浅谈射频技术中的无源互调测量技术

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在射频电路中,由于衰减效应严重影响了通信网络的运行,因此PIM在无线通信领域越来越受关注。只要当两个频率以上的信号遇到一个非线性的电学结或类似物质,就会产生互调。其结果是产生了我们不想要的信号,这个信号的频率可以由最初的原始频率经过计算得到,它会导致系统容量的减少,和(或)通话质量的降低。所以说怎么处理好这个信号是射频技术研究中比较重要的一环。
 
蜂窝小区中容量的减少和通话质量的降低将导致无线通信服务提供商收入的减少。当受影响的客户对该服务提供商失去信心,并且改换成使用竞争对手的服务时,那么该服务提供商的经济损失将是不可预计的。
 
在强调性价比的现实情况下,一味的坚持“低”互调原则是很难满足市场的大量需求的。
 
PIM的评估设备应该采用动态的测量方法。由于频率是依赖于许多设备及其子系统的特性,因此固定频率的测试方法可能是不适合的。
 
PIM的形成原因
 
设计、制造和维护都是产生互调的原因。就互调而言,良好的设计是必要条件,但不是成功的充分条件。同时,许多公司认为互调可以简单得通过一些设计规则来控制。避免使用含铁材料、使连接结点的数量最少化。设计中所有的连接结点必须是精确的,并且在足够的压力下还能维持很好的连接。焊接或冷焊所有的结点;避免不同材料间的直接接触;电镀所有的表面,防止氧化;确保电镀的均匀以及足够的厚度。虽然这些规则看似简单,但是完美地实现他们才是成功的关键。理想过程中的微小偏差可能导致无法容忍的互调。现实环境下可能发生的情况:部件间的简单连接;螺杆和紧固件的不切当的扭矩;连接处的焊接不良;电镀前没有彻底充分清洗部件;污染的电镀槽;电镀材料的结构;使用错误的材料;电镀的附着力差。
 
一旦你已经拥有了设计完美和制造良好的零部件后,接下来的挑战就是组装和系统的安装了。所有的结点都是互调的潜在产生者,因此,每个连接点都是问题的潜在源头。当存在机械压力(电缆的弯曲度、接头截面的扭力负荷,超过/低于扭矩的接头)的情况下,在良好的外界环境中对结点的测试,仍然是不可靠的。
 
总之,所有连接起来的部件达到互调指标并不能保证其子系统也可以达到互调的指标。
 
再之,自然因素是那些暴露在自然界的网络部分的天敌。风力造成的摆动、温度日变化、各种不同形式的潮湿、阳光造成的热量负荷、空气中的尘埃。以上的每一种情况都会毁掉器件在网络中的质量,并且最终导致信道的崩溃。接缝的衰减、结点的分离、湿气的入侵、材料的氧化,以及尘埃的污染都将增加互调,降低接收机灵敏度。这个结果是在设计潜能下的蜂窝网络的实际情况。
 
测试方法--量化互调性能
 
良好的通信质量要求保持一个可以容忍的载干(C/I)比,因此,我们的希望干扰”I”越小越好。在理想情况下,干扰”I”总是小于接收机的底噪。这个我们不希望看到的干扰产生的原因之一就是无源互调。
 
一个典型的指标要求,在测试中向设备注入两个+43dBm的载波信号时,无源互调不能大于–110dBm,即-153dBc。换句话说,这个指标要求相当于1:2,000,000,000,000,000的比值,或者说相当于我们要以0.1mm的精确度来测量地球与太阳间的距离。
 
以前
 
以前测量PIM的通常做法是在测试环境中,注入两个固定频率的,每路20瓦的连续波信号时,测量产生的互调功率值。这个方案与国际标准委员会定义的测量PIM的方法(IEC TC46 WG6)是一致的。
 
要实现必要的测试设备,经典的方式是采用架叠式方式,将两台信号合成器馈送信号至两个大功率放大器。这两个大功率放大器连接着很多器件,这些器件用来合成、过滤和双工信号。然后将经过处理的信号通过一台低噪放后发送到频谱分析仪进行监控和显示。一台功率计被用来周期性地调整发射功率,来补偿偏差。
 
采用架叠式方法搭建无源互调平台显然是一个困难的过程。而且,由于其中的许多离散性器件、组件和相互连接的电缆,导致了测量结果有时很难再现,设备经常不稳定和容易损坏。如果这还不足以说服你的话,这种测试方法还是耗时的。而且,我们已经开始认识到,这样的测试结果是不确定的,也是容易误解的。
 
现在
 
基于对PIM测量的实现方式(和相关的不足之处)的理解,需要建立一套具有高质量、可重复测试方法的测试设备。使得设备能够容易的建立和使用。通过提供新的有用的工具来保证世界先进水平。为了建立一个清楚的实现基础的对比,将标准化引入该复杂的测试方法。紧跟当前的技术趋势和测试标准。聆听消费者的建议,使之分类合并,以便于尽可能地提供最全面的,简单易学的测试设备。
 
这促成了无源互调仪的三大重要的设计特点:
 
1、高集成化设计:将所有的射频器件组装在一个独立的机箱中,使外部组件数量最小化,这将提高设备的可靠性、稳定性和可重复性。
 
2、高速数字接收机技术。Summitek的分析仪的速度和频率灵敏性使之可以达到:
同时测量多个互调产物。
测量和记录一些瞬间状态,比如无源互调脉冲,以及由于机械和环境影响造成的互调变化。
互调的扫频测量特性验证了整个指定频段范围的执行情况。
 
3.创造性的新测试性能:最终的设备操作简单、高效、严谨,因此,该测试方法对于保证产品的质量和网络完整性是非常实用的。
 
大多数测量方法是基于一对独立的载波频率的。由于无线通信标准,该频率往往设置在发送频带的边缘。
 
以测量工作于PCS1900频带的器件为例。典型地,测试设置载波1为1930 MHz ,载波2为1990 MHz(注:有一些无源互调测试设备基于设计原因,必须将一个载波设置在接收频段内,另一个载波设置在发射频段内。这个测试方法的正确性有争议)。在发射频率和功率确定,以及频谱分析仪设置成互调响应后,测试就开始了。在测试过程中,要注意的是不要碰撞被测器件和测试仪表,以免在频谱分析仪扫描刚好通过互调频段时,由于其不稳定性产生数据尖峰。
 
经验告诉我们这种测量无源互调的方法有很多限制,并且存在很多隐藏的潜在问题。
 
动态测量
 
不考虑环境因素,尽管由于最佳的设计和制造,产品的性能是稳定的,但是器件和子系统的无源互调响应会受制于压力而显著的改变。在动态测量中,我们会应用一些适当的外界刺激来监控互调性能。
 
有关电缆装配的动态测量问题已经受到了极大的关注。我们必须注意到接头/电缆界面产生的互调,还要考虑到电缆本身产生的互调(由固体导体电缆上的微裂纹和编织电缆的非连续性接触引起的互调)。测试包括当电缆在弯曲状态,或接头/电缆表面处于挠矩状态时的互调。
在我们看来,无线通信网络中,基站发射端的所有组件受制于互调,可以使用“敲击”实验和“挠度”实验两种方法。“敲击”实验就是简单地敲打器件,并观察互调响应。例如,频繁得敲击滤波器的调节螺杆,会产生高互调值。当停止敲击后,互调值有时会恢复到原来的低互调情况,而有时却仍然维持在高互调的情况。“敲击”实验对于证明屏蔽器件和电缆终有一天将会失效是非常有用的。
 
在接下来的例子中,我们将会有测试图作为说明。在这个实验过程中,我们使用了具有带状记录纸功能的分析仪来记录在实验过程中互调响应的数据。被测器件是一个PCS1900的带通滤波器,我们所关心的是由于敲击而导致的互调变化。在这之后的另一个实验是用来说明当温度改变时,器件的互调指标会随之急速变差。
 
无源互调测量技术
图1:动态互调测量
 
“挠度”实验就是在被测器件的接头上施加一个适当的侧力时,观察互调的变化。接头没有充分固定在器件主体上,或者器件内部发射结构不坚固,都会导致互调的产生。
 
扫频测量
 
到目前为止,已经被人们所接受的无源互调的测量方法还是将载波设置成两个固定的频率,然后测量产生的互调。这两个固定的频率通常设置在发射频段,但也不一定是这样。我们发现,这样的测试方法对于很大一部分器件的互调测量不是很恰当。因为这些器件的互调特性是随一个与频率有关的函数而变化的。我们使用的无源互调分析仪生产的互调测试设备具有多重频段的扫频功能,解决了该问题,而且更简单实用。
 
下面是一个明显的例子来证明扫频互调测试仪的优点。在实验中,被测的是一个接头有问题的PCS1900频段的双工器。需要说明的是,该器件接头的损坏是由于扭矩过大引起的,而且它不能通过肉眼的观察以及回波损耗的扫频测量来发现。下图是一个“好”双工器和“坏”双工器的回波损耗的比较示意图。
 
无源互调测量技术
 
“好”的双工器在整个频段内都达到了–115 dBm的技术指标,但是,当“坏”双工器的发射载波从通带边缘被搬移时,其互调指标就急速变差。如果这两个双工器只使用通带边缘的载波进行测试时,都能通过质量评估的筛选。
 
为了充分显示被测器件的特性,具有扫频功能的无源互调分析仪记录了,当两路中每一路载波在整个发射频段(即下行链路)扫描时的互调值,但是,每次只有一路载波处于扫描状态,而另一路维持在通带边缘的固定频率上。下面的例子中,当载波2在1950到1990 MHz频段扫描,载波1固定在1930 MHz时,产生的三阶互调信号的频段在1870到1910 MHz之间。
测量结果可以被记录进一个文档,并复制到电脑的剪贴板上,以便可以将它粘贴到另一个应用程序中,或者可以直接硬拷贝到打印机上打印。
 
无源互调测量技术
 
总结
 
由于无线通信服务提供商致力于维护和赢得客户,控制无源互调失真直接关系到服务提供商的经济利益。目前蜂窝网络中存在的无源互调影响了基站的容量和通话质量。因此,为了实现更好的网络性能,无源互调指标在整个设计、制造过程,乃至安装在基站后,都必须受到重视,并进行测量和控制,这样才能设计出一个更加完美和适用的射频电路。
 
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