夏永平，魏 斌，謝亞運

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫 214072）

1 引言

近年來，移動基站、大功率系統(tǒng)不斷增多，對現(xiàn)代電子裝備及測試儀器的要求也越來越高，低頻率、低功率已不能滿足系統(tǒng)需要，而大功率條件下系統(tǒng)又會產(chǎn)生互調(diào)失真，對系統(tǒng)性能造成破壞，影響系統(tǒng)正常工作，有時甚至會使系統(tǒng)處于崩潰狀態(tài)，所以研究自身互調(diào)很低的無源互調(diào)失真測試系統(tǒng)是科研人員與制造商的首要任務(wù)。無源互調(diào)（Passive Inter Modulation，簡稱PIM）測量在通信系統(tǒng)和高要求互調(diào)器件工程生產(chǎn)等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。但由于無源互調(diào)自身的復(fù)雜性，無法同時進行傳輸與反射互調(diào)測量，造成系統(tǒng)測試方式單一、不靈活、測試耗時等問題。

為保障測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、靈活性并減小系統(tǒng)體積，本文提出了一種以矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA，vector network analyzer)為共享平臺的PIM失真測量方法，該方法采用共享平臺的設(shè)計理念，以精密儀器VNA為基礎(chǔ)平臺，將射頻組件組裝在獨立機箱內(nèi)，設(shè)計穩(wěn)定性更高的PIM失真測試系統(tǒng)。

2 無源互調(diào)測量系統(tǒng)

2.1 PIM基本理論

無源互調(diào)失真是指在大功率多信道系統(tǒng)中，當兩個或多個頻率不同的信號輸入到無源器件中，如合路器、濾波器等，由于器件非線性特性會產(chǎn)生一定階數(shù)的互調(diào)產(chǎn)物。

事實上，理想的線性元件是不存在的，器件都存在一定的非線性，器件的傳輸函數(shù)表示為[1]：

式中，x 是輸入信號，F(xiàn)(x)是輸出信號，a1、a2、a3…是依賴于非線性器件特性的系數(shù)。

假設(shè)兩個信號頻率分別為f1和f2，幅度均為A，組成輸入信號輸入到非線性器件：

將(1)、(2)式整理，得到如圖1所示的無源互調(diào)頻譜。

圖1 無源互調(diào)頻譜

其中落入接收頻段的互調(diào)干擾頻率為：

式中，m和n均可為正整數(shù)和零，m+n為互調(diào)信號階數(shù)。

2.2 PIM互調(diào)測量

目前國內(nèi)并沒有全面的PIM失真測量標準，而測試標準通常采用國際上制定的標準IEC-62037，并針對射頻連接器、電纜、雙工器、天線等不同器件，推薦傳輸測量與反射測量兩種PIM失真測量方法[1]。

圖2描述了傳輸互調(diào)失真測量原理框圖[2]，由信號源1和2產(chǎn)生設(shè)置好的兩路純凈載波信號f1和f2，分別經(jīng)過相應(yīng)頻段的功率放大器，將載波信號放大到指標要求的功率，從大功率合路器P1和P2端進入，合成的雙音信號從P3端輸出，經(jīng)濾波器濾除雜波，得到純凈的大功率雙載波信號（國際IEC建議功率為2×43 dBm，但具體值要視用戶要求而定），該雙音信號注入到多端口被測器件（DUT）中；在大功率載波信號作用下產(chǎn)生的PIM失真?zhèn)鬏數(shù)骄哂行盘柗蛛x功能的雙工器中，雙工器一端連接低互調(diào)負載吸收雙音信號，而落入到接收頻段的互調(diào)則從P4端經(jīng)濾波器傳輸?shù)礁哽`敏度的接收機中，接收機讀數(shù)為傳輸PIM失真最終的測試結(jié)果。

圖2 傳輸PIM失真測量原理圖

反射和傳輸PIM失真測量原理基本一致，其區(qū)別在于反射互調(diào)測量系統(tǒng)中DUT空閑端口連接低互調(diào)負載，且反射互調(diào)產(chǎn)物要經(jīng)雙工器下行頻帶傳輸?shù)浇邮諜C。

上述兩個測量系統(tǒng)雖可通過替換組件實現(xiàn)不同頻段的測試，但是只能比較單一地進行反射或傳輸互調(diào)失真測試，其中離散性組件替換后很難重現(xiàn)原有測試結(jié)果，系統(tǒng)測試穩(wěn)定性不好，會增大互調(diào)測試誤差，不利于工程實際應(yīng)用需要；同時若PIM失真產(chǎn)物過于微弱而測量系統(tǒng)中頻譜分析儀或接收機的動態(tài)范圍與靈敏度不足以測得PIM失真信號，就需對PIM失真測量系統(tǒng)進行部分改進，如在接收機前端添加低噪聲放大器，以增加其動態(tài)范圍與靈敏度。

3 基于共享平臺的PIM測量系統(tǒng)設(shè)計

3.1 基于VNA的共享平臺

VNA是進行微波元件測試最典型、最通用的儀器，可用于測量器件的幅頻特性、相頻特性和時延特性，最常用的4端口VNA配置有2個內(nèi)部源，可在較寬的頻率范圍內(nèi)快速掃描，在預(yù)定范圍內(nèi)改變功率值，為DUT提供恒定功率與穩(wěn)定頻率，可解決PIM失真測試系統(tǒng)中射頻組件精確控制的問題[3]。同時VNA已開發(fā)出頻譜響應(yīng)模式，其內(nèi)部程序會將源和接收機的頻率自動調(diào)諧與自動設(shè)置頻寬，使其覆蓋2個源的頻差；還可以通過減小中頻帶寬、增加掃描平均值等方式來減小接收機噪聲基底，以滿足不同測試環(huán)境的需求。

以矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為基礎(chǔ)儀器，采用共享平臺的設(shè)計理念，在共享平臺基礎(chǔ)上構(gòu)建測量系統(tǒng)，并擴展系統(tǒng)功能，將測量系統(tǒng)朝集成化方向發(fā)展。同時升級頻段或增加測試功能時只需增加相應(yīng)的集成射頻子系統(tǒng)便可達到目的。以基礎(chǔ)儀器為共享平臺搭建的測量系統(tǒng)集成將成為測量領(lǐng)域發(fā)展的新趨勢。

影響添加微膠囊的相似試件的力學(xué)性能的因素很多，筆者主要考慮的因素是微膠囊的摻量、粒徑、養(yǎng)護齡期。因此選用摻量(0.2%、0.5%、0.8%)，粒徑(150、200、300 μm)，養(yǎng)護齡期(3、5、7 d)進行試驗，通過試件愈合前后的力學(xué)性能研究裂隙修復(fù)情況。采用正交試驗設(shè)計方法，選用L9(33)正交表(表1)。

3.2 基于VNA的PIM測量系統(tǒng)原理

本設(shè)計可利用VNA中2個激勵源替代信號源，使得信號的頻譜純度相對提高；使用VNA的接收機功能代替頻譜分析儀，同時在接收機前端添加低噪聲放大器，進一步提高測量動態(tài)范圍與靈敏度，增加測試結(jié)果的準確度。這樣不僅可以減小測量系統(tǒng)體積與降低成本，還可實現(xiàn)VNA功能的擴展。該方法又根據(jù)測量端口不同的連接方式，將傳輸與反射PIM失真測量融合到一起，使得測量系統(tǒng)對傳輸互調(diào)失真與反射互調(diào)失真均可測試，并將功率放大器、雙工器、合路器等集成測試子系統(tǒng)，使外部組件數(shù)量最小化，具有良好的兼容性、可靠性與穩(wěn)定性。

如圖3所示為基于VNA的PIM失真測量設(shè)計框圖，虛框部分為集成功率放大器、雙工器、合路器等器件的PIM失真測試裝置，其余部分為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，其中P1～P4端為VNA 4個端口。

圖3 基于VNA的PIM失真測量

在進行PIM失真測量時，設(shè)置VNA中的頻率參考模塊控制源1、源2和本振源輸出指定信號，源1、源2分別提供兩路不同的載波信號f1和f2，兩信號經(jīng)過放大器放大到所需的功率，放大后的信號利用大功率合路器合成雙音信號，經(jīng)過濾波器濾波、雙工器提純后，形成純凈的大功率雙音信號。該雙音信號從P5端口注入到DUT，由于DUT的非線性特性使得DUT產(chǎn)生PIM失真干擾信號，干擾信號經(jīng)P5端口反射或從P6端口傳輸?shù)诫p工器中，利用雙工器的信號分離作用提取互調(diào)信號，再由后端的帶通濾波器濾波，進入VNA測試接收機，VNA測試接收機中PIM失真信號與本振信號下變頻后得到中頻PIM失真信號，再由中頻調(diào)理板調(diào)理得到PIM失真信號的基本信息。當然這里的濾波器是一組可選擇濾波器，可通過控制不同的濾波器測試不同頻段的互調(diào)失真，避免更換濾波器造成系統(tǒng)穩(wěn)定性變差、引入測試誤差等不利因素。

當測量雙端口或多端口器件時，如雙工器、定向耦合器等，在P5與P6兩端口連接DUT，如圖3實線傳播路徑所示，在DUT產(chǎn)生的互調(diào)傳輸?shù)搅硪粋€雙工器中，利用雙工器的頻率選擇性，雙音信號由雙工器一端的低互調(diào)負載吸收，而互調(diào)信號經(jīng)雙工器傳輸?shù)絍NA中；當測量單端口器件時，如天線和負載等，用反射式測量，在P5端口連接單端口DUT，P6端口連接低互調(diào)負載，如圖3虛線傳播路徑所示，在DUT產(chǎn)生的互調(diào)反射后經(jīng)雙工器Rx通道傳輸?shù)絍NA中，而雙音信號則由P6端口的低互調(diào)負載吸收。

3.3 校準測試設(shè)計

大多數(shù)電子測試儀表都需要借助另一種較高質(zhì)量的電子設(shè)備進行細致測量來表征性能參數(shù)，在原始測量數(shù)據(jù)上應(yīng)用誤差修正算法，調(diào)整與提高系統(tǒng)實際性能，確保測試系統(tǒng)符合特定的性能要求以完成校準。

PIM失真測試系統(tǒng)易受到外界環(huán)境影響而產(chǎn)生不可控制的測試誤差，所以為保證互調(diào)測試系統(tǒng)工作性能達到最優(yōu)，有必要在雙載波信號輸入到多端口DUT之前先進行輸出功率校準，確保其功率在滿足用戶要求的范圍內(nèi)，若不滿足使用者的要求，則需進行調(diào)試直到滿足為止。同時也要注意傳輸路徑中的阻抗匹配問題，若雙音信號在傳輸路線中阻抗不匹配，就會造成回波損耗與噪聲，降低PIM失真測試系統(tǒng)的測試精度。

首先，根據(jù)客戶指定要求或測試器件指標要求，確定系統(tǒng)反射端口(即DUT輸入端口)的輸出功率?，F(xiàn)以功率43 dBm為例，由于20 W功率已超出功率計耦合探頭的輸入功率要求，為避免損壞測試設(shè)備，應(yīng)在探頭前端連接大功率衰減器[4]，如圖4所示，在互調(diào)失真測量系統(tǒng)的反射輸出端口（即圖3中的P5端）連接大功率衰減器與已校準好的功率計后，分別打開測量系統(tǒng)的2路信號源，記錄功率計讀數(shù)，經(jīng)計算后確定DUT輸入端口的2路信號功率是否符合要求，若不符合要求，則調(diào)整測量系統(tǒng)的信號源功率直到符合要求為止。

圖4 系統(tǒng)輸出功率校準

測量系統(tǒng)自身互調(diào)與DUT互調(diào)值相差越大，測量的不確定度越低 。當DUT互調(diào)值接近殘余互調(diào)電平時，將產(chǎn)生明顯的測量誤差。因此，測量精度受功率校準、接收機校準、系統(tǒng)剩余互調(diào)等的影響。

4 測試結(jié)果與分析

基于前期設(shè)計與仿真優(yōu)化，進行了系統(tǒng)搭建與測試。按圖3原理搭建PIM測量系統(tǒng)，如圖5所示，上面的儀器為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，下面的儀器為微波互調(diào)失真測試集成裝置。

圖5 PIM測量系統(tǒng)實物圖

為保證互調(diào)測量準確性與可重復(fù)性，需進行功率校準測試，系統(tǒng)輸入到DUT功率為＋43 dBm。在功率計探頭前端連接衰減值為40 dB的大功率衰減器，調(diào)節(jié)VNA源輸出功率，使功率計顯示＋3 dBm。

由于PIM失真測試裝置是由合路器、雙工器、電纜、大功率負載等無源器件組成的子系統(tǒng)，其本身在大功率條件下產(chǎn)生PIM失真會影響測量精度，因此互調(diào)失真測試前需進行系統(tǒng)殘余互調(diào)測試。用低互調(diào)負載分別連接測試裝置的2個端口，進行反射殘余互調(diào)測試。為保證測試結(jié)果的可靠性，需多次測試系統(tǒng)殘余互調(diào)。將電纜與低互調(diào)負載斷開后重新連接，并且每次擰緊轉(zhuǎn)接頭的力度與次數(shù)保持一致，保持系統(tǒng)輸出功率為+43 dBm，每次改變輸入頻率，然后將系統(tǒng)自身殘余互調(diào)與測試結(jié)果進行對比，如表1所示。由于此時的互調(diào)信號極其微弱，易受外界影響，所以外界測試環(huán)境應(yīng)盡量保持恒定。

表1 點頻模式下殘余互調(diào)對比表

從表1可以看出，傳輸殘余互調(diào)值大于反射殘余互調(diào)值，這是由于測試時傳輸式測量比反射式測量多了部分電纜與雙工器，當大功率信號輸入到這些電纜與雙工器時也會產(chǎn)生PIM失真，所以在測試裝置中使用的電纜與雙工器等無源器件必須有特殊要求，其PIM指標要盡可能小，否則將會影響PIM失真測量系統(tǒng)的測試結(jié)果與測試精度。盡管在每個頻點的互調(diào)值只有微小的浮動，但在測量誤差允許的范圍內(nèi)，該系統(tǒng)殘余互調(diào)指標符合設(shè)計要求，同時證明了測量系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性。

由測試分析可知：系統(tǒng)自身互調(diào)≤-168 dBc@2×43 dBm，實際值與測試結(jié)果基本一致。但由于系統(tǒng)使用的儀器、轉(zhuǎn)接頭等匹配問題以及連接DUT所用的力矩、本身材料等因素都會影響測量結(jié)果，在測試過程中會存在一定的測量誤差，這些誤差是可以忽略的。

5 結(jié)論

本文介紹了一種基于VNA這一共享平臺的無源互調(diào)測量系統(tǒng)的設(shè)計方法。該測試方法在一定程度上減小了系統(tǒng)體積，提高了PIM失真測試性能與系統(tǒng)穩(wěn)定性，既可同時測量傳輸與反射互調(diào)失真，又具有很高的測量精度，解決了激勵信號與測試信號頻率同步的問題，擴展了VNA的測試功能；同時具有升級的便利性，升級頻段時只需增加相應(yīng)的集成射頻子系統(tǒng)即可，為系統(tǒng)的兼容性提供可靠的保障。

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