应用于wcdma系统的便携式无源互调传输测试系统的设计与实现

南京航空航天大学
硕士学位论文
应用于WCDMA系统的便携式无源互调传输测试系统的设计与实现
姓名：刘智
申请学位级别：硕士
专业：电子科学与技术、电路与系统
指导教师：王成华
2010-12
南京航空航天大学硕士学位论文作者签名：
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第一章 绪论
本章首先系统地概述无源互调的研究背景，然后具体介绍了自动测试平台与无源互调测试
技术的现状与发展，最后阐述了本文的主要工作。
1.1 无源互调的研究背景
随着移动通信系统的飞速发展，通信系统中的用户数量急剧增加，在商业区、居住密集区
为移动用户提供越来越多的数据业务服务。因此，如何解决通信系统的干扰问题，来满足广大
用户的需求、提高用户满意度、增加通信容量、提高通信质量已经变得越来越重要
[1][2]
。
1.1.1 移动通信中干扰的分类
目前随着我国通信技术的高速发展，国内通信运营商将蜂窝通信、无线接入网、广播网等
网络融合
[3]
。2009年1月7日，我国第三代移动通信（the third generation mobile communication, 3G）
牌照发放工作完成，导致同一个运营商运营不同的通信网络，为了减少投资成本与后期维护费
用，多个系统采用共用一套传输系统，这样必然造成系统内部的干扰与系统之间的干扰
[4]
。通
信系统中的干扰主要包括互调干扰、杂散干扰与阻塞干扰。
互调干扰：主要包括有源互调干扰与无源互调干扰，当两个或两个以上的信号作用在通信
系统中的器件上时，就会在有用信号频率附近产生相近似的新的频率成分，从而对通信系统造
成干扰。
杂散干扰：主要是由于发射机滤波器具有的滚降特性，使得其存在带外辐射，如果发射杂
散落入某个系统接收频段内的幅度较高，则会导致接收系统的接收灵敏度下降，降低通信系统
的性能。
阻塞干扰：当接收功率超过接收动态允许的最大功率电平时，会导致接收机阻塞，使得接
收机无法正常工作。在多系统设计时，只要保证到达接收机输入端的强干扰信号功率不超过系
统指标要求的阻塞电平，系统就可以正常工作
[5]
。
1.1.2 无源器件互调产生的原因
无源互调就是指当两个或两个以上的信号在通信系统中的无源器件（如耦合器、同轴电缆
隔离器、天线、负载、连接器等）上混合时，就会产生无源互调
[6-8]
。当互调产物落入高灵敏度
的接收机工作的频带内时，会降低通信系统的性能，严重时可以导致整个通信系统瘫痪。随着
输入功率的不断增加，无源互调的产生会增加通信噪音，使通信质量下降，而且会占用通信频
道，使通信空间变小，同时在数字信号传输过程中提高了误码率等。在通信过程中遇到拨不通、
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回音、在打电话中听到别人的声音等都是受到无源互调干扰的表现。由于无源互调一般出现在
通信系统的后级并且与接收信号频率相同，因此难以消除。随着无线通信系统频带利用率、接
收机灵敏度和发射机的功率的不断提高，人们认识到无源互调干扰日益严重，因此越来越受到
运营商、通信设备制造商所重视。2007年9月，泰尔实验室向中国通信标准化协会提交建立无源
互调测试的基础行业标准的申请。半年后，申请获得审批通过，泰尔实验室、运营商、通信设
备制造商等都会参与标准的制定。
无源互调的主要包括以下几个性质
[9][10]
：
（1）无源互调产物不能像有源互调产物在发射端加装滤波器滤除，结果导致大量的无源互
调产物落入接收机的频带中。
（2）无源互调产物在时间上不稳定，其随着温度或者物理运动变化而变化，必须通过长时
间观察才能得到可靠的数据。
（3）无源互调产物表现为宽带噪声特性，这种现象使得通信系统故障诊断非常困难。
（4）无源互调产物随着互调阶数的降低而增大。
（5）无源互调产物随着载波的增加而急剧增加，三阶互调产物数目增加比指数更快。
1966年，Krstansky提出了铁磁材料是无源互调的干扰源的报告，并且讨论外加直流磁场与
无源互调的关系
[9]
。1973年，Betts在移动天线系统中发现了三阶互调产物
[11]
。Higa在1975年的
研究成果表明通过金属一绝缘物一金属的电子隧道现象能够引起无源互调产物
[12]
。文献[13]第
一次提出了金属接头会产生较大的无源互调，Khattab针对金属接头的研究发现空穴的放电、工
艺质量和电子隧道的半导体效应是产生无源互调的原因。1997年，Petit等研究了无源互调和元
件表面光洁度的关系
[14]
。1999年，罗森伯格发表了无源互调在无源元件和传输线的测量结果的
研究报告
[9]
。通过国内外科研机构与学者对无源互调的深入研究与试验，发现无源互调的非线
性的微观机理非常复杂，其现象主要与生产、设计、材料、外界环境等因素相关。引起无源互
调的因素主要有电流密度、湿度、表面污染等导致的导体和电介质的变化，使得材料显示出非
线性。主要的无源互调产生来源如下
[9][10]
：
（1）包含铁磁材料的合金。
（2）薄金属镀层属弱无源互调源，通常用金属镀层增强导电性，但薄层会产生弱的无源互
调产物。
（3）中心接触件的不同金属材料。
（4）电流流过尖锐的器件边缘。
（5）压力不大的金属与金属接触点处。
（6）金属零件电镀过程中未清洗干净的电镀溶液。
（7）低劣的工艺引起松动连接。
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1.1.3 无源器件互调的预防措施
大功率环境中的通信设备中的无源器件不可避免会产生更复杂的无源互调，这样使得移动
通信系统互相干扰造成通信质量与容量的大幅度下降，所以在制造和生产无源器件中如何避免
减少无源互调的干扰成为了一个主要的研究部分。到目前为止，国内外大量研究开始针对如何
有效预防和防止无源器互调的产生。预防和减少无源互调的主要措施包括
[10][15]
：
（1）在设计方面，尽可能减少对非线性材料与器件的使用。
（2）设计时尽量使与导体接触面积大，来保证导电通道的电流密度维持较低水平。
（3）在通信系统的频谱划分时要充分考虑到无源互调的干扰。
（4）通信系统中的连接电缆应越短越好。
（5）选择导电率高的材料，避免采用含磁性材料。
（6）锈蚀和斑点等不能在导电体表面。
（7）减少中心接触件的不同金属材料的数量。
1.2 自动测试平台的现状与发展
自动测试平台的定义是人们使用计算机的测试软件，在人几乎不参与的情况下，自动控制
系统的测试，并且实现数据处理与显示、存储与传输测试结果等功能的平台。测试软件系统是
自动测试系统至关重要的一个组成环节，包括了测试控制机上的测试软件与操作系统。测试软
件系统也是自动测试系统唯一的软件组成部分，在测试控制机上面运行。
自动测试平台从出现以来最基本的要求是稳定可靠，使用方便，价钱便宜，由于现代的测
试需求信息化的影响，自动测试平台的发展要求更加通用化、标准化、模块化
[16]
。当今世界上
各个国家都在进行自动测试平台的研发，有了一定的成就
[17-19]
。从上个世纪80 年代中后期开始，
西方一些主要发达国家如美国就开始研究自动测试平台的通用化，从而逐渐制定了军用自动测
试平台标准。上个世纪八十年代，我国也开始了测试仪器的自动化，综合化的研制。从开始引
进自动测试设备，到仿造再到自行研究制造，我国的自动测试设备已经基本上向综合化、模块
化、通用化的特点发展。但因为缺少对自动测试平台体系结构系统全面的认知，国内自动测试
平台的通用性能还不够。
当前的自动测试平台的缺点还比较多，比如较低的故障判断效率和准确性能、不够广阔的
使用范畴和兼容水平，高额的生命周期内使用和维护费用等。因此在今后，随着自动测试平台
核心技术如总线技术、测试控制技术和故障判断技术的进步，自动测试平台的进一步发展方向
有
[20]
：
（1）增强自动测试平台设备的兼容性能。
（2）扩展自动测试平台新功能技术。
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4
（3）改善测试平台设备配置多样性，以适应不同测试客户的要求。
（4）优化测试平台程序可移植和互操作功能。
（5）研制基于模型的测试平台软件。
（6）利用被测试的对象参数的综合信息，优化测验判断的正确性
1.3 无源互调测试技术的现状与发展
由于国际无统一的测量方法标准，生产无源器件的各家厂商都按各自建立测试系统进行无
源互调测试，所以国际电工委员会颁布了IEC 62037：RF 连接器、连接器电缆组件与电缆的互
调电平测量标准。根据IEC 62037 推荐测试方法，国内外无源互调测试系统发展主要包括：手
动组合式无源互调测试系统，自动组合式测试系统与自动一体式测试系统。
1.3.1 无源互调IEC 推荐测试方法
国际电工委员会(IEC)是由联合国经社理事会(ECOSOC)的甲级咨询组织，在世界上成立
最早的国际化电工的标准化机构。IEC 主要负责规范所有电工电子和相关技术领域的国际统一
化标准，推动电工电子产品的质量合格评定和安全认证等工作。随着越来越多的国家处于工业
化进程中，到2001 年为止IEC 共有67 个成员国家，4176 个正式的国际标准，且其总部设在在
日内瓦。IEC 的组织结构主要包括：理事局（CB）、合格评定局（CBA）、执行委员会（ExCo）、
中央办公室（CO）和技术委员会（TC）。
在IEC 62037 推荐测试方法中给出了两种测试方法，分别是反射与传输测试方法，其测试
框图如图1.1 及图1.2 所示。基本测试原则是：产生两路电平值相等的信号
1
f 和
2
f ，并将其合
为一路，同时反馈到被测的无源器件，测试信号的自互调电平至少要比被测器件中产生的互调
电平低10dB，最后将n 阶的互调产物用校准过的接收器测量。
测试方法一主要应用于测量单端口和双端口被测器件的反射互调电平，当测量双端口网络
时需要在被测器件另一端口接低互调线性负载。
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f
2
f
1
接收端端滤波器
终端
双端口被
测试器件
发射端滤波器
混合器
接收器

图1. 1 IEC 62037 反射测试方法框图
信号发生器
1
f 和
2
f ：信号发生器用来提供连续载波信号。
接收端滤波器：滤除
1
f 和
2
f 的谐波并使信号发生器互相隔离。
混合器：将载波信号
1
f 和
2
f 合成，并提取反射信号
PIM
f 。
终端：连接一个功率能量足够大的低互调负载。
接收器：需要对被测的电平有足够灵敏度、响应时间短，满足探测到互调信号的需要。
测试方法二主要应用于测量双端口被测器件的传输互调电平。
接收端端滤波器
终端
f
2
f
1
接收端端滤波器
终端
双端口被
测试器件
发射端滤波器
混合器1 混合器2
接收器

图1. 2 IEC 62037 传输测试方法框图
混合器1：将载波信号
1
f 和
2
f 合成并防止被测互调信号的二次反射。
混合器2：用于提取被测互调信号。
无源互调存在绝对互调电平表达方式（单位：dBm）和相对互调电平表达方式（单位：dBc）
两种不同的表达方式，相对互调电平等于绝对互调电平减去一个载波功率电平的差值。为了保
证无源互调测试的可比性，一般规定将输出电平分别为43dBm 两个载波信号加入到被测无源器
件，在接收端为了保证提高测量时间和灵敏度，可以选择较高灵敏度和频率分辨率 的频谱仪。
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1.3.2 无源互调测试系统的发展阶段
由于目前还没有相应的国内和国际无源互调测试标准，大部分研究机构与厂商都是采用
IEC 62037 推荐的测试方法。无源互调测试技术的研究，不仅能测试无源器件的性能来减少对
多通信系统的影响，还能根据测试得到的数据来对无源互调模型进行预测。目前，无源互调测
试技术被 Rosenberger 和 Summitek 等公司所掌握，在国内，3G 系统目前正处于发展阶段，其