WCDMA系统中PIM的分析与测量

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的相关性很强，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系统发射频段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。

图1是一个典型的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和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。