无源互调产物会随着1.5匹空调输入功率率的改变而改变吗

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无源互调测量及解决方案
发布时间:
更新时间:
来源:网络
作者:小秘密的小白
  1、概述
  无源器件会产生非线性互调失真吗?答案是肯定的!尽管还没有系统的理论分析,在工程中已经发现在一定条件下无源器件存在互调失真,并且会对通信系统(尤其是蜂窝系统)产生严重干扰。
  无源互调(PassiveInter-Modulation,PIM)是由发射系统中各种无源器件的非线性特性引起的。在大功率、多信道系统中,这些无源器件的非线性会产生相对于工作频率的更高次谐波,这些谐波与工作频率混合会产生一组新的频率,其最终结果就是在空中产生一组无用的频谱从而影响正常的通信。
  所有的无源器件都会产生互调失真。无源互调产生的原因很多,如机械接触的不可靠、虚焊和表面氧化等。
  5年前,大部分射频工程师很少提及无源器件互调问题。但是,随着移动通信系统新频率的不断规划、更大功率发射机的应用和接收机灵敏度的不断提高,无源互调产生的系统干扰日益严重,因此越来越被运营商、系统制造商和器件制造商所关注。
  长期以来,无源器件的互调失真测量技术一直被国外公司所掌握,并垄断了测量/zixun/aggregation/8786.html&&产品市场。今天这种局面发生了变化,无源互调测量技术难关已经被中国本土的射频工程师们攻克,而且的商用无源互调测量系统也已诞生。
  2、无源互调的表达方式
  无源互调有绝对值和相对值两种表达方式。绝对值表达方式是指以dBm为单位的无源互调的绝对值;相对值表达方式是指无源互调值与其中一个载频的比值(这是因为无源器件的互调失真与载频功率的大小有关),用dBc来表示。
  典型的无源互调指标是在两个43dBm的载频功率同时作用到被测器件DUT时,DUT产生-110dBm(绝对值)的无源互调失真,其相对值为-153dBc。
  3、无源互调测量方法
  由于无源互调值非常小,因此无源互调的测量非常困难。到目前为止,无源互调的测量项目和测量方法尚无相应的国际标准,通常都是采用IEC推荐的测量方法。IEC推荐的正向和反射互调产物的测量方法分别如图1和2所示。
  图1正向互调测量示意
  图2反射互调测量示意
  图1表示一个两端口或多端口器件在两个大功率信号的同时作用下所产生的互调产物。绝大部分的无源器件,如双工器、滤波器、定向耦合器等都可以采用这种方法测量。图2表示一个单端口器件在两个大功率信号的同时作用下所产生的反射互调产物。天线和负载可以采用这种方法测量。
  4、无源互调测量面临的新挑战
  随着通信技术的不断发展,新的系统干扰问题不断出现,给测量工作者带来了新的挑战。
  (1)反向互调测量
  在一些功率合成系统或者多载频的共用系统中,当两个大功率信号同时作用两端口器件的输入和输出端时,在输出端口将会产生很大的互调产物。在多系统合路平台(POI)系统中情况更为复杂。各种不同频段的载频同时进入系统,除了本频段的互调干扰外,还会产生跨频段的互调干扰。因此,需要进行图3所示的无源器件反向互调测量。
  图3无源器件的反向互调测量
  (2)测量范围
  典型的无源器件,如定向耦合器、功率分配器、双工器、连接器和电缆组件等,其互调产物通常在-120~-100dBm,也就是相对于43dBm测量条件下的-163~-143dBc;而某些器件的互调产物更大,如铁氧体器件的互调产物可达-60 dBc甚至更大。对于前一类器件,不要求测量系统的测量范围太大。目前同类产品的互调测量上限是-65 dBm,也就是43 dBm条件下的-108 dBc。对于后一类器件,可以采用通用的频谱分析仪测量。频谱分析仪是一种通用的射频分析仪器,也称为“射频万用表”。既然获此美誉,频谱分析仪的动态范围必定足够大。即使是低端频谱分析仪,测量范围也可以达到-150~30 dBm。
  (3)测量精度
  对于无源互调测量系统的测量精度,虽然目前还没有相应的国际标准,但是无源互调的测量精度依然是有章可循的。与测量精度有关的因素有功率校准和系统的剩余互调。
  ●功率校准
  功率校准对于测量精度有很大关系。从理论上说,载频增加1dB,互调产物增加3dB。在IEC推荐的测量方法中,建议加载到DUT的测量功率是每载频43dBm,这个值已经成为行业的标准测量功率。随着通信系统功率的不断增加,参照功率标准并非一成不变,可能会出现更高的参照功率标准。
  要准确校准测量端的功率,频谱分析仪不是最的选择,因为频谱分析仪的幅度测量精度通常为&1dB,加上衰减器的影响,总的功率误差可能超过&1dB。大功率测量的最佳手段莫过于通过式功率计,这种功率计采用高方向性的定向耦合器,可以提供大功率在线测量。
  ●系统的剩余互调
  测量系统自身的剩余互调值是系统的最主要指标之一。系统剩余互调和DUT互调之间的差值决定了测量结果的精度。在IEC中建议的可接受的系统剩余互调和DUT互调之间的差值为10dB。这意味着系统的测量误差为+2.4/-3.3dB。在小互调测量情况下,这个误差完全可以接受。对于大互调测量(大于-80dBc时),10 dB的余量似乎小了些,20 dB比较合理。
  5、无源互调测量系统的实现需要考虑的要素
  无源互调测量实际上是在实验室重现器件在实际工作条件下所产生的无源互调,因此,如何能逼真地模仿实际工作环境是无源互调测量系统的关键所在。要做到这一点,必须考虑以下几大要素。
  (1)测量端功率的幅度
  测量端功率大小的设置原则应该是可能加载到DUT端的最大功率的上限。在IEC中提到:除非特别说明,加载到DUT的测量功率为2&43dBm。显然,这是针对早期的基站而言,直到现在,这个功率等级依然适用于大多数器件的测量。随着新的数字蜂窝通信标准的不断诞生,出现了更大幅度和更大范围的功率等级。如CDMA和WCDMA,由于这些调制信号具有很高的峰均功率比,为了满足系统的要求,放大器的1dB压缩点功率要远远超过调制状态下的平均功率。因此,除了43dBm以外,还出现了小至26 dBm和大到51 dBm条件下的测量要求。
  (2)载频的数量
  绝大部分无源互调测量都是在两载频的条件下进行的,但是也有四载频条件下的测量。随着无线信道的日益拥挤,多载频的无源互调测量可能在不久的将来被列入有关的测量标准。
  (3)测量功率流的方向
  将两个载频合成后从一个方向同时注入DUT,这已经是无源互调测量的惯性思维了。但是在实际应用中,系统中的器件要承受来自不同方向的功率。对于这一点,早期的无源互调测量系统并没有考虑到。
  (4)频率配置
  早期,测量者关心的是落在接收频段的互调,如今越来越关心落入发射频段的互调。一些标准的无源互调测量系统只能测量落入接收频段的互调,对于落入发射频段的互调测量无能为力。另外,由于多制式系统的共存,跨频段的互调干扰也将逐渐显现。对于无源互调测量系统来说,除了接收频段外,发射频段和跨频段的互调分析和测量也是需要考虑的重要因素。
  (5)测量范围
  这个问题在前面已经有详细的描述。频谱分析仪自身的测量范围远远超过专用的测量接收机。此外,频谱分析仪是通用仪器,可以充分提高资源的利用率。
  6、无源互调测量解决方案
  经过不懈的努力,上海创远信息技术股份有限公司成功开发了第一套本土化的商用无源互调测量系统——PIM系统。PIM测量系统是参照了IEC推荐的测量方法并结合当前各种新的测量要求开发的,整个设计过程完全无源互调测量的“仿真原则”。
  (1)共享测量平台
  PIM系统采用“共享平台”设计理念,系统的基础平台采用通用的频谱测量技术,第二层平台分别是GSM900和DCS1800的基本测量系统,在此基础上可分别升级到CDMA800和WCDMA频段,从而覆盖了移动通信频段。
  得益于这种设计理念,PIM系统的升级和扩容变得十分便利和经济。如要升级到TETRA频段和E-GSM频段,只要增加相应的射频子系统即可;即使要升级到450MHz和3.5GHz频段,第一层的共享平台依然可以利用。随着新的通信系统(如POI系统)的不断出现,PIM系统可以提供足够的升级空间以开发出客户化的测量解决方案。
  (2)内置信号源
  PIM系统内置信号源,这种信号源是根据测量要求的频段而配置的,目的是为了降低用户的投资成本。
  (3)灵活的结构
  PIM系统分为高度集成化和19英寸机柜两种结构,如图4所示。高度集成化结构占地面积小,适用于单一测量功能的应用;19英寸机柜结构更方便系统的升级和扩容,每个子系统模块均采用19英寸的标准插箱,可以随心所欲地增加新的功能模块。
  图4上海创远公司开发生产的PIM测量系统
  (4)可调的大功率源
  在正向互调测量时,作用在DUT端的测量功率可大于44dBm;在反向互调测量时,作用在DUT端的功率可高达49dBm。如果需要,系统功率可以提高到51.7dBm(150 w)。配合标准信号源,测量端功率任意可调。为了保证测量精度,每个测量端的功率都经过5012C通过式功率计的精确校准。
  (5)通用的基础仪器
  除内置信号源外,PIM系统还兼容通用的基础射频仪器,从而保证了系统的通用性和可扩展性。
  (6)具有针对性的测量解决方案
  除IEC推荐的基本测量方法外,PIM系统还提供了具有极强针对性的测量解决方案,包括发射频段的互凋测量、反向互调测量、谐波测量、POI系统的互调测量和更大功率的合成应用等。
  7、结束语
  无源器件互调失真的分析和测量比较复杂。根据无源互调测量的“仿真原则”,一套无源互调测量系统应具有组合功能,具有良好的兼容性和升级的便利性,上海创远信息技术股份有限公司开发的PIM无源互调测量系统很好地满足了这几大方面的要求。
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移动通信系统中互调的产生机制与干扰排查
来源:移动通信 作者:秩名日 17:45
[导读] 为了提升系统容量,通信系统中同时采用多个载波(频点)的现象非常普遍,而且载波功率也有逐渐加大的趋势;考虑到实际电路通常都具备非线性特点,互调及互调干扰成为常见现象,在
  1 概述
  互调(IM,InterModulaon)是指当两个或多个频率信号经过具有非线性特征的器件时产生的与原信号有和差关系的射频信号,又称互调产物、交调或交调产物。为了提升系统容量,通信系统中同时采用多个载波(频点)的现象非常普遍,而且载波功率也有逐渐加大的趋势;考虑到实际电路通常都具备非线性特点,互调及互调干扰成为常见现象,在蜂窝移动通信系统、微波通信系统、集群移动通信系统、卫星通信系统、舰船通信系统等系统、民航通信系统、有线电视系统等系统中都有发现并引起广泛注意。
  互调一般分成有源互调和无源互调两种。鉴于所产生互调产物的严重程度,传统上人们主要关注有源互调,但随着更大功率发射机的应用和接收机灵敏度的不断提高,无源互调产生的系统干扰日益严重,因此越来越被运营商、系统制造商和器件制造商所关注。文献[1]对比了有源互调和无源互调的特征:
  有源互调的特点:(1)有源电路的非线性相对固定,不随时间而变化;(2)分析理论相对成熟;指标明确,规范均能给出明确指标要求;(3)传输方向相对稳定;(3)可通过增加带通/带阻滤波器或改善滤波器性能加以抑制,高阶互调干扰几近忽略。
  无源互调的特点:(1)随功率而变,美国安费诺公司的实验证实,输入功率每增大1dBm,PIM产生电平变化约3 dBm;(2)随时间而变。材料表面氧化、连接处接触压力、电缆弯曲程度等均会随时间发生改变,进而影响非线性程度。(3)研究理论滞后,仿真研究手段未有实质突破,离工程化尚有相当距离。(4)产生环节多,传输方向非单一,难以抑制。(5)存在高阶互调。
  资助信息:本文受国家&新一代宽带无线移动通信网&重大专项&TD-LTE网络优化工具开发&(-008)项目资助
  2 2 互调的产生机制[1][2]
  2.1谐波的产生机制
  假设网络中只有一个单频信号输入,输出信号和输入信号之间的关系如下:
  上式中, 为直流项, 为线性放大项, 、 等高次幂项系数非零时,输出信号就会出现非线性增大失真,即通常所说的谐波和互调干扰。单频信号经过接收机等处理后,输出信号常常会伴有N倍频率的信号,这就是所谓的N次谐波。
  假设输入一个单频正弦波,
  代入泰勒展开式中,展开式右边的2次幂项为:
  上式出现了2倍频信号( ),即通常称作的2次谐波干扰信号;同样地,展开式右边的3次幂项可以得到3次谐波干扰信号-----。
  2.2互调的产生机制
  假设网络中两个单频信号输入,那么此时产生的干扰除了谐波外,还有互调。
  A.2阶互调的推导
  泰勒展开式展开后的2次幂项为:
  上式中, 和 数学变换后得到的是上面已经介绍过的2次谐波干扰信号,而 经过三角变换后得到:
  此式中的后两项即是所谓的2阶互调项,信号频率分别是: 和 。
  B.3阶互调的推导
  两个标准正弦信号代入泰勒展开式后的3次幂项为:
  上式中, 和 数学变换后引起的是3次谐波项,而 经过三角变换后得到:
  此式中的后两项即是所谓的3阶互调项,信号频率分别是:2f0-f1和2f0+f1。
  同样, 也可以经过三角变换得到两个3阶互调项,信号频率分别是:2f1-f0和2f1+f0。
  同样地,可以得到4阶互调项、5阶互调项、6阶互调项-----。
  B.N阶互调的一般性定义
  将以上双频信号互调的分析推广到多频,即可得到互调产物在频率上的一般表达式为 , 、 、---、 为任意整数值, 即互调产物的阶数。
  一般地,每一对互调产物中的加号项(如f0+f1、2f0+f1)通常超出工作带宽,只有减号项(如2f0-f1、3f0-2f1)才可能落在工作带宽附近;并且对于偶数阶的互调产物,其减号项(如f0-f1、2f0-2f1)接近直流项,通常也位于工作带宽之外。因此,业界主要关注奇数阶减号项互调。
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无源互调干扰对TD-LTE系统的影响研究
随着移动通信网络的迅猛发展,网络质量问题越来越受到人们的关注。提高网络质量不仅可以提升移动用户的业务感知,还能增强企业竞争力和美誉度,从而为企业的可持续发展提供强有力的支持。干扰将导致呼叫失败、质差杂音、掉话等问题,是导致网络质量下降的关键。
2011年以来,中国移动在全国范围内开展网络结构优化、三高整治、双频网话务均衡、天馈“工兵行动”,降低网内/外干扰,均衡话务吸收,提升网络质量。从各省市专项工作总结来看,天馈系统等无源器件造成的互调干扰,严重影响网络质量,已成为TD-LTE网络的重要干扰源。
针对系统分析互调干扰产生的原因,可以有效地制定抑制互调干扰的方法,从而改善TD-LTE网络的性能,提升用户的感知。
2 TD-LTE网络现状
目前.TD-LTE网络已经正式商用,中国移动将频率资源分为3个频段,分别为D频段:2 575~2 635 MHz;F频段:1 880~1 900 MHz;E频段:2 320~2 370 MHz。
其中,D、F频段应用于室外组网,E频段应用于室内组网。
2.1互调干扰的定义
在通信系统中,当两个或两个以上不同频率的信号作用于同一非线性电路时,基频信号之间将互相调制,产生寄生的互调产物(新的频率),这种现象被称为互调(Intermodulation,IM)。这些频率分量如果落在接收频带内,将会对有用信号构成干扰,这种干扰为互调干扰。
如果互调干扰落在TD-LTE网络频段内,将对该系统产生干扰,影响网络整体服务质量。
2.2互调干扰的分类
互调干扰分为有源互调干扰和无源互调干扰。
(1)有源互调干扰
有源互调是两个或两个以上的输入信号加入到有源器件上,产生的对系统干扰的互调产物。有源电路的非线性相对同定,互调产物不随时间而变化,传输方向相对稳定。
(2)无源互调干扰
由于无源器件(如同轴电缆、波导、连接器、双工器、合路器及天线等)的非线性产生的互调称为无源互调( Passive
Intermodulation,PIM)。
3无源互调干扰的成因
无源互调的特征
无源互调现象又被称为“锈螺栓效应(Rusty BoltEffect)”或“环境二极管效应(Diode
Effect)”。
无源互调具有对功率敏感的特征。研究表明.PIM产生的电平与输入功率相关,输入功率越大.PIM越大。输入功率每变化l dBm,PIM产生的电平约变化3 dBm。无源互调是时变的,材料表面氧化、连接处接触压力、电缆弯曲程度等均会随时间发生改变,进而影响非线性程度。
3.2无源互调产生机理
所有的电子电路都是呈非线性的,现代电路理论基础所提出的线性假设,只是非线性状态的一种近似或特例而已。一个系统的非线性与每个器件的非线性有关,而每个器件的非线性又取决于其内部的结构及生产工艺。
电路的非线性响应特性通常以幂级数方式建模,可表示为
在通信系统中,无源非线性主要有3种模式:接触非线性、材料非线性和工艺非线性。
(1)接触非线性
接触非线性表示任何具有非线性电流电压关系的金属接触,如弯折不匀的同轴电缆、不尽平整的波导法兰盘、松动的调谐螺丝、松动的铆接、氧化和腐蚀的金属连接等。
接触非线性产生PIM的机理主要有:点机械接触引起的机械效应;点电子接触引起的电子效应:点电子接触和局部大电流引起的热效应;强直流电流引起金属导体中的离子电迁移;接触面的相对运动、振动和磨损:不同热膨胀系数器件接触引起的热循环。
(2)材料非线性
材料非线性表示系统中采用呈现出非线性伏安特性的材料,如铁磁材料、碳纤维、铁、钴、镍合金等。
材料非线性引起PIM的产生机理主要表现在:铁磁效应、隧道贯穿、接触电容、电致伸缩、磁致伸缩、微放电、空间充电等。
此外,还有离子导电、热击穿和雪崩引起的电介质击穿,热离子发射效应等引起的材料非线性。
(3)工艺非线性
工艺非线性是指因加工工艺引起的电传输非线性。
一般的射频连接器均会进行表面刨光和电镀工艺处理。加工工艺决定着表面平整度与电镀层厚度。过于粗糙的表面和不合适的镀层厚度将引起无源非线性,进而产生无源互调(用“趋肤效应”加以解释)。
4无源互调干扰对TD-LTE的影响
移动EGSM系统对TD-LTE网络影响
移动EGSM900系统对TD-LTE网络的影响主要产生于二阶互调(PIM2)和四阶互调(PIM4)。上行工作频率为890~909 MHz;下行工作频率为935~954 MHz。互调分量的频段见表1,互调干扰分布如图1所示。
由图1可知,移动EGSM900系统产生的PIM2、PIM4对TD-LTE的F频段产生影响。
4.2 TD-LTE系统内的影响
TD-LTE系统内的影响主要产生于三阶互调( PIM3)和五阶互调(PIM5)。其中,E频段产生的PIM3的失真范围为 MHz;D频段产生的PIM5的失真范围为 MHz,它们分别对TD-LTE自身频率造成了干扰,如图2所示。
4.3干扰对TD-LTE网络的影响
互调干扰分量通常以上行干扰的方式存在,干扰信号通过接收天线、天馈系统等媒介到达信源,直接抬升了信源的底噪声,导致用户接人困难、上行覆盖收缩、语音质量下降,甚至会影响信道质量,从而降低网络数据承载能力,严重影响了TD-LTE网络的服务能力。
5无源互调干扰的抑制
移动通信系统中,射频天线、馈线及接头、合路器、双工器等都是产生PIM的主要部位。外部环境中,支撑结构、天线塔器件以及附近的任何金属物体都会对PIM有影响。针对无源非线性的类型和机理,可以采取相应的措施减小无源互调的影响。
从实际经验来看,移动通信系统中需要重点关注互调指标的器件主要有天线、馈线、直放站、干放、电桥、负载、耦合器等。当前以天馈系统互调产物对网络性能的影响最大。因此,应选择高性能的无源器件,且要求各种无源器件的PIM3抑制比优于-150 dBc/2x43 dBm。
对于室分系统,由于其典型的多级连接分支结构,越靠近信号源功率越高。考虑到互调干扰与输入功率直接相关,因此,要绝对保证靠近信号源处的无源器件互调抑制指标满足要求。
除在加工过程中从材料、加工工艺、结构设计、表面处理等方面采取措施,以保证无源产品的互调指标外,工程设计与施工中主要应注意工艺非线性和接触非线性对PIM的影响,尤其应注意同轴电缆/波导与连接器的装配工艺。
同轴电缆的弯曲程度应尽量低,以免在电缆的连接处造成较大应力。射频连接时,避免不同材料间的直接接触。在装配、运输和安装过程中,注意使产品保持足够的表面光洁度,避免污染和损伤。保持所有接触和连接紧固,无缝隙、无污染、无腐蚀,避免接头间松动或活动的连接;尽量焊接所有的节点,使接触连接节点的数量最少化。所有的接触连接节点必须是精确的,并且在足够的压力下能维持良好的电气连接。
天线长期在网使用,防水胶带、胶泥松动以及接头氧化等原因都会造成天线抑制互调产物能力下降。另外,跳线、馈线接头未拧紧或接头不平齐、氧化、内有异物/杂质等,都会产生明显的互调产物。在使用和维护过程中,应定期对系统中的无源器件进行检测和检验,及时替换不合格的器件,消除因受到环境污染而产生的接触非线性,保证系统互调干扰不超标、通信质量不下降。
TD-LTE用户数量的飞速增长,使网络的负荷能力正在经受严峻的考验,干扰问题是制约网络服务能力最重要的因素之一。互调干扰的影响应得到运营商的足够重视,针对TD-LTE网络而言,不论是外系统还是本系统产生的互调干扰,都在随着业务量的增加而日趋明显,要想从根本上解决互调干扰的问题,就要从网络建设源头抓起,控制期间质量,提升施工工艺。对于服役多年的基站进行系统的互调干扰排查,发现问题、解决问题,为TD-LTE网络的正常运营保驾护航。
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