PIM 的产生机理十分复杂,目前还没有完善的理论模型和有效的分析评估手段,在工程设计中主要依赖实验测试来对部件或者子系统的PIM 水平进行衡量,因此高性能的PIM 检测技术十分关键。国内外对于PIM 的检测问题一直都非常重视,目前也有一系列测量仪器,基本上能满足民用通信系统中PIM 检测的需求。PIM 的通用检测方法较成熟,国际电工委员会(IEC)提出了两种推荐测试方法用于测试PIM 信号,即反射法和传输法。这两种测试方法的基本原理:首先,系统提供两路等电平的信号,然后将这两路信号合成一路,并将这一路信号反馈到被测部件,要求被测部件产生的PIM 电平要高于测量系统自身PIM 电平10 dB 左右;然后,将n 阶的PIM 产物通过接收设备来检测。反射法和传输法测量PIM 的基本框图如图5-1 所示。相比之下,反射式测量实现简单;传输式测量更全面,可以测得微波部件的最差PIM 状态。
随着需求的不断提高,对于PIM 检测方法的主要要求集中于检测灵敏度和检测速度。其中,检测灵敏度主要取决于测试系统的自身PIM 水平,检测速度主要取决于末端信号接收检测设备的测量速度。同时,为了研究PIM 电平随时间以及环境条件的变化特性,因此加载不同环境条件下的长时间实时测量也是PIM 检测的一个重要方面。
图5-1 通用的PIM 测试系统示意
除此之外,更宽的测试带宽、更大的测试功率范围、多路载波条件下的PIM 测试以及调制信号PIM 测试也是PIM 测试系统需要发展的方向。
辐射式结构(如天线)的PIM 测试与标准的PIM 测试方法本质上是一样的,所不同的是由于其辐射特征,PIM 测量的具体实现形式与封闭腔体结构的PIM 测量有所不同。首先,为了避免外部干扰的影响,开放结构的PIM 测试需要在吸波暗室中进行,且为了保证测试精度和测试的一致性,需要确保测试暗室的PIM 电平保持很低的水平(通常要低于检测灵敏度)。开放结构PIM 测量也分为反射式和辐射式,反射式与标准的PIM 测量方法类似,只是待测器件的放置环境有所不同。辐射式测量时,辐射场可以代替标准方法中的收发双工器,发射天线直接将信号辐射至开放空间,在特定位置安置接收天线来对所关注的PIM 信号进行接收、检测。另外,辐射式测量时,发射信号既可以分别用多副天线辐射,也可以合成后通过一副天线辐射,应依据不同的需求来选择。
2010 年,北卡罗来纳州立大学的学者针对电热耦合PIM 效应开展了系统研究,并针对电热耦合PIM 测试提出了一种测试方案,如图5-2 所示。电热耦合效应引发的PIM 只有在载波频率间隔很窄(kHz 级别)的条件下才有效,而采用传统PIM 测试系统测量时,在如此窄的频率间隔下,低阶PIM 产物会离发射频率十分近,无法通过滤波分离出来。为此,提出了基于功率对消的方法来实现这种情况下的PIM 检测,其核心思想就是通过幅度相位的变换来实现对载波的功率抵消,而保留PIM 分量。但是,其检测灵敏度也取决于对消的程度。理论上,等幅反相即可实现完全对消。但是,在实际系统中受随机的、器件的因素影响,无法做到完全对消,其底噪水平在-120 dBm 量级,如图5-3所示,即灵敏度最高为-120 dBm。在该项研究中,针对电热效应做了很多实验,但是测试样件都是人为选择的电热特性较明显的器件。同时,电热效应在PIM 的机理中并不算主导机理,且当功率较大或带宽较宽时,这种功率对消方法的局限性就十分明显。因此,除了其对消思想有一定的参考价值外,其中所设计的PIM 测试系统不具代表性。
图5-2 基于对消思想的PIM 检测方法
图5-3 对消法PIM 测试系统的底噪水平
在大功率微波技术领域,欧洲航天局(European Space Agency,ESA)、中国空间技术研究院西安分院的空间微波技术国家重点实验室等研究机构长期开展相关的研究和研制能力建设,针对不同应用需求建立了更多高性能的PIM 测试系统。PIM 检测的主要发展趋势有以下几点:(www.xing528.com)
(1)高灵敏度——可以检测到更加微弱的PIM 信号。
(2)宽频率带宽——可以同时测量多阶PIM 以及多种频率间隔下的PIM。
(3)大功率检测——可以实现在较大范围内载波功率连续可调的PIM测量。
(4)实时长时间检测——可以实现对瞬态突变信号的抓取记录,且可以实现长时间大容量测试。
(5)多功能、多通道、多频段检测——可以实现多个频段、多路载波条件下以及调制载波下的PIM 检测。
(6)高性能环境条件加载测量——可以实现更宽温度范围、力学等外部环境加载条件下的PIM 检测,如针对大天线系统的高低温PIM 检测。
(7)集成全自动化测量——可以实现PIM 测试系统的集成智能化。
高灵敏度使得检测更为精确,其主要是对测试系统的核心部件指标以及系统的集成设计提出了更高的要求,要求核心部件(如收发双工器、滤波器、负载等)具有良好稳定的低PIM 特性,系统中的接插件保持稳定低PIM,从而确保系统自身的残余PIM 保持在较低的水平。在灵敏度要求很高时,对测试系统中部件的PIM 指标要求则十分苛刻,因此超低PIM 的大功率微波无源部件实现成为关键。宽频率范围需要系统中的核心部组件(如收发双工器、功放等)能够实现宽频段覆盖,从而可以同时测量多阶PIM 产物,以提高测试效率。实时检测能力需要更先进的测量方法和仪器的支持,传统的扫频式频谱仪在测量信号较小时,测量速度大幅下降。当前较为有效的一种方法是采用实时信号分析仪或矢量信号分析仪,在同等精度的条件下,检测速度大幅提高,基本可以实现实时测量。大功率范围有利于研究不同功率输入下器件的PIM 特性。多频段的PIM 测试主要依赖于功放等核心设备,其本质的测试方法并无特殊之处。综上可以看出,PIM 测试系统是一种综合性的测试应用系统,系统功能组成复杂,且研制建设成本较高。
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