第３３卷第８期 合肥工业大学学报（自然科学版） Ｖｏ１．３３ Ｎｏ．８ ２０１０年８月 ＪＯＵＲＮＡＩ ＯＦ ＨＥＦＥＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ａｕｇ．２０１０ ＧＳＭ频段的功分器ＰＩＭ测试系统设计 窦建华 ， 秦润成 ， 周 禺 ， 周其运 ， 李 凯 （１．合肥工业大学计算机与信息学院，安徽合肥２３０００９；２．安徽易科技术有限公司，安徽合肥２３０６０１） 摘要：大功率多通道通信系统中无源互调干扰问题的日益严重，引起了越来越多的专家和研究学者对互调 干扰测量的重视。文章鉴于商用的无源互调测试仪在测试ＰＩＭ信号时较难实现多端口同时测试的需求，自 行设计了一个在ＧＳＭ频段下的功分器三阶ＰＩＭ测试系统。系统同时测试了功分器３个端口的ＰＩＭ信号， 测试的平均结果满足测试指标要求。 关键词：互调干扰；无源互调测量；ＧＳＭ频段；功分器 中图分类号：ＴＮ９１４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００３—５０６０（２０１０）０８—１１９４—０４ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＰＩＭ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｄｉｖｉｄｅｒ ｉｎ ＧＳＭ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒａｎｇｅ ＤＯＵ Ｊｉａｎ－ｈｕａ ， ＱＩＮ Ｒｕｎ－ｃｈｅｎｇ ， ＺＨ０Ｕ Ｙｕ。， ＺＨＯＵ Ｑｉ—ｙｕｎ２， ＬＩ Ｋａｉ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ；２．Ａｎｈｕｉ Ｅ－ｃｏｒｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏＣ．，Ｌｔｄ， Ｈｅｒｅｉ ２３０６０１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｐａｓｓｉｖｅ ｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＰＩＭ）ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｃｈａｎ— ｎｅｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ ｃｒｉｔｉｃａｌ，ｍａｎｙ ｅｘｐｅｒｔｓ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ ｈａｖｅ ａｔｔａｃｈｅｄ ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｔｏ ＰＩＭ ｔｅｓｔｉｎｇ．Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ ｏｆ ｔｅｓｔｉｎｇ ＰＩＭ ｓｉｇｎａｌｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｐｏｒｔｓ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｌｙ ｂｙ ｅｏｍ— ｍｅｒｃｉａｌ ＰＩＭ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｓ ａ ｔｈｉｒｄ－ｏｒｄｅｒ ＰＩＭ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｄｉｖｉｄｅｒ ｉｎ ＧＳＭ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒａｎｇｅ．Ｔｈｅ ＰＩＭ ｓｉｇｎａｌｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｐｏｒｔｓ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｄｉｖｉｄｅｒ ａｒｅ ｔｅｓｔｅｄ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｌｙ ａｎｄ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｒｅｓｕｌｔ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｄｅｍａｎｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ；ｐａｓｓｉｖｅ ｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＰＩＭ）ｔｅｓｔｉｎｇ；ＧＳＭ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒａｎｇｅ；ｐｏｗｅｒ ｄｉｖｉｄｅｒ Ｏ 引 言 互调的产生机理提供可靠的实验数据 。 在当代无线通信系统中，随着大功率无线通 １ ＰＩＭ的基本理论 信系统在远程遥感通信和功率传输等方面越来越 无源互调（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，简称 广泛的应用［１］，随着接收机灵敏度的不断提高，无 ＰＩＭ）是由于无源射频器件，如天线、耦合器、功分 源互调产生的系统干扰日益严重，对干扰信号的 器及同轴线接头等非线性器件所引起的。当在大 测量越来越被运营商、系统制造商和器件制造商 功率多信道系统中，这些无源器件的非线性会产 所关注。由于无源互调信号非常小，因此对其测 生比工作频率更高次的谐波，这些谐波与工作频 量非常困难。 率混合会产生一组新的频率，对多载波通信系统 目前，无源互调测量方法尚无相应的国际标 造成严重的干扰［３］，从而影响正常通信。一般简 准，通常采用ＩＥＣ推荐的传输和反射测量方法。 单情况下，非线性器件由频率分别为＾和 的２ 良好的测试方法和系统测得的结果能为研究无源 个非调制信号激励，即有： 收稿日期：２００９—０８—３１；修回日期：２００９—１０—２０ 作者简介：窦建华（１９５４一），女，山东青岛人，合肥工业大学副教授，硕士生导师 第８期 窦建华，等：ＧＳＭ频段的功分器ＰＩＭ测试系统设计 １１９５ Ｖｍ—Ｖ１ｃｏｓ（２ｎｆｌ￡）＋Ｖ２ｃｏｓ（２￣ｆ２￡） （１） 非线性器件的传输函数可用一个 阶的幂级 数表示为： Ｖ 一ｋ１Ｖｉ ＋ｋｚ ＋…＋ｋ （２） 其中，ｋ ，ｋｚ，…，ｋ 为依赖于非线性器件特性的系 数，将（１）式代入（２）式中进行整理得到 的频 谱。互调信号可以表示为： 一ｍｆｌ—ｎｆ２ （３） 其中，ｍ和７＂／都为整数，可为正负数和零，ｏｒｄｅｒ＝ ＩｍＩ＋Ｉ Ｉ定义为互调信号的阶数＿４］。当２个或 者２个以上的激励信号通过无源器件时，由于其 非线性特性，产生新的谐波和不同阶数的互调信 号，这些信号共同组成了Ｖ。 的频谱。 ２ ＰＩＭ信号对通信系统的影响 在大功率多通道通信系统中，多载波信号通 过天线、电缆、耦合器、功分器及连接插头等无源 器件，混合后产生的ＰＩＭ信号有时落到通信系统 的接收带中［５］，对系统通信产生干扰。一般在２ 个载波频率，ｌ和，２的发射通信系统中，产生的 ＰＩＭ信号如图１所示。 三阶ＰＩＭ ￣－ＰＩＭ Ｉ Ｔ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ ｌ Ｌ一高阶ＰＩＭ—Ｊ ， 图１产生的ＰＩＭ信号频谱图 根据文献Ｅ４Ｊ可知，在频率为ｆ３—２ 一，２的 三阶ＰＩＭ信号的电压幅值为： ０ 蚴≈÷Ｋ３ Ｖ２ｃｏｓ（Ｚ￣（２ｆｌ一厂２）￡）（４） ￡士 ＰＩＭ的功率与发射载波的功率有关。经过 修正和改进后的功率关系为： ＰＰ ～Ｐｊ Ｐ２ （５） 同理，在三阶互调频率ｆ３—２ 一厂 处，改进 后的功率关系也可以表示为： ＰＰ肿～Ｐ１Ｐ； （６） 其中，Ｐｒ帅为三阶ＰＩＭ信号功率；尸 和Ｐｚ为输 入载波的功率。由（４）～（６）式可知，三阶互调信 号功率随着载波功率的增大而呈非线性的增大， 对系统的发射系统或者接收系统造成的干扰也会 增强。通常，奇次ＰＩＭ信号测量最为棘手ｒ６］。这 些信号一旦进入基站接收频段后，功率电平超过 接收机的噪声水平，系统载波干扰比则会降低，对 系统会产生噪声干扰，减小系统的通信容量，所以 各通信系统要严格测试和控制奇次ＰＩＭ信号，尤 其是三阶ＰＩＭ信号的功率电平 。 ３ ＰＩＭ信号测试系统的设计与实现 ＰＩＭ信号的测量是ＰＩＭ频率研究、ＰＩＭ信 号的预测和ＰＩＭ机理研究等问题中的一个重要 研究方向，测量所得的数据可以用来验证ＰＩＭ的 预测，并为研究无源器件的ＰＩＭ产生机理提供可 靠的实验数据［２］。 由表１所列的测试指标，依据ＩＥＣ６２０３７标 准（产品无源互调指标为一１５０～１６０ ｄＢｃ），本文 设计了一个二功分器ＰＩＭ信号测试系统，测试的 结果达到了测试指标的要求。 表１ ＧＳＭ频段下的功分器ＰＩＭ测试指标 ３．１功分器ＰＩＭ测试系统的设计 当前，许多射频器件制造商和使用方由于自 身不能设计专用的ＰＩＭ测试系统，因此采用商用 系统进行ＰＩＭ测试。商用系统虽集成度高、使用 方便，但是整个测试系统较为昂贵、测试扩展不灵 活［ 。本文基于表１的测试指标和３端口同时测 试ＰＩＭ信号的需求，自行设计了一套在ＧＳＭ系 统频段下的二功分器三阶ＰＩＭ信号测试系统。 由（３）式知，ｆｌ一９６０ ＭＨｚ，ｆ２—９３５ ＭＨｚ，＾一 ２ 一Ｙｌ一２×９３５—９６０—９１０ ＭＨｚ，即在ＧＳＭ 系统的接收通带（８９０￣９１５ ＭＨｚ）９１０ ＭＨｚ处产 生了三阶互调信号。 测试系统原理如图２所示。图２中，源信号 和 通过功率放大器后由“二合路器”合成为 共缆传输的功率信号（，１＋ｆ２），功率信号经“反射 ＰＩＭ双工器”＂ＩＸ通道，由其公共端口馈送至功分 器（ ＪＴ）输入端（端口１）。功率信号再经ＤＵＴ端 口２和３分别输出至“传输ＰＩＭ双工器”１和２，其 中功率信号经“传输ＰＩＭ双工器”１和２的ＴＸ通 道输出后被功率负载吸收。系统中，，】和 的互 调信号经过功放后，被合路器和反射双工器ＴＸ通 道隔离（１６０ ｄＢ），不会造成测试干扰；而ＤＵＴ产生 的ＰＩＭ信号则经端口１、２和３分别输出至反射和 传输双工器的ＲＸ通道，再分别由相应的频谱分析 １１９６ 合／￣ｚｒ＿，＿Ｌｋ大学学报（自然科学版） 第３３卷 仪读出。由“反射双工器”输出的ＰＩＭ信号称为反 均为５Ｏ Ｑ的低互调功率负载。此系统因只有２台 射ＰＩＭ信号；由“传输ＰＩＭ双工器”输出的ＰＩＭ信 频谱仪，采用换接方式分别读取“传输ＰＩＭ双工 号称为传输ＰＩＭ信号。系统中，负载１和负载２ 器”１和２ ＲＸ通道输出的ＰＩＭ信号。 厂２ 图２功分器的ＰＩＭ信号测试系统 在不改变ＤＵＴ连接状态下实现同时测试３ 为测试系统剩余互调指标，采用比对测试的 个端口的ＰＩＭ信号功率，系统的功率电平和衰减 方法。实际测试了ＤＩＮ—Ｍ型电缆（Ａｎｄｒｅｗ公司 等配置见表２和表３所列。 提供测试指标），测试结果见表４所列。 表２设计的ＰＩＭ测试系统的器件参数 表４采用本系统测试电缆的结果比较 表３设计的ＰＩＭ测试系统的各电缆参数 由表４可以看出，系统剩余互调指标达到了 电 缆 ａ ｂ ｃ ｄ ｅ １６３．２ ｄＢｃ，满足测试一１５０ ｄＢｃ被测件（ＤＵＴ） 插人损耗／ｄＢ ０．５ ０．５ ０．５ ０．２ ０．２ 的要求。 电 缆 ｆ ｇ ｈ ｉ 测试功分器ＰＩＭ信号时，２个信号源上设置 插入损耗／ｄＢ ０．５ ０．５ ０．２ ０．５ 的频率为ｆｌ一９６０ ＭＨｚ，ｆ２＝＝：９３５ ＭＨｚ，对应 ３．２测试过程与测试结果实现 ＰＩＭ信号频率为ｆ３：９１０ ＭＨｚ。调整功率放大 由仪器和设备构建的实际测试系统，如图３ 器功率，在端口１进行功率校准，测得信号功率为 所示。 ４３．０ ｄＢｍ。由频谱仪分别读出反射和传输ＰＩＭ 互调值见表５所列。测试重复３次，每次保持功 率３ ｍｉｎ，测试结果取３次平均值。图４所示为某 一次的测试结果。 由于系统连接的双工器和电缆都有一定的插 入损耗，可由频谱仪上显示的功率计算出各端口 的实际ＰＩＭ信号功率（见表５）。 由表５可以看出，３个端口的实际值均满足 ≤一１０７ ｄＢｍ（一１５０ ｄＢｃ）的要求。对于无源互 图３功分器ＰＩＭ信号的测试系统环境 调测量系统的测量精度，虽然目前还没有相应的 国际标准，但是在与测量精度有关的功率校准和 第８期 窦建华，等：ＧＳＭ频段的功分器ＰＩＭ测试系统设计 １１９７ 系统的剩余互调上，符合了ＩＥＣ所建议的系统指 标 。从系统的结构来看，系统灵活性高，可根据 测试指标自行设计系统的一些器件，拆卸方便，信 号源、频谱仪等通用仪器的利用率高，而且可以同 时测试３个端口的ＰＩＭ信号，适用于同时测试多 端口ＰＩＭ信号的需要。 ｄＢｍ 表５测试值与端口实际功率值（ａ）端口ｌ （ｂ）端口２ （ｃ）端口３ 图４功分器３个端口测试的ＰＩＭ信号 ４结束语 通常在商用ＰＩＭ测试仪器上同时进行３个 端口网络的ＰＩＭ测试很难实现。本文根据测试 ａｎｔｅｎｎａｓ［Ｃ］／／ＩＥＥＥ ＶＴｓ ５４ｔｈ Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００１：２６２３—２６２５．Ｃ Ｅｓ］ Ｃｈｒｉｓｔｉａｎｓｏｎ Ａ Ｊ，Ｈｅｎｒｉｅ Ｊ Ｊ，Ｃｈａｐｐｅｌｌ Ｗ Ｊ．Ｈｉｇｈｅｒ ｏｒｄｅｒ ｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｄｕｃｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｐａｓｓｉｖｅ ｃｏｍｐｏ ｎｅｎｔｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，２００８，５６（７）：１７２９—１７３５． ｎｃｅｎｔｅ Ｃ，Ｈａｒｔｎａｇｅｌ Ｈ Ｌ．Ｐａｓｓｉｖｅ－ｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙ— Ｅ６］ Ｖｉ指标自行设计了一个二功分器ＰＩＭ测试系统，不 但系统达到了较好的自身互调测试指标，而且从 测试结果来看，同时测试３端口的ＰＩＭ信号功率 均符合测试需求，取得了良好的效果。 ｓｉｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｏｕｇｈ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ－ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｆｌａｎｇｅｓ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ， ２００５，５３（８）：２５１５—２５２５． ［７］ Ｈｅｎｒｉｅ Ｊ，Ｃｈｒｉｓｔｉａｎｓｏｎ Ａ，Ｃｈａｐｐｅｌｌ Ｗ Ｊ．Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐａｓ— ［参考文献］ ｓｉｖｅ ｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｃｏａｘｉａｌ ｃｏｎｎｅｃｔｏｒｓ ｉｎ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ａｎｓｏｎ Ａ，Ｃｈａｐｐｄｌ Ｗ Ｊ．Ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ ｏｆ ［１］ Ｈｅｎｒｉｅ Ｊ，Ｃｈｒｉｓｔｉｐａｓｓｉｖｅ ｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｉｎ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｎｅｔｗｏｒｋｓ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，２００８，５６（１）：２０９—２１６。 ｔｖｏｖ Ａ Ｐ，Ｚｅｌｅｎｃｈｕｋ Ｄ Ｅ．Ｐａｓｓｉｖｅ ｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｇｅｎ— ｆ８］ Ｓｈｉｅｒａｔｉｏｎ ｏｎ ｐｒｉｎｔｅｄ ｌｉｎｅｓ：ｎｅａｒ－ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｂｉｎｇ ａｎｄ ｏｂｓｅｒｖａ— ＥＣ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ３８ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｃｏｎ— ｆｅｒｅｎｃｅ，２００８：１０１８－－１０２７． ｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，２００８，５６（１２）：３１２１—３１２７． ｃｅｎｔｅ Ｃ，Ｗｏｌｋ Ｄ，Ｈａｒｔｎａｇｅｌ Ｈ Ｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ［９］ Ｖｉｏｆ ｐａｓｓｉｖｅ ｉｎｔｅｒｒｎｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｔ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｆｌａｎｇｅ ｂｏｌｔｅｄ ｃｏｎ— Ｅ２］ 王海宁，梁建刚，王积勤，等．大功率微波条件下的ＰＩＭ问 题综述［Ｊ］．微波学报，２００５，２１（增刊）：１—６． ｉｋｏｖ Ｖ，Ｖａｉｎｉｋａｉｎｅｎ Ｐ．Ｎｅａｒ－ｆｉｅｌｄ ｓｃａｎｎｅｒ Ｅ３］ Ｈｉｅｎｏｎｅｎ Ｓ，Ｇｏｌｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐａｓｓｉｖｅ ｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅｓ ｉｎ ｂａｓｅ ｎｅｃｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，２００７，５５（５）：１Ｏｌ８—１０２８． ｓｔａｔｉｏｎ ａｎｔ．．．．Ｉ－Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ，２００４，４６（４）：６６１—６６７． ｉｋｏｖ Ｖ，Ｈｉｅｎｏｎｅｎ Ｓ，Ｖａｉｎｉｋａｉｎｅｎ Ｐ．Ｐａｓｓｉｖｅ ｉｎｔｅｒｍｏｄｕ一 ［４］ Ｇｏｌ１ａｔｉｏｎ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ （责任编辑张秋娟）
