大功率多信道通信系統(tǒng)中無源互調(diào)的產(chǎn)生機(jī)理和測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（一）

1.引言

隨著科技的不斷地發(fā)展和進(jìn)步，移動(dòng)通信技術(shù)也在飛速發(fā)展，從早期的1G(FirstGeneration-第一代移動(dòng)通信技術(shù))，到前些年的2G(Second Generation-第二代移動(dòng)通信技術(shù))，再到最近幾年火熱的3G,以及正在布點(diǎn)試網(wǎng)的4G,移動(dòng)通信系統(tǒng)在不斷地更新?lián)Q代，移動(dòng)通信基站也在不斷地增加擴(kuò)容。從2012年中國工業(yè)和信息化部發(fā)布的通信業(yè)運(yùn)行報(bào)告中移動(dòng)通信用戶總數(shù)首次突破10億的數(shù)據(jù)上也可見一斑。隨著移動(dòng)通信技術(shù)飛速發(fā)展和移動(dòng)通信用戶的不斷增加，我們的通信系統(tǒng)也要持續(xù)升級(jí)以滿足增加的數(shù)據(jù)傳輸要求，然而這些飛速的發(fā)展和升級(jí)并不是完全是積極向上的，也會(huì)帶來一系列的問題出現(xiàn)。比如無源互調(diào)干擾，各運(yùn)營商不同網(wǎng)絡(luò)間的干擾，同鄰頻干擾以及直放站、干放有源干擾等。

而其中最為突出的就是無源互調(diào)干擾問題。

在大功率、多信道通信系統(tǒng)中，存在各種各樣無源器件(天線、射頻饋線、連接件、避雷器、濾波器、雙工器、定向耦合器、射頻終端負(fù)載及衰減器等)，這些無源器件的非線性會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于工作頻率的更高次諧波，而這些諧波與工作頻率混合在一起會(huì)產(chǎn)生一組新的頻率，其最終結(jié)果就是在空中產(chǎn)生一組無用的頻譜從而影響通信系統(tǒng)的正常的通信。這就是大功率多通道通信系統(tǒng)中無源互調(diào)干擾問題。

無源互調(diào)指標(biāo)是衡量移動(dòng)通信質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，但過去由于技術(shù)不成熟、沒有統(tǒng)一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)或者是一套測(cè)試系統(tǒng)太過昂貴等因素導(dǎo)致我們對(duì)其重視不夠。

但隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)中更大功率發(fā)射機(jī)的應(yīng)用和接收機(jī)靈敏度的不斷提高，無源互調(diào)產(chǎn)生的系統(tǒng)干擾日益嚴(yán)重，引起越來越多的專家和研究學(xué)者對(duì)無源互調(diào)干擾的重視。而且目前中國各移動(dòng)運(yùn)營商也已經(jīng)將無源互調(diào)標(biāo)準(zhǔn)納入集采要求。這些都迫使我們?nèi)?duì)無源互調(diào)進(jìn)行研究分析，對(duì)互調(diào)干擾進(jìn)行合理地測(cè)量并找到有效降低干擾的措施。

2.PIM的基本理論

無源互調(diào)( P a s s i v e I n t e r m o d u -lation,簡稱PIM)，是由無源射頻器件，如天線、射頻饋線、連接件、避雷器、濾波器、雙工器、定向耦合器、射頻終端負(fù)載及衰減器等器件的非線性產(chǎn)生的。當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的信號(hào)在具有非線性無源器件中混合時(shí)，無源器件的非線性會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于工作頻率的更高次諧波，而這些諧波與工作頻率混合在一起會(huì)產(chǎn)生一組新的頻率，這組新的的頻率就是PIM產(chǎn)物。當(dāng)這些PIM產(chǎn)物落在系統(tǒng)的接收頻道內(nèi)，接收機(jī)的靈敏度會(huì)降低，從而會(huì)導(dǎo)致通話質(zhì)量或者系統(tǒng)的載波干擾比降低，系統(tǒng)的容量會(huì)減少，同時(shí)在數(shù)字信號(hào)傳輸過程中提高了誤碼率等，無源互調(diào)在日常通信中最常見的表現(xiàn)是在通信過程中遇到的回音、撥不通、在打電話中聽到第三方聲音等。

無源器件都存在非線性，僅僅在功率不大時(shí)可以考慮無源器件為線性。一般的移動(dòng)通信系統(tǒng)中往往包含多個(gè)頻率信號(hào)，為了分析P I M產(chǎn)物的產(chǎn)生和P I M的基本理論，不失一般性，我們考慮最簡單的情況進(jìn)行分析。即系統(tǒng)中有兩路信號(hào)f1和f2同時(shí)作用于非線性無源器件，則有 :

式中m,n均為整數(shù)，可以為正整數(shù)、負(fù)整數(shù)和不同時(shí)為零，(|m|+|n|)定義為PIM產(chǎn)物的階數(shù)。當(dāng)m±n為奇數(shù)時(shí)，新產(chǎn)生的頻率會(huì)落到或者靠近接收通道，可能會(huì)影響系統(tǒng)的靈敏度。通常把2f1-f2或者2f2-f1兩種頻率組合產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物稱為三階互調(diào)，3f1-2f2或者3f2-2f11兩種頻率組合產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物稱為五階互調(diào)，以此類推。一般情況下隨著階數(shù)的增加互調(diào)電平呈下降趨勢(shì)，如圖1所示，三階、五階、七階干擾電平最大。

當(dāng)兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)通過無源器件時(shí)，由于器件的非線性特性，產(chǎn)生的新的諧波和不同階數(shù)的互調(diào)產(chǎn)物，這些信號(hào)共同組成了Vout的頻譜。

當(dāng)兩個(gè)以上的信號(hào)通過無源器件時(shí)，PIM產(chǎn)物數(shù)目會(huì)很快增加，在多頻環(huán)境下，PIM產(chǎn)物的數(shù)目隨傳輸信道數(shù)目和PIM產(chǎn)物階數(shù)的增加而急劇增加。例如，三階和五階PIM產(chǎn)物數(shù)目與傳輸信道數(shù)目的關(guān)系如圖2所示。

3.PIM的產(chǎn)生機(jī)理

移動(dòng)通信系統(tǒng)中，PIM產(chǎn)物來源于系統(tǒng)中無源器件的非線性。經(jīng)過多方實(shí)驗(yàn)認(rèn)證表明，無源器件所選用材料的品質(zhì)、鍍層的材料和厚度、接觸材料中是否含異金屬、材料是否具有磁滯特性、各接觸面壓力、焊接點(diǎn)圓潤不虛焊、連接器中是否材質(zhì)雜質(zhì)或灰塵等等都會(huì)產(chǎn)生PIM干擾。如果按照表現(xiàn)類型分類的話，大致可以分為兩大類：由接觸引起的PIM干擾;由器件材料引起的PIM干擾。我們把他們定義為：接觸非線性和材料非線性。前者表示任何具有非線性的電流和電壓行為的金屬接觸，如法蘭盤、調(diào)諧螺桿、緊固螺釘結(jié)合處的松動(dòng)、氧化和腐蝕等;后者指具有固有非線性電特性的材料，如鐵磁材料、碳纖維和鐵、鈷、鎳合金等。

3.1 接觸非線性

由于接觸非線性引起的PIM干擾具體包括以下幾個(gè)方面：

1)低劣的制造工藝引起松動(dòng)連接、金屬裂縫和連接處的氧化作用產(chǎn)生的PIM產(chǎn)物;

2)在金屬接觸處穿越氧化薄層的電子隧道效應(yīng)和半導(dǎo)體行為產(chǎn)生的PIM產(chǎn)物;3)由結(jié)合面上的點(diǎn)接觸引起的機(jī)械效應(yīng);

4)點(diǎn)電子接觸引起的電子效應(yīng)，點(diǎn)電子接觸和局部發(fā)電流引起的熱響應(yīng);

5 )強(qiáng)直流引起金屬導(dǎo)體中離子電遷移;

6)接觸面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)和磨損;

7)不同熱膨脹系數(shù)器件接觸引起熱循環(huán);

8)金屬接觸的松動(dòng)和滑動(dòng)以及氧化層或污染物的形成。

3.2 材料非線性

由于材料非線性引起的PIM干擾具體包括以下幾個(gè)方面：

1)電介質(zhì)薄層的隧道貫穿：電子通過厚度小于10nm的電介質(zhì)薄層直接由一個(gè)導(dǎo)體到另一個(gè)導(dǎo)體的隧道貫穿，如由氧化層分離的金屬之間的電子隧道效應(yīng);

2)鐵磁效應(yīng)：鐵磁材料(如鐵、鈷、鎳)具有很大的磁導(dǎo)率，并隨磁場(chǎng)非線性變化，顯示出磁滯特性，鐵磁材料能引起很強(qiáng)的PIM產(chǎn)物;

3)接觸電容：由接觸表面薄層和污染層所引起的電容;

4)電致伸縮：電場(chǎng)引起線性變化，發(fā)生于純凈的非線性介質(zhì)中的電致伸縮對(duì)同軸電纜中產(chǎn)生的PIM產(chǎn)物有貢獻(xiàn);

5)磁阻：磁場(chǎng)引起金屬導(dǎo)體電阻的變化;

6)電滯效應(yīng)：材料電偶極子有自排列趨勢(shì);

7)磁致伸縮：磁場(chǎng)引起線性變化，產(chǎn)生于鐵磁材料內(nèi);

8)微放電：真空環(huán)境下由強(qiáng)電場(chǎng)產(chǎn)生離子氣體引起的二次電子倍增放點(diǎn)，產(chǎn)生于微狹縫之間和金屬內(nèi)的砂眼中;