无源互调解决方案

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
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；
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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，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。
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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。
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...
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。
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：
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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。
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：
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 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。