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无源交调的产生与测试

    随着移动通信的飞速发展,对接收系统的灵敏度要求日益提高,使得同一传输信道内可能存在很多不同频率的信号,如果传输线或连接传输线的射频同轴连接器及其他无源器件的特性不良,就可能会在不同频率之间产生无源交调信号(Passive intermodulationPIM),结果使有效的传输信号发生畸变,产生噪声和杂波,影响信号传输速率及接收机的灵敏度。本文分析了无源器件产生交调信号的原因及预防措施,对无源器件的设计、生产制造以及通信系统中的选用有积极的指导意义和参考价值。

    1、无源交调产生的原因

在全球移动通信和传呼台等蜂窝基站上,由于传输功率较大,通常会在系统中的无源器件中产生交调信号,这些杂波信号会严重影响整个系统的性能。在一个理想的线性传输系统内,其输出相对于输入是成正比的。但在实际中微波信号在无源器件中(如:滤波器、同轴电缆、各类接头等)的传输往往是非线性化的,只是因传输的信号功率较小时非线性产生的无源交调信号不大而不引起人们的注意。但当所传输的信号大于40dBm时,这种交调信号的影响就尤为明显。 这一交调的结果就产生了一些额外的频率,即交调生成物,如图A中的2F1F22F2F13Fl2F2 3F22Fl等。

    除了器件的非线性因素外,在无源器件中生成无源交调的还有以下几个方面的原因:
    
1)金属零件电镀过程中未清洗干净的电镀溶液。
     2)镀层导电性不好,镀层厚度不够。
     3)表面锈蚀。
     4)中心接触件的不同金属材料。
     5)信通道内的磁线材料。
     6)较低的接触点正压力。
     7)表面粗糙度大。
     8)连接器及无源器件内的碎屑和灰尘。
     9)螺旋状的信号通道。

    2、无源交调的影响
    GSM900DCS1800PCS1900为例我们通过下表来分析这些交调信号如何影响我们的基站和终端接收机:

    从上表1中我们不难看出基站下行发射的两个大功率下行信号F1F2所产生的3阶交调信号频率正好落在上行信道接收机的频段内,就会对接收机造成干扰,导致接收机的误码率上升,降低了接收机的接收灵敏度,严重影响终端的通话质量。而且产生的交调信号也是很多的,除了3阶还有5阶甚至7阶。但又以三阶交调信号的功率最大,5阶和7阶交调信号因离主频较远,其信号功率也较小,对接收机的影响也较小,所以大多数无源器件都会必测三阶互调信号的大小,只有少数频段的器件会测试五阶和七阶的交调信号的大小。
    因此在无源器件生产制造过程中必须要对器件所产生的交调信号的大小进行严格的测试,这已经是滤波器和同轴电缆等制造厂商必测的一个参数。

    3、无源交调的测试
    因基站和接收机对无源交调信号的要求比较严格,其对测试系统的要求也相对较高,首先要保证测试系统自身所产生的交调信号很小,这样才能满足测试要求。一般要求测试系统的交调信号至少要比被测器件的要求值小10dB。比如要测试一款塔顶放大器产品,其3阶交调信号要求小于-110dBm,那么测试系统就必须要小于-120 dBm才能满足测试要求。其次,要保证系统的稳定性。只有测试系统自身的稳定性高,才能保证测试结果的可靠性。
    如图B所示是一个典型的 双工器上行频带内无源交调信号测试的框图: 

    测试台各部件的作用:
    信号发生器: 产生主信道信号。
    功率放大器: 对信号发生器所产生主信道信号进行功率放大。
    隔离器:     信号单向传输,避免因开路或其他情况造成信号反射而损坏其他设备。
    合路器:     对从隔离器出来的两路大功率信号合成到一个端口输出.
    被测产品:   需要测试的产品。
    标准滤波器: 将主信道信号和互调信号进行分离。
    大功率负载: 将大功率的主信道信号消耗掉。
    频谱仪:对交调信号的频谱和功率进行分析。
    在这个测试系统中,标准滤波器是最主要的部件,其自身的交调信号的大小会影响整个测试系统的性能,必须加强维护和检查其稳定性。对功放的输出功率也是在连接合路器和被测器件的射频电缆的输出端口进行校准,其功率一般应达到43dBm~ 47dBm,如果功率太小,则被测器件的交调信号也会很小,无法反映器件在实际使用过程中的真实情况。
    在现代计算机和工业控制很发达的情况下,已经有国外的厂商做除了全自动的交调信号测试分析系统,其性能也完全满足各滤波器、电缆、塔顶放大器对交调信号测试的要求,但其价格也比较昂贵,对一些小的生产制造企业来说还无法接受。但这些企业为满足客户对产品无源交调的要求,也可以按照测试要求自行搭建该测试系统。
    总之,无源交调是通信领域里一个非常重要的参数,如何最大程度的降低交调信号对通信系统所带来的不利影响是研究人员面临的一个新课题。本文仅是作者以前实际工作中的一些心得,仅供业界同行交流和参考。