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无源交调的产生与测试
2012-12-28 16:11:19 栏目：通讯专栏
核心导读
文章脉络/关键词：
无源交调、PIM测试、射频连接器、基站干扰、三阶互调、无源器件设计
内容摘要：
本文深入解析无源交调（PIM）的产生机理与测试方法，涵盖金属电镀缺陷、接触不良、材料差异等9大成因，以及GSM/DCS/PCS系统中三阶交调对基站接收灵敏度的干扰机制，为射频器件设计与制造提供关键质量控制依据。
AI 深度解读
无源交调（Passive Intermodulation, PIM）是移动通信系统中一个隐蔽但危害极大的信号完整性问题。随着4G/5G网络向多频段、MIMO架构演进，基站发射功率持续提升，PIM干扰已从早期2G时代的边缘问题演变为现代网络优化的核心瓶颈。本文虽发表于2012年，但其揭示的物理机制——包括电镀残留物导致的非线性接触、异种金属间的热电效应、磁滞材料引入的磁非线性——至今仍是射频工程的基础知识点。从产业视角看，PIM指标已成为滤波器、塔放、馈线等无源器件出厂必检项目，测试系统需具备-120dBm以下的本底噪声才能满足高端基站需求。对于当前5G毫米波部署，PIM控制更趋严苛，建议工程师在器件选型时优先关注镀层工艺（如三元合金替代镀银）、接触正压力设计，并在系统集成阶段采用PIM定位仪进行故障排查，以避免因微小工艺缺陷导致的整网性能劣化。
随着移动通信的飞速发展，对接收系统的灵敏度要求日益提高，使得同一传输信道内可能存在很多不同频率的信号，如果传输线或连接传输线的射频同轴连接器及其他无源器件的特性不良，就可能会在不同频率之间产生无源交调信号(Passive intermodulation／PIM)，结果使有效的传输信号发生畸变，产生噪声和杂波，影响信号传输速率及接收机的灵敏度。本文分析了无源器件产生交调信号的原因及预防措施，对无源器件的设计、生产制造以及通信系统中的选用有积极的指导意义和参考价值。
1、无源交调产生的原因
在全球移动通信和传呼台等蜂窝基站上，由于传输功率较大，通常会在系统中的无源器件中产生交调信号，这些杂波信号会严重影响整个系统的性能。在一个理想的线性传输系统内，其输出相对于输入是成正比的。但在实际中微波信号在无源器件中（如：滤波器、同轴电缆、各类接头等）的传输往往是非线性化的，只是因传输的信号功率较小时非线性产生的无源交调信号不大而不引起人们的注意。但当所传输的信号大于40dBm时，这种交调信号的影响就尤为明显。 这一交调的结果就产生了一些额外的频率，即交调生成物，如图A中的2F1一F2、2F2一F1、3Fl一2F2、 3F2一2Fl等。
除了器件的非线性因素外，在无源器件中生成无源交调的还有以下几个方面的原因:
（1）金属零件电镀过程中未清洗干净的电镀溶液。
（2）镀层导电性不好，镀层厚度不够。
（3）表面锈蚀。
（4）中心接触件的不同金属材料。
（5）信通道内的磁线材料。
（6）较低的接触点正压力。
（7）表面粗糙度大。
（8）连接器及无源器件内的碎屑和灰尘。
（9）螺旋状的信号通道。
2、无源交调的影响
以GSM900、DCS1800、PCS1900为例我们通过下表来分析这些交调信号如何影响我们的基站和终端接收机：
从上表1中我们不难看出基站下行发射的两个大功率下行信号F1和F2所产生的3阶交调信号频率正好落在上行信道接收机的频段内，就会对接收机造成干扰，导致接收机的误码率上升，降低了接收机的接收灵敏度，严重影响终端的通话质量。而且产生的交调信号也是很多的，除了3阶还有5阶甚至7阶。但又以三阶交调信号的功率最大，5阶和7阶交调信号因离主频较远，其信号功率也较小，对接收机的影响也较小，所以大多数无源器件都会必测三阶互调信号的大小，只有少数频段的器件会测试五阶和七阶的交调信号的大小。
因此在无源器件生产制造过程中必须要对器件所产生的交调信号的大小进行严格的测试，这已经是滤波器和同轴电缆等制造厂商必测的一个参数。
3、无源交调的测试
因基站和接收机对无源交调信号的要求比较严格，其对测试系统的要求也相对较高，首先要保证测试系统自身所产生的交调信号很小，这样才能满足测试要求。一般要求测试系统的交调信号至少要比被测器件的要求值小10dB。比如要测试一款塔顶放大器产品，其3阶交调信号要求小于-110dBm，那么测试系统就必须要小于-120 dBm才能满足测试要求。其次，要保证系统的稳定性。只有测试系统自身的稳定性高，才能保证测试结果的可靠性。
如图B所示是一个典型的 双工器上行频带内无源交调信号测试的框图：
测试台各部件的作用:
信号发生器： 产生主信道信号。
功率放大器： 对信号发生器所产生主信道信号进行功率放大。
隔离器： 信号单向传输，避免因开路或其他情况造成信号反射而损坏其他设备。
合路器： 对从隔离器出来的两路大功率信号合成到一个端口输出.
被测产品： 需要测试的产品。
标准滤波器： 将主信道信号和互调信号进行分离。
大功率负载： 将大功率的主信道信号消耗掉。
频谱仪： 对交调信号的频谱和功率进行分析。
在这个测试系统中，标准滤波器是最主要的部件，其自身的交调信号的大小会影响整个测试系统的性能，必须加强维护和检查其稳定性。对功放的输出功率也是在连接合路器和被测器件的射频电缆的输出端口进行校准，其功率一般应达到43dBm~ 47dBm，如果功率太小，则被测器件的交调信号也会很小，无法反映器件在实际使用过程中的真实情况。
在现代计算机和工业控制很发达的情况下，已经有国外的厂商做除了全自动的交调信号测试分析系统，其性能也完全满足各滤波器、电缆、塔顶放大器对交调信号测试的要求，但其价格也比较昂贵，对一些小的生产制造企业来说还无法接受。但这些企业为满足客户对产品无源交调的要求，也可以按照测试要求自行搭建该测试系统。
总之，无源交调是通信领域里一个非常重要的参数，如何最大程度的降低交调信号对通信系统所带来的不利影响是研究人员面临的一个新课题。本文仅是作者以前实际工作中的一些心得，仅供业界同行交流和参考。
在这里我们只简单介绍了无源交调的产生和测试，如果想了解更多的测试信息可联系就近的摩尔实验室（MORLAB）。
如需更多资料，请发信到以下地址：Service@morlab.cn或致电：0755-36698555
常见问题
Q: 什么是三阶无源交调信号，为什么它最受关注？
A: 三阶无源交调信号（3rd-order PIM）是指两个主频信号F1、F2经过非线性器件后产生的2F1-F2和2F2-F1频率分量。由于三阶交调信号功率最大，且其频率恰好落在基站上行接收频段内，会直接干扰接收机灵敏度，因此成为无源器件必测的核心指标。五阶、七阶交调因功率较小且远离主频，通常仅在特定频段器件中测试。
Q: 无源交调测试对测试系统有哪些具体要求？
A: 无源交调测试对系统有两项硬性要求：一是本底噪声必须足够低，测试系统自身的交调信号至少要比被测器件指标小10dB，例如测试-110dBm要求的塔放时，系统需低于-120dBm；二是系统稳定性要高，确保测试结果可重复、可信赖。此外，测试框图通常包含信号发生器、功率放大器、隔离器、合路器及频谱分析仪等组件。
Q: 哪些工艺缺陷最容易导致无源交调超标？
A: 根据文章分析，九大常见成因包括：电镀溶液残留、镀层导电性差或厚度不足、金属表面锈蚀、中心接触件采用异种金属材料、信号通道内含磁性材料、接触正压力过低、表面粗糙度过大、连接器内部存在碎屑灰尘，以及螺旋状信号通道设计。这些因素均会在高功率传输时引入非线性效应，产生有害交调产物。
