WCDMA系统中PIM的分析与测量

2016-09-20 09:16:28来源: dzsc 关键字:WCDMA系统  PIM  分析与测量
  无源互调(Passive Inter Modulation,PIM)效应是HPM效应的一种,在HPM条件下,HPM通过不同的耦合途径进入电子系统,由于其大功率特性,使传统的无源线性器件产生较强的非线性效应,部件和系统的非线性特性也会变得更加明显,导致更为严重的PIM问题,进而影响整个系统的性能。这使得对PIM效应的分析研究显得尤为重要。

  PIM的测量足PIM问题中一个重要的研究方向,一方面测量所得的数据可以用来进行高阶PIM的预测;另一方面,为研究无源部件的PIM机理提供实验数据。

  1 PIM测量系统的特点与基础测量方法

  1.1 测量系统的特点

  从原理上来看,PIM的测量方法与有源部件的互调测量方法类似,但是由于PIM自身的特殊性,其测量系统的结构更复杂,要求也更高。一般地,PIM测量系统应具有以下特点:

  (1)大功率信号源:PIM的测量是大功率测量问题,一般需要以高于工作功率电平2~4倍的功率进行测量,微波功率高达上百瓦甚至几千瓦。

  (2)高灵敏度接收机由于PIM的功率电平一般都非常低,对测量系统的灵敏度要求很高。

  (3)低PIM组件:PIM测试系统的组成部件本身必须是高性能、低PIM的。专用的合成器定向耦合器滤波器等产生的PIM电平必须控制在被测件PIM电平的-6 dB以下,连匹配负载都要采用不产生PIM的特殊负载,以保证整个测试系统能够正常工作。

  (4)PIMP与环境温度有关,并随着时间发生变化,因此需要进行长时间的温度循环试验。

  (5)此外,PIM测量系统与频率和带宽相关性很强,测量系统难以通用,一般需要根据测试目的进行专门的制作。同时,不仅要测量无源部件的PIM产物,还要能够对天线和整星进行测量。因此,如何设计一个低PIM的测量系统是进行PIM测量首先必须解决的问题。

  1.2 PIM的基础测量方法

  对于PIM测量来说,测量方法十分重要。针对不同的器件、不同的测量要求,有4种测量方法:直通测量法、反射测量法、辐射测量法、再辐射测量法,此外还有用于整个卫星的整星级测量法。

  2 WCDMA系统射频段PIM效应的分析

  所有的无源部件实际上都存在一定程度的非线性。当输入功率较小时,这些器件的非线性程度较弱,可以忽略其非线性而近似为线性器件。但当输入功率很大时,与接收信号相比,非线性因素所造成的影响比较大,就不能被忽略了。随着通信卫星向更高功率、更宽频带和更高的接收机灵敏度的趋势发展,无源互调对通信卫星的影响已经成为不可回避的重要问题。

  在GSM900/1 800和800 MHz CDMA通信系统中,由发射频段产生的三阶互凋产物会落入到他们各自的接收频段。随着发射功率的增加,在WCDMA系统中,其发射频段为2 150~2 210 MHz,接收频段为1 920~1 980 MHz,由发射频段产生的互调产物不会落入到其自身的接收频段,而会落到发射频段。通过以下数学计算可以来验证这个现象。

  三阶互调产物fPIM3=2f1-f2,其中f1=[2 150,2 210],f2=[2 150,2 210]。要证明fPIM3≠[1 920,1 980]只要求出fPIM3的取值范围,看这个集合与[1 920,1 980]是否有交集即可

  要求fPIM3的取值范围,关键是求出其最小值fPIM3(min)和最大值fPIM3(max):

  

 

  可以发现,无论f1和f2在2 150~2 210 MHz范围内如何变化,其fPIM3均不会落入到1 920~1 980 MHz的接收频段,而会落到2 150~2 210 MHz的发射频段。

  此外WCDMA系统的七阶互调会落入到其接收频段,如fPIM7=4f1-3f2=4×2 150-3×2 210=1 970 MHz。

  在WCDMA系统中,如果在发射频段产生一个-110 dBm的无源互调信号,也就是干扰信号,这可能会给系统带来影响,因为这个数值已经大于系统中有用信号的最小幅度了。

3 WCDMA系统发射频段PIM的测量系统

  在GSM900/1 800和800MHz的CDM八以及WCDMA通信系统中的无源互调测量时,通常采用双工器和滤波器来提取IM3值。

  一个典型的GSM900接收频段的二端口器件无源互调测量系统。当f1和f2通过DUT(被测器件)时,DUT的输出存在4个频率分量f1,f2,2f1-f2和2f2-f1,其中f1和f2直接被大功率低互调负载所吸收,而2f1-f2和2f2-f1则被双工器提取出来,滤波器则是为了进一步滤除f1和f2,以提高频谱分析仪的动态范围。由于三阶互调产物全部落入接收频段,故可以采用标准的双工器和滤波器。

  而WCDMA频段则不同,从前面分析中发现,其发射频段(2 150~2 210 MHz)产生的IM3值落到了发射频段,使IM3值和f1及f2靠的很近。在这种情况下,无法采用双工器将IM3提取出来,而要采用其他方法。如图2所示,采用了WCDMA二端口无源互调测量系统。两个46 dBm的CW信号分别通过合路器合成到一条传输线中并加到DUT上,合成信号通过DUT后被一个低互调负载吸收,其中-30 dB的信号被定向耦合器耦合出来,通过一个可调带通滤波器,在频谱分析仪上测试出允许的IM3值。

  从测试原理和方法看,无源互调的测试并不复杂,但是要完成准确的测试却并不容易。在搭建测试系统时,要注意系统中的每个环节。

  功率放大器 由于WCDMA系统中的无源器件会在更高的射频功率电平下工作,所以WCDMA无源互调测量系统中的功率应尽可能大,但是由于受到放大器成本和合路器功率容量的限制,通常采用46~47 dBm的功率放大器。

  定向耦合器 考虑到输入到频谱仪的f1和f2功率总和应尽可能小,所以采用30 dB定向耦合器。可使频谱仪工作在安全电平下,同时避免大功率信号在频谱仪内产生有源互调,可以通过带通滤波器将f1和f2抑制到0 dBm以下。

  滤波器 由于WCDMA三阶互调产物落在发射频段,所以无法用固定滤波器来提取IM3分量。可以采用可调的带通滤波器来完成这个功能,带通滤波器的Q值应尽可能地高,建议采用五节带通滤波器。

  测试电缆 在整个系统中,惟一需要经常移动的就是DUT和连接DUT的电缆。采用特种编织电缆或者微波电缆来做无源互调的测试电缆,如RG 393,这种电缆自身的PIM值可以达到-165 dBc。

  测试系统 从无源互调测试原理考虑,测试系统应固化在标准机箱内。这样可以避免很多影响测试精度的不确定因素,如可以用半柔电缆来替代编织电缆,合理掌握接头的连接力矩,防止系统中器件的移动而导致的接触不良等因素影响测试。

  4 结 语

  从原理上来看,无源互调的测量方法与有源部件的互调测量方法类似,但是由于无源互调自身的特殊性,其测量系统的结构更复杂,要求也更高。目前,国内只有航天工业总公司504所能够进行简单的测量。

  WCDMA系统目前正处于起步阶段,其无源互调的测量也没有标准可依,目前只有少数企业在从事WCDMA无源互调测试的研究。但由于这个指标会直接影响到无源器件的生产和制造,从而进一步影响到系统的性能,目前已有越来越多的无源器件制造商基站制造商开始关心这个指标,相信在不远的将来就会有合适的无源互调测量系统诞生。

关键字:WCDMA系统  PIM  分析与测量

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/article_2016092017291.html
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