1 概述

無源器件會產生非線性互調失真嗎？答案是肯定的！盡管還沒有系統的理論分析，但是在工程中已經發現在一定條件下無源器件存在互調失真，并且會對通信系統（尤其是蜂窩系統）產生嚴重干擾。

無源互調（PassiveInter-Modulation，PIM）是由發射系統中各種無源器件的非線性特性引起的。在大功率、多信道系統中，這些無源器件的非線性會產生相對于工作頻率的更高次諧波，這些諧波與工作頻率混合會產生一組新的頻率，其最終結果就是在空中產生一組無用的頻譜從而影響正常的通信。

所有的無源器件都會產生互調失真。無源互調產生的原因很多，如機械接觸的不可靠、虛焊和表面氧化等。

5年前，大部分射頻工程師很少提及無源器件互調問題。但是，隨著移動通信系統新頻率的不斷規劃、更大功率發射機的應用和接收機靈敏度的不斷提高，無源互調產生的系統干擾日益嚴重，因此越來越被運營商、系統制造商和器件制造商所關注。

長期以來，無源器件的互調失真測量技術一直被國外公司所掌握，并壟斷了測量產品市場。今天這種局面發生了變化，無源互調測量技術難關已經被中國本土的射頻工程師們攻克，而且低成本的商用無源互調測量系統也已誕生。

2 無源互調的表達方式

無源互調有絕對值和相對值兩種表達方式。絕對值表達方式是指以dBm為單位的無源互調的絕對值大小；相對值表達方式是指無源互調值與其中一個載頻的比值（這是因為無源器件的互調失真與載頻功率的大小有關），用dBc來表示。

典型的無源互調指標是在兩個43dBm的載頻功率同時作用到被測器件DUT時，DUT產生-110dBm（絕對值）的無源互調失真，其相對值為-153dBc。

3 無源互調測量方法

由于無源互調值非常小，因此無源互調的測量非常困難。到目前為止，無源互調的測量項目和測量方法尚無相應的國際標準，通常都是采用IEC推薦的測量方法。IEC推薦的正向和反射互調產物的測量方法分別如圖1和2所示。

圖1 正向互調測量示意

圖2　反射互調測量示意

圖1表示一個兩端口或多端口器件在兩個大功率信號的同時作用下所產生的互調產物。絕大部分的無源器件，如雙工器、濾波器、定向耦合器等都可以采用這種方法測量。圖2表示一個單端口器件在兩個大功率信號的同時作用下所產生的反射互調產物。天線和負載可以采用這種方法測量。

4 無源互調測量面臨的新挑戰

隨著通信技術的不斷發展，新的系統干擾問題不斷出現，給測量工作者帶來了新的挑戰。

（1）反向互調測量

在一些功率合成系統或者多載頻的共用系統中，當兩個大功率信號同時作用于一個兩端口器件的輸入和輸出端時，在輸出端口將會產生很大的互調產物。在多系統合路平臺（POI）系統中情況更為復雜。各種不同頻段的載頻同時進入系統，除了本頻段的互調干擾外，還會產生跨頻段的互調干擾。因此，需要進行圖3所示的無源器件反向互調測量。

圖3 無源器件的反向互調測量

（2）測量范圍

典型的無源器件，如定向耦合器、功率分配器、雙工器、連接器和電纜組件等，其互調產物通常在-120～-100dBm，也就是相對于43dBm測量條件下的-163～-143dBc；而某些器件的互調產物更大，如鐵氧體器件的互調產物可達-60dBc甚至更大。對于前一類器件，不要求測量系統的測量范圍太大。目前同類產品的互調測量上限是-65dBm，也就是43 dBm條件下的-108 dBc。對于后一類器件，可以采用通用的頻譜分析儀測量。頻譜分析儀是一種通用的射頻分析儀器，也稱為“射頻萬用表”。既然獲此美譽，頻譜分析儀的動態范圍必定足夠大。即使是低端頻譜分析儀，測量范圍也可以達到-150～30 dBm。

（3）測量精度

對于無源互調測量系統的測量精度，雖然目前還沒有相應的國際標準，但是無源互調的測量精度依然是有章可循的。與測量精度有關的因素有功率校準和系統的剩余互調。
l功率校準

功率校準對于測量精度有很大關系。從理論上說，載頻增加1dB，互調產物增加3dB。在IEC推薦的測量方法中，建議加載到DUT的測量功率是每載頻43dBm，這個值已經成為行業的標準測量功率。隨著通信系統功率的不斷增加，參照功率標準并非一成不變，可能會出現更高的參照功率標準。

要準確校準測量端的功率，頻譜分析儀不是最合適的選擇，因為頻譜分析儀的幅度測量精度通常為±1dB，加上衰減器的影響，總的功率誤差可能超過±1dB。大功率測量的最佳手段莫過于通過式功率計，這種功率計采用高方向性的定向耦合器，可以提供大功率在線測量。

l系統的剩余互調

測量系統自身的剩余互調值是系統的最主要指標之一。系統剩余互調和DUT互調之間的差值決定了測量結果的精度。在IEC中建議的可接受的系統剩余互調和DUT互調之間的差值為10dB，這意味著系統的測量誤差為+2.4/-3.3dB。在小互調測量情況下，這個誤差完全可以接受。對于大互調測量（大于-80dBc時），

10dB的余量似乎小了些，20dB比較合理。

5 無源互調測量系統的實現需要考慮的要素

無源互調測量實際上是在實驗室重現器件在實際工作條件下所產生的無源互調，因此，如何能逼真地模仿實際工作環境是無源互調測量系統的關鍵所在。要做到這一點，必須考慮以下幾大要素。

（1）測量端功率的幅度

測量端功率大小的設置原則應該是可能加載到DUT端的最大功率的上限。在IEC中提到：除非特別說明，加載到DUT的測量功率為2×43dBm。顯然，這是針對早期的基站而言，直到現在，這個功率等級依然適用于大多數器件的測量。隨著新的數字蜂窩通信標準的不斷誕生，出現了更大幅度和更大范圍的功率等級。如CDMA和WCDMA，由于這些調制信號具有很高的峰均功率比，為了滿足系統的要求，放大器的1dB壓縮點功率要遠遠超過調制狀態下的平均功率。因此，除了43dBm以外，還出現了小至26 dBm和大到51 dBm條件下的測量要求。

（2）載頻的數量

絕大部分無源互調測量都是在兩載頻的條件下進行的，但是也有四載頻條件下的測量。隨著無線信道的日益擁擠，多載頻的無源互調測量可能在不久的將來被列入有關的測量標準。

（3）測量功率流的方向

將兩個載頻合成后從一個方向同時注入DUT，這已經是無源互調測量的慣性思維了。但是在實際應用中，系統中的器件要承受來自不同方向的功率。對于這一點，早期的無源互調測量系統并沒有考慮到。

（4）頻率配置

早期，測量者關心的是落在接收頻段的互調，如今越來越關心落入發射頻段的互調。一些標準的無源互調測量系統只能測量落入接收頻段的互調，對于落入發射頻段的互調測量無能為力。另外，由于多制式系統的共存，跨頻段的互調干擾也將逐漸顯現。對于無源互調測量系統來說，除了接收頻段外，發射頻段和跨頻段的互調分析和測量也是需要考慮的重要因素。

（5）測量范圍

這個問題在前面已經有詳細的描述。頻譜分析儀自身的測量范圍遠遠超過專用的測量接收機。此外，頻譜分析儀是通用儀器，可以充分提高資源的利用率。

6 無源互調測量解決

方案
經過不懈的努力，上海創遠信息技術股份有限公司成功開發了第一套本土化的商用無源互調測量系統—PIM系統。PIM測量系統是參照了IEC推薦的測量方法并結合當前各種新的測量要求開發的，整個設計過程完全遵循無源互調測量的“仿真原則”。

（1）共享測量平臺
PIM系統采用“共享平臺”設計理念，系統的基礎平臺采用通用的頻譜測量技術，第二層平臺分別是GSM900和DCS1800的基本測量系統，在此基礎上可分別升級到CDMA800和WCDMA頻段，從而覆蓋了移動通信頻段。

得益于這種設計理念，PIM系統的升級和擴容變得十分便利和經濟。如要升級到TETRA頻段和E-GSM頻段，只要增加相應的射頻子系統即可；即使要升級到450MHz和3.5GHz頻段，第一層的共享平臺依然可以利用。隨著新的通信系統（如POI系統）的不斷出現，PIM系統可以提供足夠的升級空間以開發出客戶化的測量解決方案。

（2）內置信號源
PIM系統內置信號源，這種信號源是根據測量要求的頻段而配置的，目的是為了降低用戶的投資成本。

（3）靈活的結構
PIM系統分為高度集成化和19英寸機柜兩種結構，如圖4所示。高度集成化結構占地面積小，適用于單一測量功能的應用；19英寸機柜結構更方便系統的升級和擴容，每個子系統模塊均采用19英寸的標準插箱，可以隨心所欲地增加新的功能模塊。

圖4　上海創遠公司開發生產的PIM測量系統

（4）可調的大功率源
在正向互調測量時，作用在DUT端的測量功率可大于44dBm；在反向互調測量時，作用在DUT端的功率可高達49dBm。如果需要，系統功率可以提高到51.7dBm（150 W）。配合標準信號源，測量端功率任意可調。為了保證測量精度，每個測量端的功率都經過5012C通過式功率計的精確校準。

（5）通用的基礎儀器
除內置信號源外，PIM系統還兼容通用的基礎射頻儀器，從而保證了系統的通用性和可擴展性。

（6）具有針對性的測量解決方案
除具備IEC推薦的基本測量方法外，PIM系統還提供了大量具有極強針對性的測量解決方案，包括發射頻段的互調測量、反向互調測量、諧波測量、POI系統的互調測量和更大功率的合成應用等。

7 結束語

無源器件互調失真的分析和測量比較復雜。根據無源互調測量的“仿真原則”，一套無源互調測量系統應具有組合功能，具有良好的兼容性和升級的便利性，上海創遠信息技術股份有限公司開發的PIM無源互調測量系統很好地滿足了這幾大方面的要求。

作者：上海創遠信息技術股份有限公司 朱輝