《无源互调机理和测试方法分析》4100字

无源互调机理和测试方法分析综述无源互调发展国内外现状在通信系统中，较高功率的发射信号作用于无源器件时通常会产生更多的互调产物，这些PIM信号可能会进入通信系统中的接收频段。对于基站的上行信道接收系统来讲，通常接收到来自于用户终端产品的功率比较低，一般微弱的信号也可接收到。如果互调信号与实际的接收信号的功率值相近或者略高于实际的接收信号时，接收系统无法分辨出有用信号和干扰信号，接收机会将信号全部进行视为真实信号进行接收处理，这将导致部分真实信号的丢失，导致通信语音质量的下降，导致通信信道过于繁忙，甚至将会使接收系统的容量受限引发系统瘫痪。对于通信系统的互调问题需要引起重视，并采取有力的措施进行无源互调信号抑制以减少PIM信号对整个测试系统的干扰。1970年，Cox在6GHz频段对波导部件的PIM性能进行测试，指出松动的波导结能产生高达-25dBm的PIM产物[5]；1989年，Lui等发表了其在天线及天线假设塔的PIM测试方面的研究成果[6]；1999年，Rosenberger对企业界和IEC组织在PIM测试方面的工作进行报道[7]；2008年开始，普渡大学的Christianson等报道其在PIM测试方面研究工作，高阶PIM的测试[8]。国外的学者对无源互调研究较早且取得了较为丰富的成果。国内研究相对起步较晚，还未有关于PIM失真方面标准体系和测试方法的建立，但最近几年国内的研究进展也很快，已经有公司推出PIM测试仪，可以快速进行无源器件的PIM失真信号测试。对于基站无源器件的研究大多是将基站产品的无源器件进行分离，分别进行PIM失真的研究。对于基站设备处于工作状态时整机PIM信号测试研究非常少。无源器件PIM产生机理无源互调主要是由材料的非线性和接触的非线性产生，在天线等无源射频部件中无法避免[9]。（张世全无源互调干扰导论，西安电子科技大学出版社，2014年）当前对于无源互调的研究很难通过逻辑推理和精确的数学模型进行研究，对于PIM研究大多是根据实际应用时出现的问题和现象进行进行试验分析和数据研究。材料的非线性是导致无源器件产生PIM失真的主要原因，在此之前很多的研究人员做了大量的原理分析和数据研究。无源器件PIM失真机理涉及到很多学科包含到很多方面的影响，主要包括电子隧道贯穿效应、电滞效应、空间充电效应、铁磁效应、热离子发射效应等[10]。（张世全,葛德彪,魏兵.微波频段金属接触非线性引起的无源互调功率电平的分析和预测[J].微波学报,2002(04):26-30+34.）无源互调抑制是现代基站天线的重要指标之一[11]。（陶沁双低频基站天线无源互调分析）。在现在应用中LTE低频段700与现有的GSM900，DCS1800，UMTS850共存的场景也来越多，天线本身带来的无源互调产物也越来越复杂。无源互调失真具有不可避免性，当器件中通过较小信号时，无源失真信号非常微弱，几乎可以忽略对输出信号和接收系统的影响；但当无源器件通过大功率的信号时，无源器件非线性因素影响就会越来越大，如果产生的谐波分量与接收系统本底噪声相接近时，就会产生“虚假”信号，使接收系统无法分辨出真实的有用信号，占据接收机的信道容量，影响到接收系统的正常工作。当前的研究主要参考于IEC62037系列标准，IEC62037-3-2012[12]系列标准中也给出了通信系统中的同轴电缆连接器、同轴电缆、滤波器、天线的无源互调测试的建议；IEC62037-4-2012[13]系列标准中也给出了通信系统中的同轴电缆连接器、同轴电缆、滤波器、天线的无源互调测试的建议；IEC62037-5-2013[14]系列标准中也给出了通信系统中的同轴电缆连接器、同轴电缆、滤波器、天线的无源互调测试的建议；IEC62037-6-2013[15]系列标准中也给出了通信系统中的同轴电缆连接器、同轴电缆、滤波器、天线的无源互调测试的建议。如图2-1所示，两个载波信号发射功率都足够大，当通过无源器件时，由于器件本身的非线性影响会产生互调产物出现。在无源器件的输出口，检测到信号除了两个载波信号外，还有3阶互调信号，2f1-f2和2f2-f1的出现。图2-1无源互调基本原理图传统的PIM测试方法无源互调分为绝对值表达法和相对值表达法两种方法[16]。绝对值表达法是产生的无源互调产物的绝对值大小，单位为dBm；相对值表达法是产生无源互调功率值大小与其中载频功率大小的比值，单位为dBc。dBc=dBm−43(2-1)当通信系统中的无源器件设计不合理时，基站的同轴电缆中金属材料不纯含有些杂质时，同轴线缆接头不匹配或受到侵蚀腐锈时会导致出现无源互调现象，接收系统会接收到较多无用新号占据了信道容量，严重影响着整个基站系统的性能稳定。目前测试标准通常采用国际上IEC62037系列标准，针对射频连接器、电缆、滤波器、天线等不同器件，推荐了传输测量与反射测量两种PIM失真测量方法[17]。这两种方法对于单一的无源器件进行PIM测试相对方便，便于实际操作，但对于复杂的无源器件和基站产品具有较多复杂器件不易进行。NR基站产生PIM往往是由于多个无源器件的非线性工作造成的，正向测量等方法不易施行，同时由于无源互调信号产生的机理复杂性和微波器件具有不可控性，增加了整个测试系统的复杂性。图2-2表示无源互调产物能量变化图。图2-2无源互调产物能量变化图在图2-2中，试验时采用两台信号源S1和S2产生预先设置好的载波。这两个载波信号经过功率放大器进行放大处理，用功率计进行输出功率监测，当满足达到满足试验条件时的功率后进行输出。当调整发射功率变大时，加载在无源器件上的功率值也会变大，这是由于无源器件的非线性失真导致的，输入给无源器件的功率越大产生的互调信号功率值也越大，反之输入无源器件的功率值越小，无源互调功率值也越小。试验时重点研究奇阶产物的影响，互调信号越是接近载波信号功率值也就越大，互调阶数越大功率值越小[18]。传输测量法移动通信系统离不开大量的无源器件，由于无源器件的自身性能在通过大功率信号时产生无源互调失真导致互调产物出现形成的干扰影响器件自身工作稳定以及接收系统稳定。无源器件如电缆组件、连接器、定向耦合器、功率分配器、基站天线等由于互调产物形成干扰现象越来越严重，将极大浪费频谱资源占用接收信道容量，甚至损坏自身设备。尤其是对于基站产品由于无源互调带来的影响更加显著。目前对于PIM测试大多采用IEC62037系列标准推荐的测试方法，包括传输测量法和反射测量法。先对标准推荐方法进行了解，便于接下来试验的开展。图2-3表示无源互调传输测量法流程图。图2-3无源互调传输测量流程图[19]在上图2-3中，两台信号源S1和S2产生预先设置好的载波信号f1和f2，两信号分别通过功率放大器进行载波信号放大，将满足要求的放大信号（一般为2×43dBm）通过相应频段滤波器后进入合路器后得到双载波信号，然后该信号注入到多端器件（DUT）中。通过双工器将PIM失真信号分离，双工器一端接入低互调负载来吸收大功率信号，再将接收频段的PIM产物通过滤波器和低噪声预放大器处理后接入高灵敏度的频谱分析仪中，调节频谱分析仪的分辨率带宽记录最终的测试结果。在试验时由于需要经过功率放大器进行信号的放大才能使其达到较高的功率值，在功率放大器进行工作时应注意功率放大器处于非饱和状态，满足1dB压缩点的性能要求。对于进入多端口被测设备（DUT）之前的载波信号需要进行功率校准，试验时射频线缆连接需要匹配，避免线缆端口链接不匹配导致的路径中阻抗不匹配产生较高的电压驻波比，进而影响测试系的准确性和测试精度。在通过双工器时一定要端接低互调的负载将信号能量吸收，产生的PIM信号需要经过滤波器处理后进入动态范围较大、灵敏度较高的频谱分析仪中。反射测量法反射互调失真测量时，反射互调产物通过双工器下行频带传输到频谱分析仪。图2-4无源互调反射测试流程图[20]在上图2-4中，两台信号源S1和S2产生预先设置好的载波信号f1和f2，两信号分别通过功率放大器进行载波信号放大，将满足要求的放大信号（一般为2×43dBm）通过相应频段滤波器后进入合路器后得到双载波信号，然后该信号注入到多端器件（DUT）中。无源器件具有非线性的特性产生新的互调产物，该互调产物被反射通过双工器的下行频带输出，将该输出信号经过带通滤波器处理杂波后经过低噪声预放大器放大处理后接入高灵敏度的频谱分析仪中，调节频谱分析仪的分辨率带宽记录最终的测试结果。在试验时由于需要经过功率放大器进行信号的放大才能使其达到较高的功率值，在功率放大器进行工作时应注意功率放大器处于非饱和状态，满足1dB压缩点的性能要求。试验时射频线缆连接需要匹配，避免线缆端口链接不匹配导致的路径中阻抗不匹配产生较高的电压驻波比，进而影响测试系的准确性和测试精度。在通过双工器时一定要端接低互调的负载将信号能量吸收，产生的PIM信号需要经过滤波器处理后进入动态范围较大、灵敏度较高的频谱分析仪中。对于上述两个测量系统根据信号发生器和功率放大器的输出调整可以进行多个频段的测试。但是测试存在很大的弊端，当更换其中的某个器件时测试结果就会发生变化，多次试验结果的一致性很差，也会引入测量误差。同时，该两种测试方式是明确互调产物的基本频率范围，属于在已知理论上的验证试验。对于集成度比较高的设备，当任何两个大功率信号进行发射并加载在无源器件上时，该两种方法不好实现PIM信号的测试。在频谱分析仪进行微弱信号接收时应保障其动态范围足够大，可采用在频率分析仪前端添加低噪声放大器（低噪声预放大器平坦度较好）以增加接收系统的动态范围与灵敏度。PIM产物对于自身环境的影响以GSM900为例[21]基站下行发射功率较大，移动通信终端设备发射功率较小再加上传输损耗，到达基站上行接收功率很小。如果基站下行的载波频率发生无源互调，互调产物将落在该系统的上行频段，会占用信道容量，干扰接收机的灵敏度，导致接收系统无法分辨出有用信息和干扰信号，如图2-5所示。图2-5GSM900无源互调造成干扰图F1，F2信号分别为930MHz和950MHz时，其三阶互调产物为：FPIM3FPIM3产生的互调产物频率为910MHz，在上行接收频率范围内（880MHz-915MHz）将对自身接收机产生严重干扰。由于GSM系统中通信频带相对较窄，每个信道带宽为200KHz，如果用户在通话时产生PIM信号，会造成