《無源互調(diào)機理和測試方法分析》4100字

無源互調(diào)機理和測試方法分析綜述無源互調(diào)發(fā)展國內(nèi)外現(xiàn)狀在通信系統(tǒng)中，較高功率的發(fā)射信號作用于無源器件時通常會產(chǎn)生更多的互調(diào)產(chǎn)物，這些PIM信號可能會進入通信系統(tǒng)中的接收頻段。對于基站的上行信道接收系統(tǒng)來講，通常接收到來自于用戶終端產(chǎn)品的功率比較低，一般微弱的信號也可接收到。如果互調(diào)信號與實際的接收信號的功率值相近或者略高于實際的接收信號時，接收系統(tǒng)無法分辨出有用信號和干擾信號，接收機會將信號全部進行視為真實信號進行接收處理，這將導(dǎo)致部分真實信號的丟失，導(dǎo)致通信語音質(zhì)量的下降，導(dǎo)致通信信道過于繁忙，甚至將會使接收系統(tǒng)的容量受限引發(fā)系統(tǒng)癱瘓。對于通信系統(tǒng)的互調(diào)問題需要引起重視，并采取有力的措施進行無源互調(diào)信號抑制以減少PIM信號對整個測試系統(tǒng)的干擾。1970年，Cox在6GHz頻段對波導(dǎo)部件的PIM性能進行測試，指出松動的波導(dǎo)結(jié)能產(chǎn)生高達-25dBm的PIM產(chǎn)物[5]；1989年，Lui等發(fā)表了其在天線及天線假設(shè)塔的PIM測試方面的研究成果[6]；1999年，Rosenberger對企業(yè)界和IEC組織在PIM測試方面的工作進行報道[7]；2008年開始，普渡大學(xué)的Christianson等報道其在PIM測試方面研究工作，高階PIM的測試[8]。國外的學(xué)者對無源互調(diào)研究較早且取得了較為豐富的成果。國內(nèi)研究相對起步較晚，還未有關(guān)于PIM失真方面標準體系和測試方法的建立，但最近幾年國內(nèi)的研究進展也很快，已經(jīng)有公司推出PIM測試儀，可以快速進行無源器件的PIM失真信號測試。對于基站無源器件的研究大多是將基站產(chǎn)品的無源器件進行分離，分別進行PIM失真的研究。對于基站設(shè)備處于工作狀態(tài)時整機PIM信號測試研究非常少。無源器件PIM產(chǎn)生機理無源互調(diào)主要是由材料的非線性和接觸的非線性產(chǎn)生，在天線等無源射頻部件中無法避免[9]。（張世全無源互調(diào)干擾導(dǎo)論，西安電子科技大學(xué)出版社，2014年）當前對于無源互調(diào)的研究很難通過邏輯推理和精確的數(shù)學(xué)模型進行研究，對于PIM研究大多是根據(jù)實際應(yīng)用時出現(xiàn)的問題和現(xiàn)象進行進行試驗分析和數(shù)據(jù)研究。材料的非線性是導(dǎo)致無源器件產(chǎn)生PIM失真的主要原因，在此之前很多的研究人員做了大量的原理分析和數(shù)據(jù)研究。無源器件PIM失真機理涉及到很多學(xué)科包含到很多方面的影響，主要包括電子隧道貫穿效應(yīng)、電滯效應(yīng)、空間充電效應(yīng)、鐵磁效應(yīng)、熱離子發(fā)射效應(yīng)等[10]。（張世全,葛德彪,魏兵.微波頻段金屬接觸非線性引起的無源互調(diào)功率電平的分析和預(yù)測[J].微波學(xué)報,2002(04):26-30+34.）無源互調(diào)抑制是現(xiàn)代基站天線的重要指標之一[11]。（陶沁雙低頻基站天線無源互調(diào)分析）。在現(xiàn)在應(yīng)用中LTE低頻段700與現(xiàn)有的GSM900，DCS1800，UMTS850共存的場景也來越多，天線本身帶來的無源互調(diào)產(chǎn)物也越來越復(fù)雜。無源互調(diào)失真具有不可避免性，當器件中通過較小信號時，無源失真信號非常微弱，幾乎可以忽略對輸出信號和接收系統(tǒng)的影響；但當無源器件通過大功率的信號時，無源器件非線性因素影響就會越來越大，如果產(chǎn)生的諧波分量與接收系統(tǒng)本底噪聲相接近時，就會產(chǎn)生“虛假”信號，使接收系統(tǒng)無法分辨出真實的有用信號，占據(jù)接收機的信道容量，影響到接收系統(tǒng)的正常工作。當前的研究主要參考于IEC62037系列標準，IEC62037-3-2012[12]系列標準中也給出了通信系統(tǒng)中的同軸電纜連接器、同軸電纜、濾波器、天線的無源互調(diào)測試的建議；IEC62037-4-2012[13]系列標準中也給出了通信系統(tǒng)中的同軸電纜連接器、同軸電纜、濾波器、天線的無源互調(diào)測試的建議；IEC62037-5-2013[14]系列標準中也給出了通信系統(tǒng)中的同軸電纜連接器、同軸電纜、濾波器、天線的無源互調(diào)測試的建議；IEC62037-6-2013[15]系列標準中也給出了通信系統(tǒng)中的同軸電纜連接器、同軸電纜、濾波器、天線的無源互調(diào)測試的建議。如圖2-1所示，兩個載波信號發(fā)射功率都足夠大，當通過無源器件時，由于器件本身的非線性影響會產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物出現(xiàn)。在無源器件的輸出口，檢測到信號除了兩個載波信號外，還有3階互調(diào)信號，2f1-f2和2f2-f1的出現(xiàn)。圖2-1無源互調(diào)基本原理圖傳統(tǒng)的PIM測試方法無源互調(diào)分為絕對值表達法和相對值表達法兩種方法[16]。絕對值表達法是產(chǎn)生的無源互調(diào)產(chǎn)物的絕對值大小，單位為dBm；相對值表達法是產(chǎn)生無源互調(diào)功率值大小與其中載頻功率大小的比值，單位為dBc。dBc=dBm?43(2-1)當通信系統(tǒng)中的無源器件設(shè)計不合理時，基站的同軸電纜中金屬材料不純含有些雜質(zhì)時，同軸線纜接頭不匹配或受到侵蝕腐銹時會導(dǎo)致出現(xiàn)無源互調(diào)現(xiàn)象，接收系統(tǒng)會接收到較多無用新號占據(jù)了信道容量，嚴重影響著整個基站系統(tǒng)的性能穩(wěn)定。目前測試標準通常采用國際上IEC62037系列標準，針對射頻連接器、電纜、濾波器、天線等不同器件，推薦了傳輸測量與反射測量兩種PIM失真測量方法[17]。這兩種方法對于單一的無源器件進行PIM測試相對方便，便于實際操作，但對于復(fù)雜的無源器件和基站產(chǎn)品具有較多復(fù)雜器件不易進行。NR基站產(chǎn)生PIM往往是由于多個無源器件的非線性工作造成的，正向測量等方法不易施行，同時由于無源互調(diào)信號產(chǎn)生的機理復(fù)雜性和微波器件具有不可控性，增加了整個測試系統(tǒng)的復(fù)雜性。圖2-2表示無源互調(diào)產(chǎn)物能量變化圖。圖2-2無源互調(diào)產(chǎn)物能量變化圖在圖2-2中，試驗時采用兩臺信號源S1和S2產(chǎn)生預(yù)先設(shè)置好的載波。這兩個載波信號經(jīng)過功率放大器進行放大處理，用功率計進行輸出功率監(jiān)測，當滿足達到滿足試驗條件時的功率后進行輸出。當調(diào)整發(fā)射功率變大時，加載在無源器件上的功率值也會變大，這是由于無源器件的非線性失真導(dǎo)致的，輸入給無源器件的功率越大產(chǎn)生的互調(diào)信號功率值也越大，反之輸入無源器件的功率值越小，無源互調(diào)功率值也越小。試驗時重點研究奇階產(chǎn)物的影響，互調(diào)信號越是接近載波信號功率值也就越大，互調(diào)階數(shù)越大功率值越小[18]。傳輸測量法移動通信系統(tǒng)離不開大量的無源器件，由于無源器件的自身性能在通過大功率信號時產(chǎn)生無源互調(diào)失真導(dǎo)致互調(diào)產(chǎn)物出現(xiàn)形成的干擾影響器件自身工作穩(wěn)定以及接收系統(tǒng)穩(wěn)定。無源器件如電纜組件、連接器、定向耦合器、功率分配器、基站天線等由于互調(diào)產(chǎn)物形成干擾現(xiàn)象越來越嚴重，將極大浪費頻譜資源占用接收信道容量，甚至損壞自身設(shè)備。尤其是對于基站產(chǎn)品由于無源互調(diào)帶來的影響更加顯著。目前對于PIM測試大多采用IEC62037系列標準推薦的測試方法，包括傳輸測量法和反射測量法。先對標準推薦方法進行了解，便于接下來試驗的開展。圖2-3表示無源互調(diào)傳輸測量法流程圖。圖2-3無源互調(diào)傳輸測量流程圖[19]在上圖2-3中，兩臺信號源S1和S2產(chǎn)生預(yù)先設(shè)置好的載波信號f1和f2，兩信號分別通過功率放大器進行載波信號放大，將滿足要求的放大信號（一般為2×43dBm）通過相應(yīng)頻段濾波器后進入合路器后得到雙載波信號，然后該信號注入到多端器件（DUT）中。通過雙工器將PIM失真信號分離，雙工器一端接入低互調(diào)負載來吸收大功率信號，再將接收頻段的PIM產(chǎn)物通過濾波器和低噪聲預(yù)放大器處理后接入高靈敏度的頻譜分析儀中，調(diào)節(jié)頻譜分析儀的分辨率帶寬記錄最終的測試結(jié)果。在試驗時由于需要經(jīng)過功率放大器進行信號的放大才能使其達到較高的功率值，在功率放大器進行工作時應(yīng)注意功率放大器處于非飽和狀態(tài)，滿足1dB壓縮點的性能要求。對于進入多端口被測設(shè)備（DUT）之前的載波信號需要進行功率校準，試驗時射頻線纜連接需要匹配，避免線纜端口鏈接不匹配導(dǎo)致的路徑中阻抗不匹配產(chǎn)生較高的電壓駐波比，進而影響測試系的準確性和測試精度。在通過雙工器時一定要端接低互調(diào)的負載將信號能量吸收，產(chǎn)生的PIM信號需要經(jīng)過濾波器處理后進入動態(tài)范圍較大、靈敏度較高的頻譜分析儀中。反射測量法反射互調(diào)失真測量時，反射互調(diào)產(chǎn)物通過雙工器下行頻帶傳輸?shù)筋l譜分析儀。圖2-4無源互調(diào)反射測試流程圖[20]在上圖2-4中，兩臺信號源S1和S2產(chǎn)生預(yù)先設(shè)置好的載波信號f1和f2，兩信號分別通過功率放大器進行載波信號放大，將滿足要求的放大信號（一般為2×43dBm）通過相應(yīng)頻段濾波器后進入合路器后得到雙載波信號，然后該信號注入到多端器件（DUT）中。無源器件具有非線性的特性產(chǎn)生新的互調(diào)產(chǎn)物，該互調(diào)產(chǎn)物被反射通過雙工器的下行頻帶輸出，將該輸出信號經(jīng)過帶通濾波器處理雜波后經(jīng)過低噪聲預(yù)放大器放大處理后接入高靈敏度的頻譜分析儀中，調(diào)節(jié)頻譜分析儀的分辨率帶寬記錄最終的測試結(jié)果。在試驗時由于需要經(jīng)過功率放大器進行信號的放大才能使其達到較高的功率值，在功率放大器進行工作時應(yīng)注意功率放大器處于非飽和狀態(tài)，滿足1dB壓縮點的性能要求。試驗時射頻線纜連接需要匹配，避免線纜端口鏈接不匹配導(dǎo)致的路徑中阻抗不匹配產(chǎn)生較高的電壓駐波比，進而影響測試系的準確性和測試精度。在通過雙工器時一定要端接低互調(diào)的負載將信號能量吸收，產(chǎn)生的PIM信號需要經(jīng)過濾波器處理后進入動態(tài)范圍較大、靈敏度較高的頻譜分析儀中。對于上述兩個測量系統(tǒng)根據(jù)信號發(fā)生器和功率放大器的輸出調(diào)整可以進行多個頻段的測試。但是測試存在很大的弊端，當更換其中的某個器件時測試結(jié)果就會發(fā)生變化，多次試驗結(jié)果的一致性很差，也會引入測量誤差。同時，該兩種測試方式是明確互調(diào)產(chǎn)物的基本頻率范圍，屬于在已知理論上的驗證試驗。對于集成度比較高的設(shè)備，當任何兩個大功率信號進行發(fā)射并加載在無源器件上時，該兩種方法不好實現(xiàn)PIM信號的測試。在頻譜分析儀進行微弱信號接收時應(yīng)保障其動態(tài)范圍足夠大，可采用在頻率分析儀前端添加低噪聲放大器（低噪聲預(yù)放大器平坦度較好）以增加接收系統(tǒng)的動態(tài)范圍與靈敏度。PIM產(chǎn)物對于自身環(huán)境的影響以GSM900為例[21]基站下行發(fā)射功率較大，移動通信終端設(shè)備發(fā)射功率較小再加上傳輸損耗，到達基站上行接收功率很小。如果基站下行的載波頻率發(fā)生無源互調(diào)，互調(diào)產(chǎn)物將落在該系統(tǒng)的上行頻段，會占用信道容量，干擾接收機的靈敏度，導(dǎo)致接收系統(tǒng)無法分辨出有用信息和干擾信號，如圖2-5所示。圖2-5GSM900無源互調(diào)造成干擾圖F1，F(xiàn)2信號分別為930MHz和950MHz時，其三階互調(diào)產(chǎn)物為：FPIM3FPIM3產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物頻率為910MHz，在上行接收頻率范圍內(nèi)（880MHz-915MHz）將對自身接收機產(chǎn)生嚴重干擾。由于GSM系統(tǒng)中通信頻帶相對較窄，每個信道帶寬為200KHz，如果用戶在通話時產(chǎn)生PIM信號，會造成