无源器件的三阶互调研究及测试

无源器件的三阶互调研究及测试

李培红

(中国电子科技集团公司第54研究所 检测认证中心,河北 石家庄050081)

摘要根据二极管特性,分析了无源互调的产生机理,讨论了无源互调对移动通信的影响。理论分析表明,我国的GSM900存在三阶交调,严重影响接收机性能。文中以天线为例给出了有效的无源互调测试方案,实际测试结果表明,该方案能准确测量对小功率交调信号。

关键词无源器件;三阶互调;非线性失真

收稿日期:2015-06-24

作者简介:李培红(1965—),女,工程师。研究方向:移动通信。E-mail:lipeihong54@163.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.030

中图分类号TN304.07

Third-order Intermodulation of Passive Components Research and Testing

LI Peihong

(Testing and Certification Center,The 54th Research Institute of China Electronics Technology

Group Corporation,Shijiazhuang 050081,China)

AbstractThe impact of non-linear passive components intermodulation products caused by the quality of communication is serous.Based on the diode characteristics,the mechanism of passive intermodulation is analyzed.The effect of passive intermodulation in mobile communications is discussed.Theoretical analysis shows that intermodulation in GSM900 system can decrease the performance of receivers.In order to accurately measure the intermodulation products,an effective passive intermodulation test programs is presented,which can accurately measure the low power quantity of intermodulation.

Keywordspassive components;third-order intermodulation;nonlinear distortion

由于有源器件如放大器、混频器等存在幅度非线性和相位非线性,因此在多载波工作时会产生谐波和互调分量。互调分量往往落在发射信号带内无法滤除,对通信信号造成干扰,尤其是三阶互调分量。为了减小交调分量,通常采用输出功率补偿(Backoff)、线性化器、前馈抵消等措施。

无源互调是由无源器件的弱非线性所引起。在通信系统中,当非线性无源器件同时传输两个或两个以上的载波信号时就会产生无源互调现象[1]。在低功率小信号的工作条件下,无源器件的非线性失真较小,可忽略不计,但在大功率强信号的情况下,无源器件的非线性失真已不容忽视[2-3]。近年来,随着大容量、高功率无线通信系统的不断发展和应用,无源器件在工作过程中产生的无源互调(Passive Intermodulation,PIM)信号对正常通信的影响越发突出,成为了无线通信发展过程中一个亟待解决的重要问题。

1无源互调失真原理件

无源器件,如收发信机中常用的双工器、耦合器、隔离器、合路器和天线等,在多载波、高功率的作用下均会产生谐波和互调分量。这是因无源器件在制作过程中存在多个接头和焊接点,由于加工工艺不完善,这些接头和焊点所连接的不同金属之间甚至会存在异物,最终导致这些部位具有类似半导体的特性。此外,器件电镀层的厚度不均匀和局部氧化也会形成器件的半导体特性[4]。上述缺陷最终使得无源器件具备了二极管的特性,下面根据二极管的电流电压特性对无源互调的产生机理进行分析。

二极管的电流电压特性可表示为[5-6]

I=a0+a1v+a2v2+a3v3+a4v4+a5v5…

(1)

其中,v表示输入信号电压;I表示电流;an,n=0,1,2,3,… 表示输入信号各次项系数,表征非线性程度的大小。为了简化计算,文中以两等幅载波为例进行研究,则输入信号为

v=Acosθ1t+Acosω2t…

(2)

其中,A表示输入信号的电压幅值;ω1和ω2分别表示两载波的角频率。将式(2)代入式(1),可看出,式(1)左边前3项a0,a1v,a2v2分别代表了直流、线性和二次谐波信号。本文讨论的重点是三阶互调,因此不对上述3项信号进行分析,对a3v3之后的高次项也不做进一步研究,在此需注意的是高阶项所代表的是高阶互调信号,其幅度远小于三阶互调,通常忽略不计。

将式(2)代入a3v3项,可得出对应的电流表达式为

I=a3A3[(cosω1t)3+3(cosω1t)2cosω2t+3(cosω2t)2cosω1t+(cosω2t)3]

(3)

对式(3)进行展开,在新产生的频率分量中找出与工作频率相近的两项分别为

(4)

式(4)即是所需的三阶互调分量的表达式。在此,以f1和f2分别表示两载波的工作频率,则三阶互调的频率可表示为2f1-f2和2f2-f1[7]。

(5)

其中,P=A2表示输入信号的功率。从式(5)中可以看出,在三阶互调的线性段,三阶互调分量与输入信号功率的三次方成正比。输入信号功率越大则产生的三阶互调越高,三阶互调分量与载波输入(输出)功率有着密切关系。

2无源互调对移动通信的影响

针对无源器件,式(1)中的系数a3通常较小,在实际通信过程中,无源器件产生的三阶互调分量一般<-100 dBm。在移动通信中,发射频带的发射载波产生的三阶互调大多落入发射频带内,如此微小的三阶互调分量,对发射信号的信噪比影响较小。然而,部分发射载波产生的三阶互调会落入到接收频段。移动通信基站接收灵敏度一般在-104 dBm量级。此时,三阶互调会对接收机造成严重干扰,降低通信质量。因此,在移动通信中无源器件产生的三阶互调引起了人们的关注。

GMM900是我国当前正在应用的无线通信系统之一。当基站发射配置了第124号载波(959.8 MHz)和第10号载波(937 MHz)时,其组合后通过天线发送所产生的低三阶互调频率为2×937-959.8=914.2 MHz,而914.2 MHz正好是基站接收频率的第121号频点,此时发射机产生的三阶互调分量就会对基站接收机造成严重干扰。同理,EGSM900系统的发射频点与GSM900系统的高端发射频点组合后所产生的三阶互调分量也可能会落在GSM900的接收频段内。

综合上述分析可发现,在某些发射载波组合通过天线时,其产生的三阶互调频率分量会落入基站的接收频段内,进而干扰接收机的正常通信。因此,在现代移动通信中对无源互调的研究和抑制必不可少。

3无源互调失真测试

为了确保移动通信的通信质量,我国对多载波共用的无源器件的三阶互调产物提出了较高的技术指标,即要求其≤-110 dBm。为达到这一指标,必须对双工器、天线进行精细加工和严格测试。

因无源器件产生的三阶互调分量与通过的载波及其功率有着密切关系。因此,对双工器和天线的三阶互调测试,要求采用双载波高功率的测试方式,每个载波的功率规定为20 W。本文根据无源三阶互调的相关行业标准,设计并提出了能有效测试无源三阶互调的技术方案,所采用的测试框图如图1所示。

图1　测试方框图

在图1中,测试设备中存在两个信号源F1和F2,其频率范围覆盖了移动通信GSM900的发射频段,且具有可连续或步进扫频的功能。每个信号源输出的信号需经过一个高功率放大器(High Power Amplifier,HPA)进行功率放大,测试中,HPA的工作频带为930～960 MHz,其增益≥50 dB,最大输出功率达46.5 dBm。HPA后接低通滤波器(Low Pass Filter,LPF),用于滤除高功率放大器产生的谐波,采用的LPF的插入损耗<0.5 dB。在测试过程中,要确保每路LPF的输出信号功率达到43 dBm[8],可通过定向耦合器DC用功率计对每路信号进行功率监测,以保证每路信号功率达到要求。之后采用合路器(或高功率3 dB桥)将两路频率不同的信号合为一路,合路后的信号通过双工器的发射口馈送到被测天线,在天线中会产生三阶互调信号。

互调产物为传输和反射两种[9-10],本文主要针对反射的互调信号进行测试。在实际测试中,文中采用双工器的接收端口接收天线返回的三阶互调信号,并将其输送给低噪声放大器(Low Noise Amplifier,LNA),经LNA放大后输入到频谱分析仪进行测量。需注意的是,LNA也会产生三阶互调信号,为了使其不对测试结果产生影响,必须对LNA的参数提出一定的要求,在本测试系统中,选用LNA的输出三阶互调截止点(Output Third-order Intercept Point,OIP3)≥0 dBm,增益为40 dB,这样其产生的三阶互调<-130 dBm,对测试结果影响甚微。

为保证测试精度,本文选用的频谱分析仪基底噪声能达到-150 dBm以下,当分辨率带宽RBW=100 Hz时,基底噪声约为-130 dBm。最后将频谱分析仪测量值减去LNA的增益(40 dB)即为被测天线产生的三阶互调分量值。需注意的是,测试设备中的双工器、合路器、定向耦合器和连接电缆都必须是经过预选测试的低三阶互调器件,其三阶互调值应均<-130 dBm。同时,若能选用分辨率带宽RBW可达1 Hz、基底噪声<-150 dBm的高档频谱分析仪,LNA甚至可省略。

图1所示的天线三阶互调测试步骤如下:

(1)将信号源F1的频率设置为GSM900系统的第1号信道的频率(最低),F2设置在第124号信道对应的频率(最高),分别调节F1和F2的信号输出,使每个HPA馈送到天线的功率达到43 dBm,可用功率计进行监测。

(2)将频谱分析仪频率设置在GSM900接收频段(885～915 MHz),分辨率带宽设置在100 Hz,此时基底噪声约为-130 dBm,扫描速度设为10 s慢扫,显示设置为最大保持(Maxhold)。

(3)使信号源F1的频率保持不变,将F2设置为扫描工作状态,其频率从124号信道向2号信道进行扫描,扫描方式设为连续扫描或以200 kHz步进进行扫描,扫描速度在保证功率稳定情况下尽量加快。

(4)信号源F2扫描完一个周期后,使频谱分析仪保存记录,将其结果记为踪迹1。

(5)将F2的频率固定在124号信道,F1改设为扫描状态,扫描范围从1号信道向高端扫描到123号信道,扫描方式同步骤(3)。

(6)信号源F1扫描完一个周期后,使频谱分析仪保存记录,将其结果记为踪迹2。

(7)将频谱分析仪记录的踪迹1、2的电平值分别减去LNA的增益40 dB,即可得到被测天线三阶互调最终测量值。

在测试被测双工器时,需要两个低互调的双工器,连接方法如图1中虚线所示。

在上述测试过程中,经过计算可以发现,只有少数低端发射信道与少数高端发射信道的频率组合后通过天线时,才会产生落在接收频段内的三阶互调。因此,信号源的扫频范围没有必要全部扫描,只需扫描有用的一段频率即可。经计算,信号源有用的频率扫描范围和对应的三阶互调频率范围如表1所示。频谱分析仪、信号源的扫频范围按表设置,可大幅加快测量速度,节省时间。

表1　测试频率扫描范围与产生的三阶互调频率范围

4结束语

本文从半导体的特性出发,分析了无源器件三阶互调的产生机理,并结合现代移动通信系统的频段配置情况,研究了无源互调对移动通信信号接收的影响。为了能有效测试无源互调分量,文中提出了一套有效的无源互调测试方案,并给出了具体的测试步骤。综合全文,在我国只需对用于GSM900的天线和双工器进行三阶互调的严格测试。而GSM1800、CDMA、TD-SCDMA和WCDMA的现有频率配置,不会出现多载波通过天线和双工器产生的三阶互调落入基站接收频段的现象,因此不必花费精力进行三阶互调测量,但要确保精细加工。

参考文献

[1]张世全,葛德彪.通信系统无源非线性引起的互调干扰[J].陕西师范大学学报,2004,32(1):58-62.

[2]王斌.微波频段无源互调干扰研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2014.

[3]王新波,崔万照,胡天存,等.无源互调技术研究现状及发展趋势[C].青岛:2011年全国微波毫米波会议,2011.

[4]叶鸣,贺永宁,孙勤奋,等.大功率条件下的无源互调干扰问题综述[J].空间电子技术,2013,10(1):75-83.

[5]张世全.微波与射频频段无源互调干扰研究[D].西安:西安电子科技大学,2004.

[6]李凯,台中和,黄燕.大功率、多信道通信系统中无源互调的产生机理和测试系统的设计[J].电子世界,2013(13):24-27.

[7]谢瑞华,邹新民.无源器件的互调指标与测试[J].移动通信,2007,31(5):80-81.

[8]朱辉.无源互调测量及解决方案[J].电信技术,2007(9):118-121.

[9]张文强,年夫顺.无源互调测试系统的组建与分析[J].国外电子测量技术,2012,31(5):28-31.

[10]刘晓辉.无源器件互调研究及其测试系统设计[D].西安:西安电子科技大学,2009.