(huì)產(chǎn)生位于發(fā)射（接收）頻段附近的互調(diào)產(chǎn)物。如圖3 所示，互調(diào)儀內(nèi)部一般采用雙工器和濾波器分離互調(diào)CDMA/GSM/DCS 信號(hào)，而對(duì)于WCDMA 和TDS-CDMA 信號(hào)，則不能用此方式來分離互調(diào)信號(hào)，需要用雙工器代替耦合器，濾波器代替可調(diào)帶通濾波器，這將大大增大測(cè)量系統(tǒng)的制造難度。

1.4 儀表功能

目前的互調(diào)分析儀僅具備頻域功能，能夠滿足對(duì)PIM 機(jī)理進(jìn)行研究及測(cè)試驗(yàn)證需要。但是在工程施工中，并不是對(duì)單一器件測(cè)試，而是需要對(duì)整個(gè)分配網(wǎng)絡(luò)的互調(diào)產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)試。在這種情況下，不僅需要得到互調(diào)干擾信號(hào)的頻率和幅度，也需要能夠?qū)o源互調(diào)干擾源進(jìn)行定位[6]，與網(wǎng)絡(luò)分析儀故障定位功能類似，可采用基于脈沖反射計(jì)原理的方法確定無源互調(diào)干擾源位置，總的來說，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于這方面的研究不多。

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

2 結(jié) 語

從原理上看，PIM 的測(cè)量方法與有源器件的互調(diào)測(cè)試方法類似，但是由于無源器件本身對(duì)測(cè)量的特殊要求和PIM 機(jī)理的復(fù)雜性，使測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更復(fù)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(guān)注這個(gè)指標(biāo)，相信在不遠(yuǎn)的將來，會(huì)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(diào)測(cè)量系統(tǒng)誕生。