大功率多信道通信系統(tǒng)中無源互調(diào)的產(chǎn)生機理和測試系統(tǒng)的設計（一）

1.引言

隨著科技的不斷地發(fā)展和進步，移動通信技術(shù)也在飛速發(fā)展，從早期的1G(FirstGeneration-第一代移動通信技術(shù))，到前些年的2G(Second Generation-第二代移動通信技術(shù))，再到最近幾年火熱的3G,以及正在布點試網(wǎng)的4G,移動通信系統(tǒng)在不斷地更新?lián)Q代，移動通信基站也在不斷地增加擴容。從2012年中國工業(yè)和信息化部發(fā)布的通信業(yè)運行報告中移動通信用戶總數(shù)首次突破10億的數(shù)據(jù)上也可見一斑。隨著移動通信技術(shù)飛速發(fā)展和移動通信用戶的不斷增加，我們的通信系統(tǒng)也要持續(xù)升級以滿足增加的數(shù)據(jù)傳輸要求，然而這些飛速的發(fā)展和升級并不是完全是積極向上的，也會帶來一系列的問題出現(xiàn)。比如無源互調(diào)干擾，各運營商不同網(wǎng)絡間的干擾，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、射頻終端負載及衰減器等)，這些無源器件的非線性會產(chǎn)生相對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)指標是衡量移動通信質(zhì)量的一個重要指標，但過去由于技術(shù)不成熟、沒有統(tǒng)一的測試標準或者是一套測試系統(tǒng)太過昂貴等因素導致我們對其重視不夠。

但隨著移動通信系統(tǒng)中更大功率發(fā)射機的應用和接收機靈敏度的不斷提高，無源互調(diào)產(chǎn)生的系統(tǒng)干擾日益嚴重，引起越來越多的專家和研究學者對無源互調(diào)干擾的重視。而且目前中國各移動運營商也已經(jīng)將無源互調(diào)標準納入集采要求。這些都迫使我們?nèi)o源互調(diào)進行研究分析，對互調(diào)干擾進行合理地測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、射頻終端負載及衰減器等器件的非線性產(chǎn)生的。當兩個或兩個以上的信號在具有非線性無源器件中混合時，無源器件的非線性會產(chǎn)生相對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產(chǎn)生一組新的頻率，這組新的的頻率就是PIM產(chǎn)物。當這些PIM產(chǎn)物落在系統(tǒng)的接收頻道內(nèi)，接收機的靈敏度會降低，從而會導致通話質(zhì)量或者系統(tǒng)的載波干擾比降低，系統(tǒng)的容量會減少，同時在數(shù)字信號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，僅僅在功率不大時可以考慮無源器件為線性。一般的移動通信系統(tǒng)中往往包含多個頻率信號，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行分析。即系統(tǒng)中有兩路信號f1和f2同時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)、負整數(shù)和不同時為零，(|m|+|n|)定義為PIM產(chǎn)物的階數(shù)。當m±n為奇數(shù)時，新產(chǎn)生的頻率會落到或者靠近接收通道，可能會影響系統(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，如圖1所示，三階、五階、七階干擾電平最大。

當兩個激勵信號通過無源器件時，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，這些信號共同組成了Vout的頻譜。

當兩個以上的信號通過無源器件時，PIM產(chǎn)物數(shù)目會很快增加，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)生機理

移動通信系統(tǒng)中，PIM產(chǎn)物來源于系統(tǒng)中無源器件的非線性。經(jīng)過多方實驗認證表明，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、焊接點圓潤不虛焊、連接器中是否材質(zhì)雜質(zhì)或灰塵等等都會產(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、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方面：

1)低劣的制造工藝引起松動連接、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和半導體行為產(chǎn)生的PIM產(chǎn)物;3)由結(jié)合面上的點接觸引起的機械效應;

4)點電子接觸引起的電子效應，點電子接觸和局部發(fā)電流引起的熱響應;

5 )強直流引起金屬導體中離子電遷移;

6)接觸面的相對運動、振動和磨損;

7)不同熱膨脹系數(shù)器件接觸引起熱循環(huán);

8)金屬接觸的松動和滑動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)薄層直接由一個導體到另一個導體的隧道貫穿，如由氧化層分離的金屬之間的電子隧道效應;

2)鐵磁效應：鐵磁材料(如鐵、鈷、鎳)具有很大的磁導率，并隨磁場非線性變化，顯示出磁滯特性，鐵磁材料能引起很強的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)中的電致伸縮對同軸電纜中產(chǎn)生的PIM產(chǎn)物有貢獻;

5)磁阻：磁場引起金屬導體電阻的變化;

6)電滯效應：材料電偶極子有自排列趨勢;

7)磁致伸縮：磁場引起線性變化，產(chǎn)生于鐵磁材料內(nèi);

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