无源互调解决方案

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AN-S201_需要全面的无源互调测试解决方案?
减少系统的剩余互调
测量系统自身的剩余互调值是系统的最主要 指标之一。和回波损耗测试一样，当测试系统中定 向耦合器的方向性比 DUT 小 10dB 时，回波损耗的 测试误差为+2.4/-3.3dB；而系统方向性比 DUT 小 15dB 时，测试误差减少为+1.4/-1.7dB。
例二， WCDMA：
9 当 F1 = 2150MHz，F2 = 2170MHz 时，其三阶 互调产物落入上行频段， FIM = 2F1-F2=2×2150-2170=2130MHz；
9 当 F1 = 2110MHz，F2 = 2170MHz 时，其七阶 互调产物落入下行频段， FIM = 4F1-3F2=4×2110-3×2170=1930MHz。
需要全面的无源互调测试 解决方案?
— 无源互调的产生,影响,关注点及测量
Zhuhui/Application Engineer
BXT™ Technologies zh@bxt-technologies.cn
Application Note
AN-S201
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在 IEC 推荐的测量方法中，建议测量器件的正 向（传输）和反射互调产物，如图 4 所示。
f1 f2
2 f1 − f2 f1 f2 2 f2 − f1
a) 正向(传输)互调测量示意图
要消除无源器件产生的互调失真的唯一方法 就是设计和制造低互调的无源器件。前面已经提到 无源互调值非常之小，相对于有源器件产生的互调 失真而言，无源互调的测试要困难得多，这是无源 器件的制造和测试者所面对的挑战。
有源器件，如功率放大器产生的互调失真可以 用滤波器来滤除，因为我们完全能了解互调产生的 位置。而无源器件则不同，在任何一个位置上的无 源器件，都可能产生互调失真，这些失真显然无法 用滤波器来滤除，而即使滤波器和双工器本身也会 产生足够大的互调失真而干扰系统的正常工作。
无源互调有哪些测试项目？
到目前为止，无源互调的测试项目和测试方法 尚无相应的国标，通常都是按照 IEC 推荐的测量方 法进行测量的。
通常这些混合的频率产物可由其阶数来表示：
2F2-F1 和 2F1-F2：三阶
3F2-2F1 和 3F1-2F2：五阶…
其中 2F2-F1 和 2F1-F2 是最大的互调产物，这 就是常说的三阶互调失真，而且在很多通信系统 中，左侧的互调产物(2F1-F2)会落入本系统的下行 （接收）频段，所以三阶互调失真是讨论的重点。 在某些系统，如 WCDMA 中，由发射频率产生的七 阶互调会落到下行频段中。举例如下：
f1 f2
单端口或 多端口器件
2 f1 − f2 f1 f2 2 f2 − f1 b) 反射互调测量示意图
图 4：IEC 推荐的二种测量方法
图 3：微弱的无源互调产物给器件的制造和测试带来 了挑战
在图 4a 中，表示了一个二端口或多端口器件 在二个大功率信号的同时作用下，在其输出端所产 生的互调产物ห้องสมุดไป่ตู้绝大部分的无源器件，如双工器， 滤波器，定向耦合器等都可以归入此类测试方法； 而图 4b 则表示了一个单端口器件在二个大功率信 号的同时作用下所产生的反射互调产物，天线和负 载可以归入此类测试方法。
通 过 式 功 率 测 量 的 工 业 标 准 是 Bird Electronics 的 THRULINE®在线功率测量技术。在 无源互调测量的测试功率校准中，可采用的典型产 品是 5012C（图 7），这台通过式功率计可测量 350MHz-4GHz，150mW-150W 范围的射频功率， 测试精度为±5%，也就是说当被测功率为 20W （43dBm）时，5012C 的测试精度可达到±0.22dB， 而且不存在衰减器的误差。
图 5：无源器件的反向互调测量 图 5 是一个新的测试项目——在一个二端口器 件中，当二个大功率信号同时作用于输入和输出端 时，在输出端口将会产生很大的互调产物。这种情 况存在于一些功率合成系统或者多载频的共用系 统中。 在多系统合路平台（POI）系统中（图 6），情 况更为复杂。各种不同频段的载频同时进入系统， 除了本频段的互调干扰外，还会产生跨频段的互调 干扰。如一对 1810/1870MHz 所产生的三阶互调会 落到 WCDMA 的上行频段（1920-1980MHz）；而 1871MHz 和 1730MHz 所产生的三阶互调频率是 2012MHz，正好落在 TD-SCDMA 频段。
有源器件，如功率放大器和混频器产生的互调 问题始终是射频工程师所关心的；而直到五年前， 大部分的射频工程师还很少提及无源器件产生的 互调问题。但是随着移动通信系统新频率的不断规 划，更大功率发射机的应用和接收机灵敏度的不断 提高，无源互调产生的系统干扰日益严重，因此也 越来越被系统运营商，系统制造商和器件制造商所 关注。
例一， GSM900：
9 当 F1 = 935MHz，F2 = 960MHz 时，其三阶互 调产物落入下行频段， FIM = 2F1-F2=2×935-960=910MHz；
9 当 F1 = 958MHz，F2 = 960MHz 时，其三阶互 调产物落入上行频段， FIM = 2F1-F2=2×958-960=956MHz；
需要多大的测量动态范围？
典型的无源器件，如定向耦合器，功率分配器， 双工器，连接器和电缆组件等，其互调产物通常在 -100dBm 到-120dBm，也就是相对于+43dBm 测试 条件下的-143dBc 到-163dBc 之间；而某些器件， 如铁氧体器件的互调产物则更大，可达到-60dBc 甚至更大。
作为另外一个功率测量的误差源——多载频 共存时所产生的峰均功率比的测试误差，当二个连 续波功率同时存在时，可能产生的峰均比最大为 3dB，而 5012C 的测试峰均功率比可以达到 12dB， 这是其它大功率线性功率计所力所不能及的。
5012C 可以同时测量正向和反射功率，其反射 功率测量功能可以被巧妙的用于反向互调测量（图 5）时的功率校准。
概述
无源器件会产生非线性互调失真吗？答案是 肯定的！尽管还没有系统的理论分析（或许是笔者 孤陋寡闻），但是在工程中已经发现在一定条件下 无源器件存在互调失真，并且会对通信系统，尤其 是蜂窝系统产生严重干扰。
长期以来，有关无源器件的互调失真的测量技 术一直被国外公司所掌握，并垄断了相关测试产品 的市场。今天，这种局面发生了变化，无源互调测 量的技术难关已经被中国本土的射频工程师们所 攻克。不但如此，低成本的商用无源互调测量系统 也已诞生。
那么如何解决大互调的测量问题呢？采用通 用的频谱分析仪不失为一个很好的解决方案。频谱 分析仪是一种通用的射频分析仪器，也被成为“射 频万用表”。既然获此美誉，频谱分析仪的动态范 围必定是足够大的，即使是低成本的频谱分析仪。 以 Agilent 的 N9320A 为例，这台以低成本定位的 频谱分析仪的测试范围也可以达到+30dBm 的上限 和-148dBm 的下限。
图 6：典型的多系统合路平台(POI)
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保证无源互调的测量精度
一个无源互调测量系统的开发是个艰巨的过 程，而系统的应用，即无源器件的互调测量则相对 简单。通常，测试者所关心的是测试结果的精度。 虽然到目前为止，还没有相应的国标公布，但是无 源互调的测量精度依然是有章可循的。笔者经过大 量的实验及结果分析，归纳了以下几点与测试精度 有关的因素：
无源互调（Passive Inter-modulation），简称 PIM，是由发射系统中各种无源器件的非线性特性 而引起的。在大功率、多信道系统中，这些无源器 件的非线性会产生相对于工作频率的更高次谐波， 而这些谐波又会和工作频率混合产生一组新的频 率，其最终结果就是在空中或者系统内部产生一组 无用的频谱而影响正常的通信。
保证精确的功率校准
在 IEC 推荐的测试方法中，建议加载到 DUT 的测试功率是每载频 43dBm，这个值也已经成为行 业所遵循的标准测试功率。
准确的校准测试功率对于测试精度有很大的 关系，从理论上说，载频增加 1dB，互调产物会增 加 3dB。所以在表示一个无源互调测试结果时，必 需以测试功率为参照值，如-145dBc@2×43dBm。
随着通信技术的不断发展，新的系统干扰问题 不断出现，给测试工作者带来了新的挑战。
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无源互调测量面临的新挑战
f2 f1
2 f1 − f2 f1 f2 2 f2 − f1
无源互调的表达方式
无源互调有二种表达方式 － 绝对值表达法 和相对值表达法。
绝对值表达法是指以 dBm 为单位的无源互调 的绝对值大小；而相对值表达法则是指无源互调值 与其中一个载频的比值，用 dBc 来表示，这是因为 无源器件的互调失真与载频功率的大小有关。
图 1：所有的无源器件都会产生互调失真
一个典型的无源互调指标是在二个+43dBm 的 载频功率同时作用到被测器件（DUT）时，DUT 产 生-110dBm 的无源互调失真（绝对值），其相对值 为-153dBc（见图 2）。这个相对值非常小，换算成 比值是 1:2,000,000,000,000,000 倍。
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所有的无源器件，包括天线，电缆和连接器， 双工器，滤波器，定向耦合器，负载和衰减器，避 雷器，功率分配/合成器和铁氧体环流器/隔离器等， 无一例外的都会产生互调失真。无源互调产生的原 因很多，如机械接触的不可靠，虚焊和表面氧化等。
随着通信系统功率的不断增加，43dBm 的参照 功率标准也并非一成不变，也可能会出现更高的参 照功率标准。在某些企业内部，已经采用更高功率 等级的测量标准，如 44dBm，这对于提高其产品的 指标，保证系统的抗干扰特性是大有裨益的。
图 7：用于功率校准的精密通过式功率计
要准确校准测试端的功率，用频谱分析仪不是 最合适的选择，因为频谱分析仪的幅度测量精度通 常为±1dB，加上衰减器的衰减器，总的功率误差可 能超过±1dB。大功率测量的最佳手段莫过于通过式 功率计，这种功率计采用了高方向性的定向耦合 器，可以提供大功率在线测量。
图 2：无源互调的表达方式
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无源互调的危害及测量的意义
无源互调的测量方法
在前面的分析中提到无源互调值非常之小，换 种通俗的说法，-153dBc 相当于一根头发丝的直径 比地球到太阳之间的距离。即使看上去有些夸张， 这些无源互调值已经被证明了会降低通信系统的 载噪比(C/I)。要证明这一点其实非常简单：在许多 移动通信系统中，接收机的灵敏度低于-100dBm。
在本文中，简要讨论了无源互调的产生原因和 对系统产生的影响，并介绍了一种无源互调测量系 统。
无源互调的定义
无源互调是由二个或多个频率在无源器件（或 线性器件）中混合所产生的新的频率分量。一个双 频系统所产生的互调频率如下式所示：
FIM = F1 + F2 + 2F2-F1 + 2F1-F2 + 3F2-2F1 + 3F1-2F2...
对于前一类器件，测量系统的范围不需要太 大，如目前同类产品的互调测量上限是-65dBm， 也就是+43dBm 条件下的-108dBc。
而对于后一类器件，即铁氧体器件，这样的测 试系统或许并不实用。铁氧体器件的互调产物可高 达-60dBc，如此大的信号进入测试设备，可能导致 接收机中的混频器进入的非线性工作区，也因此可 能出现一个铁氧体器件的测试结果优于实际值的 情况。