【摘要】移动通信的飞速发展带来了许多愉悦地体验，也带来了许多问题，其中系统中的无源互调问题日益严重，引起多方地关注。鉴于越来越多的移动通信系统设备制造商投入到无源互调的测试及问题解决中，文章从无源互调的产生机理、无源互调的测量方法等方面对无源互调进行了分析。结合多年的无源互调测试经验，介绍了自制无源互调测试系统的搭建，并与国内外测试设备进行了对比。最后给出了一些减小或降低无源互调的措施和建议。
【关键词】无源互调；PIM测量；自制PIM测试系统
1.引言
随着科技的不断地发展和进步，移动通信技术也在飞速发展，从早期的1G（First Generation-第一代移动通信技术），到前些年的2G（Second Generation-第二代移动通信技术），再到最近几年火热的3G，以及正在布点试网的4G，移动通信系统在不断地更新换代，移动通信基站也在不断地增加扩容。从2012年中国工业和信息化部发布的通信业运行报告中移动通信用户总数首次突破10亿的数据上也可见一斑。随着移动通信技术飞速发展和移动通信用户的不断增加，我们的通信系统也要持续升级以满足增加的数据传输要求，然而这些飞速的发展和升级并不是完全是积极向上的，也会带来一系列的问题出现。比如无源互调干扰，各运营商不同网络间的干扰，同邻频干扰以及直放站、干放有源干扰等。而其中最为突出的就是无源互调干扰问题。
在大功率、多信道通信系统中，存在各种各样无源器件（天线、射频馈线、连接件、避雷器、滤波器、双工器、定向耦合器、射频终端负载及衰减器等），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，而这些谐波与工作频率混合在一起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通信系统的正常的通信。这就是大功率多通道通信系统中无源互调干扰问题。
无源互调指标是衡量移动通信质量的一个重要指标，但过去由于技术不成熟、没有统一的测试标准或者是一套测试系统太过昂贵等因素导致我们对其重视不够。但随着移动通信系统中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，引起越来越多的专家和研究学者对无源互调干扰的重视。而且目前中国各移动运营商也已经将无源互调标准纳入集采要求。这些都迫使我们去对无源互调进行研究分析，对互调干扰进行合理地测量并找到有效降低干扰的措施。
2.PIM的基本理论
无源互调（Passive Intermodu-lation，简称PIM），是由无源射频器件，如天线、射频馈线、连接件、避雷器、滤波器、双工器、定向耦合器、射频终端负载及衰减器等器件的非线性产生的。当两个或两个以上的信号在具有非线性无源器件中混合时，无源器件的非线性会产生相对于工作频率的更高次谐波，而这些谐波与工作频率混合在一起会产生一组新的频率，这组新的的频率就是PIM产物。当这些PIM产物落在系统的接收频道内，接收机的灵敏度会降低，从而会导致通话质量或者系统的载波干扰比降低，系统的容量会减少，同时在数字信号传输过程中提高了误码率等，无源互调在日常通信中最常见的表现是在通信过程中遇到的回音、拨不通、在打电话中听到第三方声音等。
无源器件都存在非线性，仅仅在功率不大时可以考虑无源器件为线性。一般的移动通信系统中往往包含多个频率信号，为了分析PIM产物的产生和PIM的基本理论，不失一般性，我们考虑最简单的情况进行分析。即系统中有两路信号f1和f2同时作用于非线性无源器件，则有
式中m，n均为整数，可以为正整数、负整数和不同时为零，（|m|+|n|）定义为PIM产物的阶数。当m±n为奇数时，新产生的频率会落到或者靠近接收通道，可能会影响系统的灵敏度。通常把2f1-f2或者2f2-f1两种频率组合产生的互调产物称为三阶互调，3f1-2f2或者3f2-2f11两种频率组合产生的互调产物称为五阶互调，以此类推。一般情况下随着阶数的增加互调电平呈下降趋势，如图1所示，三阶、五阶、七阶干扰电平最大。
当两个激励信号通过无源器件时，由于器件的非线性特性，产生的新的谐波和不同阶数的互调产物，这些信号共同组成了Vout的频谱。
当两个以上的信号通过无源器件时，PIM产物数目会很快增加，在多频环境下，PIM产物的数目随传输信道数目和PIM产物阶数的增加而急剧增加。例如，三阶和五阶PIM产物数目与传输信道数目的关系如图2所示。
3.PIM的产生机理
移动通信系统中，PIM产物来源于系统中无源器件的非线性。经过多方实验认证表明，无源器件所选用材料的品质、镀层的材料和厚度、接触材料中是否含异金属、材料是否具有磁滞特性、各接触面压力、焊接点圆润不虚焊、连接器中是否材质杂质或灰尘等等都会产生PIM干扰。如果按照表现类型分类的话，大致可以分为两大类：由接触引起的PIM干扰；由器件材料引起的PIM干扰。我们把他们定义为：接触非线性和材料非线性。前者表示任何具有非线性的电流和电压行为的金属接触，如法兰盘、调谐螺杆、紧固螺钉结合处的松动、氧化和腐蚀等；后者指具有固有非线性电特性的材料，如铁磁材料、碳纤维和铁、钴、镍合金等。
3.1 接触非线性
由于接触非线性引起的PIM干扰具体包括以下几个方面：
1）低劣的制造工艺引起松动连接、金属裂缝和连接处的氧化作用产生的PIM产物；
2）在金属接触处穿越氧化薄层的电子隧道效应和半导体行为产生的PIM产物；
3）由结合面上的点接触引起的机械效应；
4）点电子接触引起的电子效应，点电子接触和局部发电流引起的热响应；
5）强直流引起金属导体中离子电迁移；
6）接触面的相对运动、振动和磨损；
7）不同热膨胀系数器件接触引起热循环；
8）金属接触的松动和滑动以及氧化层或污染物的形成。
3.2 材料非线性
由于材料非线性引起的PIM干扰具体包括以下几个方面：
1）电介质薄层的隧道贯穿：电子通过厚度小于10nm的电介质薄层直接由一个导体到另一个导体的隧道贯穿，如由氧化层分离的金属之间的电子隧道效应；
2）铁磁效应：铁磁材料（如铁、钴、镍）具有很大的磁导率，并随磁场非线性变化，显示出磁滞特性，铁磁材料能引起很强的PIM产物；
3）接触电容：由接触表面薄层和污染层所引起的电容；
4）电致伸缩：电场引起线性变化，发生于纯净的非线性介质中的电致伸缩对同轴电缆中产生的PIM产物有贡献；
5）磁阻：磁场引起金属导体电阻的变化；
6）电滞效应：材料电偶极子有自排列趋势；
7）磁致伸缩：磁场引起线性变化，产生于铁磁材料内；
8）微放电：真空环境下由强电场产生离子气体引起的二次电子倍增放点，产生于微狭缝之间和金属内的砂眼中；
9）电介质击穿：强电场引起的非破坏性固态电介质击穿，可能的机理为热击穿和雪崩；
10）空气充电：充电载流子在接触点进入绝缘体或半导体内，这个效应产生于非均匀内部电场中。在半导体中，由于同时存在电子和空穴，因而可产生很强的非线性电流电压关系；
11）离子导电：由离子（如空穴）引起的导电线性，强电场时为非线性效应。在RF波段和微波频段，直流分量大时，次效应才显示出来；
12）热离子发射效应：由于热能的统计分布引起电子穿过势垒的效应，可在导体氧化膜上产生；
13）场发射：电子穿过势垒的量子力学隧道效应。在强电场情况下，电流密度随场强非线性变化。这个效应对温度的依赖性没有热离子发射效应强，而且发生于低温情况；
14）内部热离子发射效应：类似于热离子发射效应，起源于绝缘体或半导体材料内部填充的陷阱；
15）内部发射：电荷从束缚态到导带的量子力学隧道效应。强电场情况下次效应比热离子发射效应更强。
4.PIM的测量方法
国内的PIM测量由于起步较晚，并没有能形成自己的统一标准，而是各个采购商或制造商根据自己的理解形成了各自的企业标准，但由于测量方法和测试系统之间的区别，各系统间生成的数据差异较大。国外的PIM测量则起步较早，早在2001年就制定了有关无源测试的射频连接器、连接器电缆部件和电缆的PIM水平测量标准IEC-62037。
PIM的表征有两种方法，一种是绝对功率电平表示法，用以dBm为单位互调产物电平值来表示，另外一种是相对功率电平表示法，即用互调产物绝对功率电平与一个输入载波功率电平的差值来表示，单位为dBc。IEC-62037建议实验端口处采用2×20W（43dBm）功率，这一标准已被业界广泛采用。譬如基站天线互调要求一般为-107dBm@2×43dBm，等同于-150dBc@2×43dBm。
一般来说，PIM特性是由多个干扰源的复杂综合，这些干扰源在各种不同程度上受一个或者多个因素的影响。因此对PIM的建模极其复杂，只能对实际PIM电平进行相对准确的预测。要精确可靠地估算PIM行为，只能依靠相对精准的测量方法和适当的测量装置进行测量。
无源器件的设备制造商和移动通信系统运营商以及其他无缘非线性实验研究都需要无源测量系统。一般来说。PIM产物测量方法可分为无辐射式和辐射式两种。前者适合于非线性材料、连接器、同轴电缆、滤波器、功分器、耦合器、双工器、波导器件等的研究，通常测量系统要屏蔽，终端接一个匹配负载，理想情况下不辐射任何能量；后者适合于辐射结构，如天线、馈线、结构部件等的研究，通常系统放在微波暗室或开放的测量场地。由于辐射式测量系统受本地信号环境影响较大，所以只在有些特定情况或必须使用辐射式测量系统时才会采用此方法。相比之下，由于测试系统是屏蔽的，实验参数和实验环境较易控制，无辐射式测量方法更为常用。无辐射式PIM测量方法按照传输方向又分为无辐射传输式和无辐射反射式，选择传输式互调及反射式互调测量是由具有最大功率的载波信号在无源器件中的传播方向决定，如图3所示。
4.1 传输式测量方法
传输式测量方法，顾名思义是测量被测件中正向传输的PIM信号，一般用于双端口或者多端口器件的测量中。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测量方法。测量方式如图4所示。具体的测量原理如图5所示。
4.2 反射式测量方法
反射式测量方法，顾名思义是测量被测件中反向传输的PIM信号，一般用于单端口器件的测量中。天线和负载等都可以采用这种测量方法。测量方式如图6所示。具体的测量原理如图7所示。
5.PIM测试系统的设计
目前中国的三大移动通信采购商已经将互调指标纳入集采要求，且各个设备及系统供应商也将互调指标较好的产品与互调指标较差的产品在采购价格上区分开来，互调指标更好的产品可以获得更大的利润空间。这些都迫使下游的设备制造商或者分包商们必须对生产产品的PIM进行测试区分。从通信产品采购商到分包商再到制造商，每个环节都需要进行测试或者验收，这就要求每个环节至少有一套PIM测试设备，按照中国上百家的设备制造商来算的话，PIM测试设备的潜在需求非常之大。
在选择测试仪表进行无源互调测试方面，虽然市场上生产PIM测试设备的生产商有很多家，国内的、国外的都有，但是能够提供的精准测量仪表还很有限。其中，国外产品很有优势，以美国Summitek、Rosenberger为代表，他们无源互调测试设备在两路20W的射频信号输入下，PIM系统测试值都可达到-170dBc水平，涵盖频段也可以从400～3500MHz，但价格相对昂贵，从70到200万人民币一台不等。国内产品的主要优势是价格便宜，大约在20到50万人民币左右，以杭州紫光、南京纳特、博讯通电子等厂商为代表，但目前只有少数厂商能够将全频率覆盖到。
通过上面的了解，虽然商用测试设备集成度高、使用方便，但不论是国内的还是国外的PIM测试设备都是一笔不小的投入，而且如果想要把测试频段全面覆盖的话，对一般的设备制造商来说不太可能。笔者根据多年的无源产品PIM测试经验以及对PIM测试方法的理解设计了一套测试方便，且可以自行搭配的测试系统。并与国内外的测试系统的测试精度做了对比。
5.1 自制系统的搭建
考虑到被测产品有单端口、双端口或者多端口的之分，且不同类型的测试方法不同，我们试验把无辐射传输式和无辐射反射式两种方式充分融合，放入到一套测试系统中，经过简单的移动换接就可以实现多种测试。测试系统原理图如图8所示。图中左侧是提供两个射频信号（f1和f2）输出的信号源，通过功率放大器进行信号放大后输入到合路器。合路器进行信号合成后再进入到自制双工器的TX端口，TX通道只传输两个射频信号（f1和f2），其他阶次频点全部被滤波器抑制掉。RX则允许三阶、五阶以及更高阶次频点或频段通过，对两个输入的射频信号进行抑制。双工器可以根据用户测试需要，设计不同的频段换接使用。双工器的RX端口输出信号接到频谱分析仪，ANT端口直接连接到DUT的输入端，此时频谱分析仪检测到的信号为DUT（被测件）的反射PIM。DUT的输出端连接到自制分路器中，分路器的作用是对两射频信号与PIM信号进行分离，分路器的输出f1和f2的一端连接到大功率负载上，对信号进行衰减吸收，另一端连接到频谱分析仪上，对DUT的传输PIM信号进行测试。
自制系统的可进行以下几种测试：
1）功率校准测试：参照客户规格书或者IEC-62037标准，首先确定DUT的输入端需要加载的功率。我们以采用2×20W（43dBm）功率为例，如图8所示，我们需要在DUT的输入端也就是双工器的输出端进行功率测试。由于20W的功率已超出功率计耦合探头的输入功率要求，为了避免损坏测试设备，我们应在探头前端接入大功率衰减器，功率计不能直接连接到双工器的输出端。分别打开两路信号，记录谱仪的读值，经过换算后确定双工器的输出端输出的两路信号是否符合要求，如不符合要求，调整信号源幅度值到合格为止。
2）系统残余PIM值测试：在对DUT进行PIM测试前，首先进行系统残余PIM值测试。由于系统中存在一些器件（如双工器、分路器、连接电缆、大功率负载等），如果器件本身PIM值较差会直接影响到测试精度。如图8所示，功率校准后，移除DUT及功率计，双工器的输出端经过一根低互调电缆直接连接到分路器的输入端，两台谱仪监测到的就是系统残余的反射和传输PIM，也就是系统中各个器件的PIM值最差值。如果想要提高测试系统的测试精度，则需要在器件的设计要非常细致，在测试电缆的采购上要精挑细选（一般会采用Rosenberger厂家的低互调测试电缆）。
3）单端口器件PIM值测试：单端器件测试比较简单，只能采用反射式测量方式进行。功率校准后，DUT直接连接到双工器的后端，打开两路信号在前端谱仪上进行PIM值读取。
4）双端口或多端口器件PIM值测试：对双端口或多端口器件进行测试时，可以通过前后两个谱仪同时检测到反射和传输PIM值，更能直观地定位PIM产生的位置，方便产品的问题分析。
自制系统的搭建可以方便用户对不同频段不同型号的产品的测试，并且仪表在有其他用途的时候可以随时拆除，仪表利用率比较高。甚至在没有PIM测试安排的情况下，可以把整个系统进行拆除分开使用或者存放，方便安全。整个自制系统的费用（除去仪表）大概在5000元以内，较大地节省了开支。图9、图10为两个自制系统实物图。
5.2 测量精度对比
虽然自制系统存在很多优势，但由于系统中自制件及连接电缆较多，对系统搭建人员自身素质要求较高等因素，系统的测试精度能否满足DUT的测试要求，很多人持怀疑态度，下面我们就自制系统测试精度，及与其他系统对比数据做下分析。
图11、图12为移动通信DCS1800频段产品的测试系统，两射频信号分别为f1=1820MHz，f2=1865MHz，三阶互调信号fpim=1775MHz。f1和f2信号的功率均为+43dBm，两台仪表的监视值均在-125±2dBm范围，修正测试电缆及仪表测试误差等因素，并连续读取三次数值算平均，系统的残余互调应该在-120dBm（-163dBc）水平，完全满足IEC所建议的水平，甚至与Summitek、Rosenberger等国外仪表商测试水平接近。
查询国内外相应频段测试设备，系统残余PIM指标对比数据见表1。
6.PIM的减小措施
由于PIM产物对移动通信系统的通信质量有很大的影响，我们必须采取一些有效措施使系统中的PIM产物降到最低。为了到达这一目的我们必须谨慎行事，注意方方面面的细节，比如产品的设计、产品的焊接、产品的装配、材料的质量、表面处理的质量及整件的安装、操作、维护等，而不应该把PIM问题归咎到某一个问题上。
对于无源器件，我们可以采用以下措施来减小或者降低PIM产物的影响：
1）避免在产品中使用非线性材料。如果因为设计需要必须使用的话，应对材料外表面进行电镀处理；
2）产品设计中应简化产品的连接点，尽量避免过多使用连接点，且使用的连接点必须是精确的，在足够的压力下要能维持较好连接，连接点在条件允许的情况下应锡焊或者冷焊结点；
3）在零件接触处应避免使用过大或者过小的接触面，防止压接不良，并且要避免使用不同材料间直接接触；
4）产品在表面处理前应充分清洗零部件，避免产生气泡或者附着力差等现象，表面涂覆要均匀，镀层厚度足够厚，且要防止氧化；
5）如需使用电缆时，电缆长度应该采用最短的连接方式。最好要使用刚性或者半刚性的同轴电缆。
7.结束语
本文对移动通信系统中PIM产生的机理问题进行了研究和分析。介绍了针对无源器件PIM的测量方法，并且结合多年的PIM测试经验和对测量方法的理解设计了一套较为实用的PIM测试系统。最后也提出了无源器件中减小PIM产物的一些措施和建议。通过这几个方面的分析和研究，我们相信有更多的人对无源产品的互调干扰有了一定的认识。以后也会有更多的人投入到PIM的相关研究中。
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作者简介：
李凯（1981—），男，安徽阜南人，大学本科，毕业于安徽大学电子信息工程专业。
台中和（1964—），男，甘肃天水人，大学本科，毕业于西安电子科技大学电磁场与微波技术专业。