基于共享平台的无源互调测量系统研究

夏永平，魏 斌，谢亚运

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214072）

1 引言

近年来，移动基站、大功率系统不断增多，对现代电子装备及测试仪器的要求也越来越高，低频率、低功率已不能满足系统需要，而大功率条件下系统又会产生互调失真，对系统性能造成破坏，影响系统正常工作，有时甚至会使系统处于崩溃状态，所以研究自身互调很低的无源互调失真测试系统是科研人员与制造商的首要任务。无源互调（Passive Inter Modulation，简称PIM）测量在通信系统和高要求互调器件工程生产等领域均有广泛应用。但由于无源互调自身的复杂性，无法同时进行传输与反射互调测量，造成系统测试方式单一、不灵活、测试耗时等问题。

为保障测试系统的稳定性、可靠性、灵活性并减小系统体积，本文提出了一种以矢量网络分析仪(VNA，vector network analyzer)为共享平台的PIM失真测量方法，该方法采用共享平台的设计理念，以精密仪器VNA为基础平台，将射频组件组装在独立机箱内，设计稳定性更高的PIM失真测试系统。

2 无源互调测量系统

2.1 PIM基本理论

无源互调失真是指在大功率多信道系统中，当两个或多个频率不同的信号输入到无源器件中，如合路器、滤波器等，由于器件非线性特性会产生一定阶数的互调产物。

事实上，理想的线性元件是不存在的，器件都存在一定的非线性，器件的传输函数表示为[1]：

式中，x 是输入信号，F(x)是输出信号，a1、a2、a3…是依赖于非线性器件特性的系数。

假设两个信号频率分别为f1和f2，幅度均为A，组成输入信号输入到非线性器件：

将(1)、(2)式整理，得到如图1所示的无源互调频谱。

图1 无源互调频谱

其中落入接收频段的互调干扰频率为：

式中，m和n均可为正整数和零，m+n为互调信号阶数。

2.2 PIM互调测量

目前国内并没有全面的PIM失真测量标准，而测试标准通常采用国际上制定的标准IEC-62037，并针对射频连接器、电缆、双工器、天线等不同器件，推荐传输测量与反射测量两种PIM失真测量方法[1]。

图2描述了传输互调失真测量原理框图[2]，由信号源1和2产生设置好的两路纯净载波信号f1和f2，分别经过相应频段的功率放大器，将载波信号放大到指标要求的功率，从大功率合路器P1和P2端进入，合成的双音信号从P3端输出，经滤波器滤除杂波，得到纯净的大功率双载波信号（国际IEC建议功率为2×43 dBm，但具体值要视用户要求而定），该双音信号注入到多端口被测器件（DUT）中；在大功率载波信号作用下产生的PIM失真传输到具有信号分离功能的双工器中，双工器一端连接低互调负载吸收双音信号，而落入到接收频段的互调则从P4端经滤波器传输到高灵敏度的接收机中，接收机读数为传输PIM失真最终的测试结果。

图2 传输PIM失真测量原理图

反射和传输PIM失真测量原理基本一致，其区别在于反射互调测量系统中DUT空闲端口连接低互调负载，且反射互调产物要经双工器下行频带传输到接收机。

上述两个测量系统虽可通过替换组件实现不同频段的测试，但是只能比较单一地进行反射或传输互调失真测试，其中离散性组件替换后很难重现原有测试结果，系统测试稳定性不好，会增大互调测试误差，不利于工程实际应用需要；同时若PIM失真产物过于微弱而测量系统中频谱分析仪或接收机的动态范围与灵敏度不足以测得PIM失真信号，就需对PIM失真测量系统进行部分改进，如在接收机前端添加低噪声放大器，以增加其动态范围与灵敏度。

3 基于共享平台的PIM测量系统设计

3.1 基于VNA的共享平台

VNA是进行微波元件测试最典型、最通用的仪器，可用于测量器件的幅频特性、相频特性和时延特性，最常用的4端口VNA配置有2个内部源，可在较宽的频率范围内快速扫描，在预定范围内改变功率值，为DUT提供恒定功率与稳定频率，可解决PIM失真测试系统中射频组件精确控制的问题[3]。同时VNA已开发出频谱响应模式，其内部程序会将源和接收机的频率自动调谐与自动设置频宽，使其覆盖2个源的频差；还可以通过减小中频带宽、增加扫描平均值等方式来减小接收机噪声基底，以满足不同测试环境的需求。

以矢量网络分析仪为基础仪器，采用共享平台的设计理念，在共享平台基础上构建测量系统，并扩展系统功能，将测量系统朝集成化方向发展。同时升级频段或增加测试功能时只需增加相应的集成射频子系统便可达到目的。以基础仪器为共享平台搭建的测量系统集成将成为测量领域发展的新趋势。

影响添加微胶囊的相似试件的力学性能的因素很多，笔者主要考虑的因素是微胶囊的掺量、粒径、养护龄期。因此选用掺量(0.2%、0.5%、0.8%)，粒径(150、200、300 μm)，养护龄期(3、5、7 d)进行试验，通过试件愈合前后的力学性能研究裂隙修复情况。采用正交试验设计方法，选用L9(33)正交表(表1)。

3.2 基于VNA的PIM测量系统原理

本设计可利用VNA中2个激励源替代信号源，使得信号的频谱纯度相对提高；使用VNA的接收机功能代替频谱分析仪，同时在接收机前端添加低噪声放大器，进一步提高测量动态范围与灵敏度，增加测试结果的准确度。这样不仅可以减小测量系统体积与降低成本，还可实现VNA功能的扩展。该方法又根据测量端口不同的连接方式，将传输与反射PIM失真测量融合到一起，使得测量系统对传输互调失真与反射互调失真均可测试，并将功率放大器、双工器、合路器等集成测试子系统，使外部组件数量最小化，具有良好的兼容性、可靠性与稳定性。

如图3所示为基于VNA的PIM失真测量设计框图，虚框部分为集成功率放大器、双工器、合路器等器件的PIM失真测试装置，其余部分为矢量网络分析仪，其中P1～P4端为VNA 4个端口。

图3 基于VNA的PIM失真测量

在进行PIM失真测量时，设置VNA中的频率参考模块控制源1、源2和本振源输出指定信号，源1、源2分别提供两路不同的载波信号f1和f2，两信号经过放大器放大到所需的功率，放大后的信号利用大功率合路器合成双音信号，经过滤波器滤波、双工器提纯后，形成纯净的大功率双音信号。该双音信号从P5端口注入到DUT，由于DUT的非线性特性使得DUT产生PIM失真干扰信号，干扰信号经P5端口反射或从P6端口传输到双工器中，利用双工器的信号分离作用提取互调信号，再由后端的带通滤波器滤波，进入VNA测试接收机，VNA测试接收机中PIM失真信号与本振信号下变频后得到中频PIM失真信号，再由中频调理板调理得到PIM失真信号的基本信息。当然这里的滤波器是一组可选择滤波器，可通过控制不同的滤波器测试不同频段的互调失真，避免更换滤波器造成系统稳定性变差、引入测试误差等不利因素。

当测量双端口或多端口器件时，如双工器、定向耦合器等，在P5与P6两端口连接DUT，如图3实线传播路径所示，在DUT产生的互调传输到另一个双工器中，利用双工器的频率选择性，双音信号由双工器一端的低互调负载吸收，而互调信号经双工器传输到VNA中；当测量单端口器件时，如天线和负载等，用反射式测量，在P5端口连接单端口DUT，P6端口连接低互调负载，如图3虚线传播路径所示，在DUT产生的互调反射后经双工器Rx通道传输到VNA中，而双音信号则由P6端口的低互调负载吸收。

3.3 校准测试设计

大多数电子测试仪表都需要借助另一种较高质量的电子设备进行细致测量来表征性能参数，在原始测量数据上应用误差修正算法，调整与提高系统实际性能，确保测试系统符合特定的性能要求以完成校准。

PIM失真测试系统易受到外界环境影响而产生不可控制的测试误差，所以为保证互调测试系统工作性能达到最优，有必要在双载波信号输入到多端口DUT之前先进行输出功率校准，确保其功率在满足用户要求的范围内，若不满足使用者的要求，则需进行调试直到满足为止。同时也要注意传输路径中的阻抗匹配问题，若双音信号在传输路线中阻抗不匹配，就会造成回波损耗与噪声，降低PIM失真测试系统的测试精度。

首先，根据客户指定要求或测试器件指标要求，确定系统反射端口(即DUT输入端口)的输出功率。现以功率43 dBm为例，由于20 W功率已超出功率计耦合探头的输入功率要求，为避免损坏测试设备，应在探头前端连接大功率衰减器[4]，如图4所示，在互调失真测量系统的反射输出端口（即图3中的P5端）连接大功率衰减器与已校准好的功率计后，分别打开测量系统的2路信号源，记录功率计读数，经计算后确定DUT输入端口的2路信号功率是否符合要求，若不符合要求，则调整测量系统的信号源功率直到符合要求为止。

图4 系统输出功率校准

测量系统自身互调与DUT互调值相差越大，测量的不确定度越低 。当DUT互调值接近残余互调电平时，将产生明显的测量误差。因此，测量精度受功率校准、接收机校准、系统剩余互调等的影响。

4 测试结果与分析

基于前期设计与仿真优化，进行了系统搭建与测试。按图3原理搭建PIM测量系统，如图5所示，上面的仪器为矢量网络分析仪，下面的仪器为微波互调失真测试集成装置。

图5 PIM测量系统实物图

为保证互调测量准确性与可重复性，需进行功率校准测试，系统输入到DUT功率为＋43 dBm。在功率计探头前端连接衰减值为40 dB的大功率衰减器，调节VNA源输出功率，使功率计显示＋3 dBm。

由于PIM失真测试装置是由合路器、双工器、电缆、大功率负载等无源器件组成的子系统，其本身在大功率条件下产生PIM失真会影响测量精度，因此互调失真测试前需进行系统残余互调测试。用低互调负载分别连接测试装置的2个端口，进行反射残余互调测试。为保证测试结果的可靠性，需多次测试系统残余互调。将电缆与低互调负载断开后重新连接，并且每次拧紧转接头的力度与次数保持一致，保持系统输出功率为+43 dBm，每次改变输入频率，然后将系统自身残余互调与测试结果进行对比，如表1所示。由于此时的互调信号极其微弱，易受外界影响，所以外界测试环境应尽量保持恒定。

表1 点频模式下残余互调对比表

从表1可以看出，传输残余互调值大于反射残余互调值，这是由于测试时传输式测量比反射式测量多了部分电缆与双工器，当大功率信号输入到这些电缆与双工器时也会产生PIM失真，所以在测试装置中使用的电缆与双工器等无源器件必须有特殊要求，其PIM指标要尽可能小，否则将会影响PIM失真测量系统的测试结果与测试精度。尽管在每个频点的互调值只有微小的浮动，但在测量误差允许的范围内，该系统残余互调指标符合设计要求，同时证明了测量系统具有很好的稳定性。

由测试分析可知：系统自身互调≤-168 dBc@2×43 dBm，实际值与测试结果基本一致。但由于系统使用的仪器、转接头等匹配问题以及连接DUT所用的力矩、本身材料等因素都会影响测量结果，在测试过程中会存在一定的测量误差，这些误差是可以忽略的。

5 结论

本文介绍了一种基于VNA这一共享平台的无源互调测量系统的设计方法。该测试方法在一定程度上减小了系统体积，提高了PIM失真测试性能与系统稳定性，既可同时测量传输与反射互调失真，又具有很高的测量精度，解决了激励信号与测试信号频率同步的问题，扩展了VNA的测试功能；同时具有升级的便利性，升级频段时只需增加相应的集成射频子系统即可，为系统的兼容性提供可靠的保障。

[1]郑晓程.基于Acousto-Electromagnetic方法的无源互调定位技术研究[D].杭州:浙江大学,2013.01.

[2]王海宁,梁建刚,王积勤.大功率微波条件下的PIM问题综述[J].微波学报,2005,21(增刊):1-6.

[3]Joel P Dunsmore.微波器件测量手册:矢量网络分析仪高级测量技术指南[M].陈新,等译.北京:电子工业出版社,2014:52-55.

[4]詹志强,石雷兵,来磊.Summitek无源互调测试仪的校准[J].仪器仪表学报,2008,29(4).

[5]Hienonen,P Vainikainen,AVRaisanen.Sensitivity Measurements of a Passive Inter modulation Near-Field Scanner[J].IEEE Antennas and Propagalion Magazine,2003,45(4):124-129.

[6]Aspden,P L,A P Anderson,J C Bennett.Microwave Holographic Imaging of Inter modulation Product Sources Applied to Reflection Antennas[C].Proceedings of IEEE 6thInternational Conference on Antennas and Propagation,1989.