通信系统中无源互调失真的测量

关键字：无源器件 混频 互调失真 功率合成器 定向耦合器

前言 在现代通信系统中，当多个频率的载波信号通过一些无源器件时，都会产生互调失真。无源器件如天线、电缆、滤波器等，由于其机械连接的不可靠，使用具有磁滞特性的材料，污损的接触面等原因，不同频率的信号在不材料连接处非线性混频，产生不同幅度的互调产物，而这些互调失真信号又表现为通信频带中的干扰信号，使系统的信噪比下降，严重影响通信系统的容量和质量。实际上，在我们平时的设计和测量中，一般对有源互调寄予比较多的关注，如由放大器、混频器等产生的互调失真，而有源互调的测量，由于互调失真与载波的相对幅度差较小，故测量易于实现。随着通信系统的发展和系统质量的提高,无源互调的测量与分析将会日益受到重视。

测量的建立 当测量功率合成器的互调失真时，可使用如下图的传统测量方法：

                                        图一

如图示，采用Anritsu公司的68347信号源输出的高功率连续波信号分别输入到功率合成器的两个端口。每一载波的频率在测量需要的带宽内合适设定，功率合成器有两种作用：即为被测器件，又将两路信号合成为一路信号。功率合成器产生的互调信号传输到双工器端口，接收带宽内的互调信号用频谱分析仪测量。

现代无源互调分析仪，可输出预先组合的双频信号。互调仪具有两个射频端口，端口一可输出两个高功率电平的双频信号，经过被测器件后进入分析仪的端口二，端口一的反射信号同时也进入分析仪的接收机。分析仪可在传输模式和反射模式两种状态下工作，分别测量被测件的传输互调失真和反射互调失真。

实际上，对被测件而言，不同因素产生的互调失真都为矢量信号，它们相对的相位关系将决定被测件在特定状态下的互调失真的总幅度。在传输测量中，不同的互调产物在到达端口二时均同相，而在反射测量中，到达端口一的互调失真为端口一的总响应和端口二上互调源的相移响应。因此，反射互调失真为频率和被测件电长度的函数。

使用互调仪测量上述功率合成器的互调响应，测量连接如下图：

                                        图二

如图，互调仪的端口一接功率合成器的被测输入口，这样可以测量功率合成器的A1、A2 和B端口的互调失真。互调仪的传输模式测量端口B的前向互调失真，反射模式测量端口A1的互调失真。如图示，如果端口A1作为驱动端口，端口A2应接低互调失真负载，以理想地测试功率合成器的互调失真。通过换接端口A1、A2,功率合成器每一输入端口的互调均可被测量。

把上面两种方法作一比较：图一中，功率合成器连接处和端口B承载两个连续波功率，测量的互调失真为这两个因素的总的互调失真。如果每一端口的入射信号均为非调制信号，这种方法准确测量了功率合成器的真正互调性能，但是受到频谱分析仪的固有互调失真的限制。如果功率合成器在输出、输入端口均为调制信号，图二提供的测量结果更有实际意义。
测量方法 下面主要讨论采用无源互调分析仪测量时提高测量准确度的方法：

（一）测量两端口器件的前向无源互调失真时，可采用直接的连接方法：被测件的输入端口接分析仪的端口一，输出端口接分析仪的端口二。这种方法的测量误差随频率和连接端口二与被测件的电缆长度的变化而变化。而且，由于互调仪的端口一和端口二仅在测量的发射和接收带宽内实现阻抗匹配，故在分析仪输出载波信号的谐波频率范围内，将产生大的驻波，这样，即使被测件在高功率载波的基波和谐波频率范围内具有良好的阻抗匹配特性，这种测量方法的建立仍产生出不同的互调电平。采用下图的方法，可取得理想的测量结果。

                                     图三

如图三，首先，使用的定向耦合器必须要有足够低的固有互调特性，其耦合度介于10~30dB之间，过大的耦合值使得被测的互调信号淹没在分析仪端口二的噪声底带之中，过小的耦合度将增加测量误差。定向耦合器如此连接，以便双频载波和产生的互调均可传输到耦合端口，耦合器的传输臂接低互调失真终端负载。耦合器的反向耦合端口匹配一标准五十欧姆终端负载。测量前，首先直接连接定向耦合器（好的电缆和适配器）到分析仪的两端口做残余互调的检查。这种测量建立提供了宽带的阻抗匹配，有效地降低了载波的谐波频率范围内的驻波，稳定的测试条件得到更有意义的测量结果。

（二）高互调电平的无源互调失真测量 ：

一般地，无源互调失真分析仪系统都有一线性工作区，如为-75~-125dBm,如果接受机的IM电平大于-75dBm,接收机的测量误差将增大。对于测量前向互调电平，可采用如图三的测试方法。定向耦合器的这种连接方法使得双载波和产生的互调信号都流向耦合端口，耦合器的传输臂的端口可接低互调失真负载

同样的方法可适用于反向互调的测量，建立如下图：

                                       图四

图示为被测件的反向互调测量，注意图四的定向耦合器相比图三反接。定向耦合器的正向和反向耦合端口均接标准五十欧姆负载，传输臂接被测件，在被测件的输出端接一低互调失真负载，这使得传输到端口一的互调信号最终在端口二得到测量。

在上述两种建立中，定向耦合器的耦合端口都接一固定衰减器，衰减器的值决定于期望的互调电平，衰减器的作用是进一步减小互调电平使其低于单独使用定向耦合器时的电平值。在这两种方法中，测量系统的建立都要避免产生有效的残余互调电平。在测量时，衰减器的衰减值可由小到大变化，以使被测的互调电平衰减后达到互调仪接收机的线性工作区。测量结果要考虑衰减器的衰减值和定向耦合器的耦合值。

小结现阶段无源互调失真的测量，理论和方法都还处于初步阶段，有些测量方法也不够成熟。随着射频技术的发展，这一参数的测量将会愈加受到重视，测量设备也会更为完善，测量准确度也将大大提高。

附英文标题、摘要及关键词：

Measurement Of Passive Intermodulation Distortion In Communication System

Abstract This paper introduce the measurement method of passive intermodulation distortion, and mainly

discuss the test principle of modern passive intermodulation distortion analyzer, the setup of measurement system and means of improve the measurement accuracy.

Keywords Passive Device Intermodulation Distortion Power combiner
Directional Coupler

参考文献：

1．http:www.tec.ch To closely liaise with TC102 for matters relevant to antennas and SC48B for connetors with respect to PIM.

2.Passive Intermodulation Distortion Analyzer, User's Guide , Summitekinstruments

3.application note ＃1900-1，application note ＃1900-2，application note ＃1900-3，
Summitekinstruments