無源器件的三階互調(diào)研究及測試

李培紅

(中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所 檢測認(rèn)證中心,河北 石家莊050081)

摘要根據(jù)二極管特性,分析了無源互調(diào)的產(chǎn)生機(jī)理,討論了無源互調(diào)對移動(dòng)通信的影響。理論分析表明,我國的GSM900存在三階交調(diào),嚴(yán)重影響接收機(jī)性能。文中以天線為例給出了有效的無源互調(diào)測試方案,實(shí)際測試結(jié)果表明,該方案能準(zhǔn)確測量對小功率交調(diào)信號。

關(guān)鍵詞無源器件;三階互調(diào);非線性失真

收稿日期:2015-06-24

作者簡介:李培紅(1965—),女,工程師。研究方向:移動(dòng)通信。E-mail:lipeihong54@163.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.030

中圖分類號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、混頻器等存在幅度非線性和相位非線性,因此在多載波工作時(shí)會產(chǎn)生諧波和互調(diào)分量。互調(diào)分量往往落在發(fā)射信號帶內(nèi)無法濾除,對通信信號造成干擾,尤其是三階互調(diào)分量。為了減小交調(diào)分量,通常采用輸出功率補(bǔ)償(Backoff)、線性化器、前饋抵消等措施。

無源互調(diào)是由無源器件的弱非線性所引起。在通信系統(tǒng)中,當(dāng)非線性無源器件同時(shí)傳輸兩個(gè)或兩個(gè)以上的載波信號時(shí)就會產(chǎn)生無源互調(diào)現(xiàn)象[1]。在低功率小信號的工作條件下,無源器件的非線性失真較小,可忽略不計(jì),但在大功率強(qiáng)信號的情況下,無源器件的非線性失真已不容忽視[2-3]。近年來,隨著大容量、高功率無線通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展和應(yīng)用,無源器件在工作過程中產(chǎn)生的無源互調(diào)(Passive Intermodulation,PIM)信號對正常通信的影響越發(fā)突出,成為了無線通信發(fā)展過程中一個(gè)亟待解決的重要問題。

1無源互調(diào)失真原理件

無源器件,如收發(fā)信機(jī)中常用的雙工器、耦合器、隔離器、合路器和天線等,在多載波、高功率的作用下均會產(chǎn)生諧波和互調(diào)分量。這是因無源器件在制作過程中存在多個(gè)接頭和焊接點(diǎn),由于加工工藝不完善,這些接頭和焊點(diǎn)所連接的不同金屬之間甚至?xí)嬖诋愇?最終導(dǎo)致這些部位具有類似半導(dǎo)體的特性。此外,器件電鍍層的厚度不均勻和局部氧化也會形成器件的半導(dǎo)體特性[4]。上述缺陷最終使得無源器件具備了二極管的特性,下面根據(jù)二極管的電流電壓特性對無源互調(diào)的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析。

二極管的電流電壓特性可表示為[5-6]

I=a0+a1v+a2v2+a3v3+a4v4+a5v5…

(1)

其中,v表示輸入信號電壓;I表示電流;an,n=0,1,2,3,… 表示輸入信號各次項(xiàng)系數(shù),表征非線性程度的大小。為了簡化計(jì)算,文中以兩等幅載波為例進(jìn)行研究,則輸入信號為

v=Acosθ1t+Acosω2t…

(2)

其中,A表示輸入信號的電壓幅值;ω1和ω2分別表示兩載波的角頻率。將式(2)代入式(1),可看出,式(1)左邊前3項(xiàng)a0,a1v,a2v2分別代表了直流、線性和二次諧波信號。本文討論的重點(diǎn)是三階互調(diào),因此不對上述3項(xiàng)信號進(jìn)行分析,對a3v3之后的高次項(xiàng)也不做進(jìn)一步研究,在此需注意的是高階項(xiàng)所代表的是高階互調(diào)信號,其幅度遠(yuǎn)小于三階互調(diào),通常忽略不計(jì)。

將式(2)代入a3v3項(xiàng),可得出對應(yīng)的電流表達(dá)式為

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

(3)

對式(3)進(jìn)行展開,在新產(chǎn)生的頻率分量中找出與工作頻率相近的兩項(xiàng)分別為

(4)

式(4)即是所需的三階互調(diào)分量的表達(dá)式。在此,以f1和f2分別表示兩載波的工作頻率,則三階互調(diào)的頻率可表示為2f1-f2和2f2-f1[7]。

(5)

其中,P=A2表示輸入信號的功率。從式(5)中可以看出,在三階互調(diào)的線性段,三階互調(diào)分量與輸入信號功率的三次方成正比。輸入信號功率越大則產(chǎn)生的三階互調(diào)越高,三階互調(diào)分量與載波輸入(輸出)功率有著密切關(guān)系。

2無源互調(diào)對移動(dòng)通信的影響

針對無源器件,式(1)中的系數(shù)a3通常較小,在實(shí)際通信過程中,無源器件產(chǎn)生的三階互調(diào)分量一般<-100 dBm。在移動(dòng)通信中,發(fā)射頻帶的發(fā)射載波產(chǎn)生的三階互調(diào)大多落入發(fā)射頻帶內(nèi),如此微小的三階互調(diào)分量,對發(fā)射信號的信噪比影響較小。然而,部分發(fā)射載波產(chǎn)生的三階互調(diào)會落入到接收頻段。移動(dòng)通信基站接收靈敏度一般在-104 dBm量級。此時(shí),三階互調(diào)會對接收機(jī)造成嚴(yán)重干擾,降低通信質(zhì)量。因此,在移動(dòng)通信中無源器件產(chǎn)生的三階互調(diào)引起了人們的關(guān)注。

GMM900是我國當(dāng)前正在應(yīng)用的無線通信系統(tǒng)之一。當(dāng)基站發(fā)射配置了第124號載波(959.8 MHz)和第10號載波(937 MHz)時(shí),其組合后通過天線發(fā)送所產(chǎn)生的低三階互調(diào)頻率為2×937-959.8=914.2 MHz,而914.2 MHz正好是基站接收頻率的第121號頻點(diǎn),此時(shí)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的三階互調(diào)分量就會對基站接收機(jī)造成嚴(yán)重干擾。同理,EGSM900系統(tǒng)的發(fā)射頻點(diǎn)與GSM900系統(tǒng)的高端發(fā)射頻點(diǎn)組合后所產(chǎn)生的三階互調(diào)分量也可能會落在GSM900的接收頻段內(nèi)。

綜合上述分析可發(fā)現(xiàn),在某些發(fā)射載波組合通過天線時(shí),其產(chǎn)生的三階互調(diào)頻率分量會落入基站的接收頻段內(nèi),進(jìn)而干擾接收機(jī)的正常通信。因此,在現(xiàn)代移動(dòng)通信中對無源互調(diào)的研究和抑制必不可少。

3無源互調(diào)失真測試

為了確保移動(dòng)通信的通信質(zhì)量,我國對多載波共用的無源器件的三階互調(diào)產(chǎn)物提出了較高的技術(shù)指標(biāo),即要求其≤-110 dBm。為達(dá)到這一指標(biāo),必須對雙工器、天線進(jìn)行精細(xì)加工和嚴(yán)格測試。

因無源器件產(chǎn)生的三階互調(diào)分量與通過的載波及其功率有著密切關(guān)系。因此,對雙工器和天線的三階互調(diào)測試,要求采用雙載波高功率的測試方式,每個(gè)載波的功率規(guī)定為20 W。本文根據(jù)無源三階互調(diào)的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)并提出了能有效測試無源三階互調(diào)的技術(shù)方案,所采用的測試框圖如圖1所示。

圖1　測試方框圖

在圖1中,測試設(shè)備中存在兩個(gè)信號源F1和F2,其頻率范圍覆蓋了移動(dòng)通信GSM900的發(fā)射頻段,且具有可連續(xù)或步進(jìn)掃頻的功能。每個(gè)信號源輸出的信號需經(jīng)過一個(gè)高功率放大器(High Power Amplifier,HPA)進(jìn)行功率放大,測試中,HPA的工作頻帶為930～960 MHz,其增益≥50 dB,最大輸出功率達(dá)46.5 dBm。HPA后接低通濾波器(Low Pass Filter,LPF),用于濾除高功率放大器產(chǎn)生的諧波,采用的LPF的插入損耗<0.5 dB。在測試過程中,要確保每路LPF的輸出信號功率達(dá)到43 dBm[8],可通過定向耦合器DC用功率計(jì)對每路信號進(jìn)行功率監(jiān)測,以保證每路信號功率達(dá)到要求。之后采用合路器(或高功率3 dB橋)將兩路頻率不同的信號合為一路,合路后的信號通過雙工器的發(fā)射口饋送到被測天線,在天線中會產(chǎn)生三階互調(diào)信號。

互調(diào)產(chǎn)物為傳輸和反射兩種[9-10],本文主要針對反射的互調(diào)信號進(jìn)行測試。在實(shí)際測試中,文中采用雙工器的接收端口接收天線返回的三階互調(diào)信號,并將其輸送給低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,LNA),經(jīng)LNA放大后輸入到頻譜分析儀進(jìn)行測量。需注意的是,LNA也會產(chǎn)生三階互調(diào)信號,為了使其不對測試結(jié)果產(chǎn)生影響,必須對LNA的參數(shù)提出一定的要求,在本測試系統(tǒng)中,選用LNA的輸出三階互調(diào)截止點(diǎn)(Output Third-order Intercept Point,OIP3)≥0 dBm,增益為40 dB,這樣其產(chǎn)生的三階互調(diào)<-130 dBm,對測試結(jié)果影響甚微。

為保證測試精度,本文選用的頻譜分析儀基底噪聲能達(dá)到-150 dBm以下,當(dāng)分辨率帶寬RBW=100 Hz時(shí),基底噪聲約為-130 dBm。最后將頻譜分析儀測量值減去LNA的增益(40 dB)即為被測天線產(chǎn)生的三階互調(diào)分量值。需注意的是,測試設(shè)備中的雙工器、合路器、定向耦合器和連接電纜都必須是經(jīng)過預(yù)選測試的低三階互調(diào)器件,其三階互調(diào)值應(yīng)均<-130 dBm。同時(shí),若能選用分辨率帶寬RBW可達(dá)1 Hz、基底噪聲<-150 dBm的高檔頻譜分析儀,LNA甚至可省略。

圖1所示的天線三階互調(diào)測試步驟如下:

(1)將信號源F1的頻率設(shè)置為GSM900系統(tǒng)的第1號信道的頻率(最低),F2設(shè)置在第124號信道對應(yīng)的頻率(最高),分別調(diào)節(jié)F1和F2的信號輸出,使每個(gè)HPA饋送到天線的功率達(dá)到43 dBm,可用功率計(jì)進(jìn)行監(jiān)測。

(2)將頻譜分析儀頻率設(shè)置在GSM900接收頻段(885～915 MHz),分辨率帶寬設(shè)置在100 Hz,此時(shí)基底噪聲約為-130 dBm,掃描速度設(shè)為10 s慢掃,顯示設(shè)置為最大保持(Maxhold)。

(3)使信號源F1的頻率保持不變,將F2設(shè)置為掃描工作狀態(tài),其頻率從124號信道向2號信道進(jìn)行掃描,掃描方式設(shè)為連續(xù)掃描或以200 kHz步進(jìn)進(jìn)行掃描,掃描速度在保證功率穩(wěn)定情況下盡量加快。

(4)信號源F2掃描完一個(gè)周期后,使頻譜分析儀保存記錄,將其結(jié)果記為蹤跡1。

(5)將F2的頻率固定在124號信道,F1改設(shè)為掃描狀態(tài),掃描范圍從1號信道向高端掃描到123號信道,掃描方式同步驟(3)。

(6)信號源F1掃描完一個(gè)周期后,使頻譜分析儀保存記錄,將其結(jié)果記為蹤跡2。

(7)將頻譜分析儀記錄的蹤跡1、2的電平值分別減去LNA的增益40 dB,即可得到被測天線三階互調(diào)最終測量值。

在測試被測雙工器時(shí),需要兩個(gè)低互調(diào)的雙工器,連接方法如圖1中虛線所示。

在上述測試過程中,經(jīng)過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn),只有少數(shù)低端發(fā)射信道與少數(shù)高端發(fā)射信道的頻率組合后通過天線時(shí),才會產(chǎn)生落在接收頻段內(nèi)的三階互調(diào)。因此,信號源的掃頻范圍沒有必要全部掃描,只需掃描有用的一段頻率即可。經(jīng)計(jì)算,信號源有用的頻率掃描范圍和對應(yīng)的三階互調(diào)頻率范圍如表1所示。頻譜分析儀、信號源的掃頻范圍按表設(shè)置,可大幅加快測量速度,節(jié)省時(shí)間。

表1　測試頻率掃描范圍與產(chǎn)生的三階互調(diào)頻率范圍

4結(jié)束語

本文從半導(dǎo)體的特性出發(fā),分析了無源器件三階互調(diào)的產(chǎn)生機(jī)理,并結(jié)合現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻段配置情況,研究了無源互調(diào)對移動(dòng)通信信號接收的影響。為了能有效測試無源互調(diào)分量,文中提出了一套有效的無源互調(diào)測試方案,并給出了具體的測試步驟。綜合全文,在我國只需對用于GSM900的天線和雙工器進(jìn)行三階互調(diào)的嚴(yán)格測試。而GSM1800、CDMA、TD-SCDMA和WCDMA的現(xiàn)有頻率配置,不會出現(xiàn)多載波通過天線和雙工器產(chǎn)生的三階互調(diào)落入基站接收頻段的現(xiàn)象,因此不必花費(fèi)精力進(jìn)行三階互調(diào)測量,但要確保精細(xì)加工。

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