无源互调测量面临的问题

傅晓明，张需溥

（1.武汉网锐检测科技有限公司，湖北 武汉 430205；2.杭州紫光通信络技术有限公司，浙江 杭州 310053）

0 引 言

由无源器件（如同轴电缆、波导、连接器、合路器及天线等）的非线性产生的互调称为无源互调（Passive Intermodulation，PIM）[1-2]，在无源器件中主要有两种无源非线性，即接触非线性和材料非线性。接触非线性为具有非线性电流/电压行为的接触，如松动、氧化和腐蚀连接等；材料非线性是指具有非线性特性的材料如铁磁材料和碳纤维。

近十年来，随着移动通信系统的增加和技术的发展，无源互调干扰问题被越来越多地研究。相比于有源互调，无源互调的产生机理非常复杂，一直到现在还未完全清楚。在这种情况下，对无源互调的测量变得非常重要。一方面，测量所得的数据可以用来进行高阶预测，另一方面能够为研究无源互调机理提供依据。国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）（TC46/WG6）在1999 年9 月颁布IEC 62037 标准，主要针对射频连接器、连接器电缆组件和电缆的互调电平测量。在此之前，国际上尚无统一的测量方法。严格意义上讲，IEC 62037 还不能成为测试标准，因为目前对无源互调的测量理论和方法都处于起步阶段，测量方法也不够成熟，标准本身需要一个持续完善的过程。随着移动通信技术的发展，无源互调测量可能出现一些新的问题。对这些问题的解决将有助于推动对互调机理的研究。

1 测量系统面临的问题

根据IEC 62037 推荐方法，国内外都有符合标准要求的测量仪表推向市场。国外有SUMMITEK，国内有紫光网络等公司的产品。这些仪表在一定程度上能够满足移动通信测量的需求，但移动通信技术的发展又给无源互调测量系统带来新的挑战。

1.1 测量范围

测量包括两个方面，一个是发射机的功率范围，另一个是接收机的动态范围。IEC 测试标准中建议发射功率为43 dBm（20 W）。显然，这是针对早期的基站而言。虽然直到现在，这个功率等级依然适合大多数器件的测量，但随着移动通信向5G的过渡，需要更高功率的输出。譬如NR 系统，其峰均比大约为105，射频信号的峰值功率远远大于平均功率。因此，除43 dBm 外，测量系统需要支持50 dBm 甚至53 dBm 的功率输出，而目前大部分厂商的互调测试仪表还不能完全支持稳定可靠的大功率输出。从理论上讲，功率每增加1 dB，互调电平增加3 dB。但对于无源互调，并不完全遵循此规律。无源器件的互调产物具有门限效应，输入功率大于某一门限值时，互调产物电平会突变，因此测量中不能用小功率测量来代替大功率测量。另外，对PIM 机理的研究表明，PIM 具有随时间变化的特性[3]。一类是突发性的，在2～3 s 的时间间隔内能观测到这些突发；另外一类是连贯性的，由于射频热效应导致PIM 随时间变化，为了观测到这种变化，互调仪需要连续长时间（超过24 小时）工作在大功率情况下，而不是短时间开关测试，这对测量设备的可靠性和稳定性提出新的挑战。

无源互调分析仪都有一个线性工作区，由接收机的动态范围决定。一般互调仪接收机的动态范围为-75～135 dBm，相对于43 dBm 为-108～-178 dBc，如果输入到接收机的PIM 产物大于-75 dBm，测量误差将增大。典型的无源器件如功率分配器、合路器及耦合器等，互调产物同产在-140～-110 dBc，因此以上范围是适合的。但对于铁氧体器件，环形器和其互调产物远大于-75 dBm，不能直接用来测量。在这种情况下，一方面可以通过提高接收机动态范围来解决问题，另外一方面可通过测试方法改进来解决。

对于高互调产物电平的测量，可以用如图1 所示的方法[4]。双载波和互调信号都进入端口2，但是功率电平得到衰减。定向耦合器必须有足够低的固有互调特性，其耦合度为30 dB 左右，测量前首先要连接定向耦合器到互调仪的两端口做残余互调的检查。图1 是传输互调测试框图，图2 是反射互调测试框图。在图2 中，定向耦合器要反接。

图1 宽带匹配传输互调测试

图2 宽带匹配反射互调测试

1.2 测量精度

与测量精度相关的因素是输出功率和系统的残余互调。对于输出功率，推荐使用通过式功率计进行校准，频谱仪并不是合适的选择，因为频谱仪的测量精度通过为±1 dB，另外功率输出必须保持稳定，否则也会影响测量精度。

测量系统自身的互调值是系统最主要指标之一，系统的残余互调与被测件互调之间的差值决定了测量结果的精度。一般测量系统的残余互调在-165 dBc@43 dBm 左右，IEC 建议的系统剩余互调与被测件之间的差值为10 dB，在这种情况下测量误差为-3.3～2.4 dB。一般无源器件的互调高于残余互调20 dB 以上，测量误差较小。但是3G 通信系统中，由于发射功率大并且接收机灵敏度低，对无源器件的互调值提出了更为苛刻的要求，一般要求小于-153 dBc@43 dBm，甚至要求小于-160 dBc@43 dBm，在这种情况下，与测量系统残余互调之间的差值减小，测量误差增大。当系统剩余互调与被测件之间的差值为20 dB 时，测量误差减小为-0.9～0.8 dB。因此，要满足3G无源器件的测试精度，建议系统的残余互调低于-175 dBc@43 dBm。

除与仪表有关外，测量精度还与测量方法有关。一般二端口无源器件的测量方法如图3 所示[5]，互调仪的端口1 和端口2 仅在测量的发射和接收频带内实现阻抗匹配，在输出射频载波信号的谐波频率范围内（除去互调仪通频带）将产生大的驻波，即使被测件为宽频带器件，这种方法也会产生一定的测量误差。采用图1 和图2 的方法，可以在一定程度上解决此问题，输出射频载波在很宽的频带范围内都是匹配的，建议耦合器耦合度在10～30 dB，过大的耦合度会使互调产物淹没在分析仪噪声中，过小的耦合度将增加测量误差。

图3 通用单频段互调测试系统原理

1.3 测量方式

无源互调测量过去一般关注3 阶互调产物。目前研究表明，在部分情况下，5 阶和7 阶互调也有可能对通信系统造成影响。因此，要求分析仪不仅能对3 阶互调进行测量，还要能够对更高阶的互调产物进行测量。这个问题相对比较简单，通过软件升级，目前的测量系统都能支持此功能。目前的大部分无源互调测量都是在两载频的条件下测试，随着无线信道的日益拥挤，多载频的无源互调测量也有必要列入有关测量标准。

在一些功率合成系统中，当两个大功率信号同时作用于合路系统的输入和输出端时，在输出端将会产生很大的互调产物。在多系统合路平台中，情况更为复杂。各种不同频段的信号同时进入系统，除了本频段的干扰外，还会产生跨频段的干扰。2008 年10 月份，工业和信息化部发布关于移动通信网络共建共享的通知，在此背景下，跨频段的互调干扰将会更加突出，譬如电信CDMA 信号对移动GSM 信号的干扰。目前的测量系统原理如图3 所示，采用这种工作方式的仪表，只支持单向的功率输出，将两个信号合路后从一个方向同时注入被测器件，并且这种方式不支持跨频段的测试。

图4 给出一种双向功率输出测量系统，可以测量CDMA 和GSM 跨频段互调干扰。CDMA 和GSM信号分别经多工器1 和多工器2 的P1 端口输入，P4 端口输出，P2 端口则为另外一路信号提供通路，P3 端口对应CDMA 或GSM 的接收频段。

图4 跨频段交叉互调测试系统原理

目前的测量系统只关注落到接收频带内的互调产物，不支持对落到发射频带的互调产物的测量。CDMA/GSM/DCS 的三阶互调会落到各自的接收频带，对于WCDMA 系统，其发射频带为2 110～ 2 170 MHz，接收频带为1 920～1 980 MHz，三阶互调产生的范围为2 050～2 200 MHz，不能落到接收频带。尽管如此，由于WCDMA 系统是一种自干扰系统，并且载波的峰均比达到105以上，在这种情况下，如果发射频段产生一个-110 dBm 的互调干扰信号，由于接近系统有用信号的最小幅度，就可能会对系统造成影响。TDS-CDMA 系统由于收发信道公用，也会产生位于发射（接收）频段附近的互调产物。如图3 所示，互调仪内部一般采用双工器和滤波器分离互调CDMA/GSM/DCS 信号，而对于WCDMA 和TDS-CDMA 信号，则不能用此方式来分离互调信号，需要用双工器代替耦合器，滤波器代替可调带通滤波器，这将大大增大测量系统的制造难度。

1.4 仪表功能

目前的互调分析仪仅具备频域功能，能够满足对PIM 机理进行研究及测试验证需要。但是在工程施工中，并不是对单一器件测试，而是需要对整个分配网络的互调产物进行测试。在这种情况下，不仅需要得到互调干扰信号的频率和幅度，也需要能够对无源互调干扰源进行定位[6]，与网络分析仪故障定位功能类似，可采用基于脉冲反射计原理的方法确定无源互调干扰源位置，总的来说，目前国内外对于这方面的研究不多。

随着便携式工程型互调仪出现在市场，时域定位功能将是一个不得不考虑的问题。

2 结 语

从原理上看，PIM 的测量方法与有源器件的互调测试方法类似，但是由于无源器件本身对测量的特殊要求和PIM 机理的复杂性，使测量系统的结构更复杂，要求也更高。目前已有越来越多的无源器件制造商和基站制造商开始关注这个指标，相信在不远的将来，会有更为合适的、能够部分或全部解决以上四方面问题的无源互调测量系统诞生。