一、概述

時至今日，至少在蜂窩移動通信行業，對于無源互調對系統危害的認知已經十分普遍，從工程角度看，無源互調測量技術以及低互調無源器件的生產制造工藝也已經成熟。但是我們也注意到，近年來在無源互調方面的研究具有一定的局限性，大部分有關無源互調的討論都是基于器件角度，而類似以下的這些問題，往往被業界所忽略： 1)?行業普遍認為低無源互調指標應該是-153dBc~-170dBc@2×43dBm，這個指標的來源是什么？ 2)在一個通信系統中，究竟哪些無源器件需要低互調設計？一個無源器件的互調對系統有什么影響？如何量化這個影響？無源器件的非線性特性與整機的雜散輻射指標有什么關聯性？ 3)反射互調、傳輸互調、反向互調和感應互調分別對應哪些應用場景？對本系統、共站共址系統和其他通信系統的影響如何評估？ 4)?傳統的無源互調測試采用傳導測試模式，開場條件下會不會產生無源互調？ 5)?無源器件的非線性特性對于寬帶調制射頻信號的鄰道功率有貢獻嗎？ 6) MIMO系統中有沒有互調問題？

在任何通信系統中，無源器件的非線性特性不應被孤立看待，無源互調的理論和工程應用研究應該是一個系統性的問題，這就是本文中想要探討的。

二、無源互調指標的來源 ? ? ?

? 首先我們結合圖1來討論無源互調指標的定義。圖1a是收發系統的典型電路，兩個發射信號fTX1和fTX2分別經過功率放大器、環流器，由合路器合成后進入雙工器的TX端，經過雙工器濾波后從天線輻射到空中。從雙工器ANT端口以后一直到天線，整個路徑上的無源器件在兩個合成信號的作用下會產生無源互調產物，如果互調頻率（如三階互調fIM3）落在接收頻段，就會對接收機產生干擾。

圖1a. 典型的收發系統

圖1b. 頻譜 圖1.?無源互調指標的來源 ? ? ?

? 以GSM900為例，下行頻段是925-960MHz，上行頻段是880-915MHz。如果fTX1和fTX2分別為935MHz和959MHz，產生的三階互調頻率為913MHz，剛好落入接收頻段。 ? ? ?

? 那么我們該如何定義互調頻率fIM的幅度大小？顯然，進入接收機的互調產物幅度應該不足以對接收機產生干擾，干擾信號的幅度應該比接收機靈敏度小，我們就可以將互調產物的幅度限值定義如下。 絕對值：PIM(dBm) < S -? @ (PTX1,PTX2)??（1） 相對值：PIM(dBc) < S -? - PTX?@ (PTX1,PTX2)? （2） ? ? ? ? 其中，PIM是互調產物的幅度，與階數無關，只要落入接收頻段，無論幾階互調都需要關注；S是接收機的靈敏度；?是干擾保護比，也就是互調產物應該比靈敏度小多少，通常為6~10dB；PTX1,PTX2為兩個載頻的幅度。 ? ?

? ? 式1為互調限值的絕對值表達法，解釋為在一定幅度的兩個以上載頻的作用下，互調產物應比接收機靈敏度小一定的值；式2為互調限值的相對值表達法，解釋為互調絕對值與載頻的差值，為了計算方便起見，通常假設為PTX1 = PTX2 = PTX。 ? ? ?
? 以蜂窩通信系統為例，PTX1 = PTX2 = PTX =43dBm，S=-107dBm，?取6dB，則要求無源互調產物的幅度應小于-113dBm絕對值或-156dBc相對值，分別表達為-113dBm@2×43dBm或-156dBc@2×43dBm。這是我們常見的無源互調指標，或許是由于當初IEC在制定無源互調測試標準時參照了GSM900蜂窩基站的情況[1]，同時很多相關技術文章和產品所描述的指標都是這個數量級，因此造成了對無源互調理解的以下幾點局限性： 1)??????無源互調的指標在-110 ~ -120dBm，或者-153~ -163dBc； 2)??????無源互調的定義是基于20W的載頻功率； 3）? ? 只需要關注三階互調，高階互調很小，可以忽略。 ?

? ? ? 我們曾經遇到一個案例，要測量一個雙工器的無源互調，其設計指標要求為-200dBc@2×21dBm，有些人認為這個指標不可實現，是不合理的。而這可能就是前面所描述的對無源互調認識的局限性，因為在大家的認知中，無源互調最好也就-170dBc。但如果從以下兩點來考慮，就可以發現-200dBc這項指標是合理的： 1)??????這個系統的接收靈敏度非常高，目前地面接收機的靈敏度已經可以做到接近-160dBm； 2)??????按照載頻功率與互調相對值1:2的關系，如果將功率提高到43dBm，那么這個互調指標可以等效為-156dBc@2×43dBm，這個值就符合大家通常的認知了，而且實現并不困難。 ?

? ? ? 從上述案例以及式1（式2）可以發現，一個通信系統中無源互調與接收機靈敏度和載頻功率有關，無源互調限值及測試遵循真實使用環境模擬原則： 1)??????無源互調限值取決于系統接收機的靈敏度以及發射機的功率； 2）? ? 只要落入接收頻段的無源互調都應被關注，與互調階數無關。 ? ?

? ? 在IEC62037-1標準中，也提到了除非有特別要求，對于移動通信系統一般推薦加載到DUT的測試端功率為2×20W（43dBm），而其他系統可能需要不同的測試功率電平[2]。我們曾經遇到過一些非移動通信的無源互調測試案例，作為上述論點的佐證簡述如下。

案例：不同載頻功率比對無源互調的變化規律的影響研究。 ? ?

? ? 在IEC63027標準中，建議采用2×43dBm的功率進行無源互調測試，通常要求兩載頻電平的偏差不超過0.5dB，這種情況適用于蜂窩移動通信。在很多通信系統中，載頻信號的峰均功率比不是恒定值，載頻的幅度可能是隨機變化的，因此研究不同載頻功率比條件下無源互調的變化規律具有一定的實用意義。 我們經過實驗并提出了以下的擬合公式： PIM dBm = C0 + C1P1dBm + C2P2 dBm ??????（3） ? ?
? ? 上式中，C0、C1、C2為擬合系數。我們分別對帶狀線定向耦合器、同軸連接器和微帶線等三種器件進行了實驗及計算，獲得了較為一致的理論和實測結果（圖2），最終結果表明，當總功率不變時，最大互調出現在兩載頻功率為1:2的位置[3]。 ?

圖2. 載頻功率之比對三階互調的影響規律

三、如何分解系統中無源器件指標對系統的影響 ? ? ? ??我們知道，產生無源互調的必要條件是兩個或者以上的載頻同時作用在器件射頻路徑的某個點上。圖3顯示了一個典型的通信系統的前端，我們結合這個電路來討論各個無源器件的指標對系統接收機是如何產生影響的，同時也討論每個器件的指標應該如何確定以保證性能和成本的平衡。

圖3.?通信系統中各無源器件的指標對接收機干擾的影響? ?? ? ? ? ? ? 圖3中一個明顯的合成點是合路器的C端，這個端口除了兩個載頻以外，還包含了互調信號，比如三階互調2fTX1-fTX2和2fTX2-fTX1，這兩個互調信號的幅度是多大？我們把視線轉向功放的方向看，假設兩個載頻fTX1和fTX2被放大后輸出功率P1和P2均為45dBm，合路器的隔離度I不會是無窮大，通常是20dB，這樣P2反向進入另外一路放大電路的環流器輸出端，其幅度為P2’=P2-I=45-20=25dBm，這個環流器在P1和P2’這兩個功率的作用下，會產生反向互調[4]，由于環流器采用鐵氧體材料制成，這種材料具有較差的非線性特性。

圖4. 鐵氧體器件的無源互調特性 ? ? ? ?

? 圖4顯示了鐵氧體環流器的典型反向三階互調特性，當P1=45dBm，P2’=25dBm時，三階互調約為-80dBc，即-35dBm，這個互調信號經過合路器后進入雙工器的TX通路。而合路器的互調，無論是采用帶狀線還是微帶線結構，都會遠小于鐵氧體材料的互調，因此進入雙工器的互調也就可以看成是-35dBm。這樣就可以確定如果雙工器的帶外抑制做到90dB以上，就可以將這個互調抑制到-125dBm以下。這個互調信號出現在雙工器的ANT端并進入接收機，不會對接收機造成干擾。兩個載頻信號會經過天饋系統輻射到空中，在其經過的路徑上，無論是電纜組件、避雷器和天線，都需要低互調設計，這些器件上產生的反射無源互調都會直接進入到接收機，中間再也沒有濾波器“保駕”了。 ? ?

? ? 從上述分析我們可以下這樣的結論，圖3中，合路器并不需要專門考慮低互調設計，但合路器的隔離度指標會影響環流器的反向互調指標，間接影響到系統的無源互調；雙工器需要低互調設計；ANT端口的連接器尤為重要，通常我們可以發現蜂窩基站中雙工器的ANT端口會采用比如DIN7-16或者43-10這類具有低互調特性的連接器，TX端口則會選用成本更低的N型或者SMA連接器；RX端口的連接器不需要考慮低互調設計，采用SMA即可；天饋系統中所有的器件都要采取低互調設計。

上述案例說明，在一個通信系統中，綜合分析各器件的S參數和無源互調特性，并分解各器件的指標，將會十分有利于系統的設計，這是從系統角度看待無源互調的一個典型案例。

四、反射、正向、反向和感應互調分別對應哪些應用場景？ ? ? ?

??不同的無源器件位于系統中的不同位置，其產生的無源互調對接收機產生干擾的路徑也不盡相同，相應的測試方法也會不同，其基本測試原則應該是測試面向接收機方向的無源互調。以下我們將對這些問題進行討論。 反射互調 ? ? ? ? 反射互調的定義是當二個載頻同時輸入到一個雙端口（或多端口）器件的某個端口時，從該端口反射回輸入方向的互調產物（圖5a）。反射互調的測試方法（圖5b）完全遵循其定義，與圖3所示的真實使用場景十分相似。反射互調是最常見的測試項目，主要應用于FDD收發系統中那些可能對自身接收機所產生干擾的無源器件，典型的如圖3中雙工器ANT端口以后的所有無源器件，包括射頻電纜、避雷器、在線監測設備、射頻跳線和天線等。目前在移動通信行業所提到的無源互調測試及指標，除非有特別說明，絕大部分均默認為反射互調。

圖5a). 定義?

圖5b). 測試方法? ??圖5. 反射互調—定義和測試方法

正向互調

? ? ? 正向互調也被稱為傳輸互調，其定義是當二個載頻同時輸入到一個雙端口（或多端口）器件時，在輸出端所產生的互調（圖6a）。同樣，測試方法也遵循其定義。

圖6a).?定義

圖6b).?測試方法 圖6. 正向互調—定義和測試方法? ? ? ?? ? ? ? ?

? 需要測試傳輸互調的是那些輸出互調會流向接收機的無源器件，比如圖3中的合路器，以及連接合路器和雙工器的電纜組件。當然雙工器的主要作用之一就是抑制合成后所產生的互調，如果進入雙工器的互調小，那么對雙工器的帶外抑制要求就會低一些，當系統設計者充分了解各級器件的特性后，可以更加合理地分配各級的指標，使得整機在體積、性能、可靠性和成本這些因素之間找到平衡點。 ? ? ?

? 另一種很重要的情況是無源互調對其他通信系統產生的影響，圖3中，天線的反射互調會進入接收機，同時其傳輸互調則會輻射到空中對其他系統產生影響。由于天線是各向同性器件，因此可以認為輻射到空中的傳輸互調產物幅度與反射互調幅度相近。輻射出去的互調產物在空中急劇衰減，比如900MHz的信號在自由空間傳播50米后就會損耗65.5dB，天線產生的傳輸互調幅度完全不會對其他同類的系統產生干擾。因此只要天線的反射互調合格，傳輸互調也就不需要關注了，正所謂“保護了自己也同時保護了他人”。 ?

? ? ? 還有一些需要關注的傳輸互調對其他通信系統產生干擾的情況，比如多載頻調頻廣播發射系統的互調對民航VHF通信的影響。調頻廣播發射系統具有大功率、多載頻合成、低增益全向天線發射的特點，同時發射臺位于制高點，遍布全國各地。這些條件下，發射系統產生的互調很容易對飛臨其覆蓋范圍民航VHF通信設備產生干擾。

簡要分析如下： a)???? 載頻及互調頻率范圍：調頻廣播的頻率范圍是87.5-108MHz，其產生的互調剛好落入民航VHF的工作頻率范圍108-137MHz； b)???? 發射功率及互調電平：調頻廣播發射機的功率非常大，市級臺可以到3kW，省級臺最高達到10kW；國標中對單臺發射機的雜散規定為同時滿足不大于載頻的-60dBc或者0dBm[5]，但是對合成系統的互調和雜散并無要求，因此用于調頻廣播發射系統的合路器、饋線和天線都不會考慮低互調設計；即使參照單臺發射機的國標要求，也需要專門的測試手段來完成天饋系統的互調測試。 c)?????調頻廣播的發射天線垂直半功率角通常為10°至30°之間，可以計算出當半功率角為15°時，飛行高度在6千米到1萬2千米、水平22公里到44公里的范圍內，都在調頻廣播的覆蓋范圍內。 d)? ? ?根據上述參數，假設天線的傳輸互調為0dBm，經過44公里的自由空間傳播后，衰減了107dB，到達飛機的互調電平為-107dBm，這個值正好是機載VHF電臺的接收靈敏度，也就是說，飛機在經過在距離廣播發射臺44公里半徑、6千米到1萬2千米的高度范圍內，都可能受到來自調頻廣播發射系統的互調干擾。 ?

??? ? 隨著社會經濟的不斷發展，無線電頻譜的使用率會越來越高，隨之要考慮的各種通信系統間的電磁兼容性問題，無源互調測試作為其中一個細分且十分重要的領域，也會被業界所越來越重視。

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反向互調 ? ? ?

? 相較于反射和傳輸互調，反向互調較少被提及，這種互調僅僅出現在各向異性器件中，常見的也就是鐵氧體隔離器和環流器，這種器件通常位于功率放大器的輸出端，除了能保護放大器不被燒毀，還能抑制放大器的諧波，但同時也會產生反向互調。反向互調的定義是當二個載頻分別從不同的方向同時輸入到一個各向異性器件的輸入端（1）和輸出端（2）時，從輸出端（2）產生的互調產物。圖7b所示的測量方法遵循其定義，由于輸入到端口1的信號是本系統的發射信號，而端口2的信號則來自于外部發射機的串擾，因此f1的電平會大于f2，在實際測試過程中，可以將f1的電平設置為43至45dBm，而將f2的電平設置為20至30dBm之間，也可以根據實際情況設置測試電平。

圖7a).?定義

圖7b).?測試方法 圖7.?反向互調—定義和測試方法 ? ? ? ? ? 由于鐵氧體器件產生的反向互調要遠大于其他無源器件，評估這種器件的無源互調有助于定義雙工器的帶外抑制。這些已經在圖3中進行了描述，不再贅述。 感應互調 ? ? ? ? 首先需要特別說明的是，“感應互調”的概念在以往的相關文章中并未出現過，是我們通過一些實測案例而臨時命名的。感應互調現象可以描述為：當兩個載頻從空中照射到被測物時，由于被測物存在非線性特性所產生并輻射到空中的互調產物。注意上述描述只是為了討論這種現象的需要，并不能代表某種“定義”。

圖8a).?問題的來源

圖8b).?現象描述 圖8.?從天線的互調測試討論“感應互調” ? ?

? ? 問題最初是從天線的互調測試開始的，我們知道互調產生的必要條件是兩個載頻同時作用到無源器件上，在圖8a所示的天線反射互調測試系統中，兩個載頻作用到天線輸入端測試其反射互調。我們繼續往前看，這兩個測試載頻從天線輻射到空中照射到微波暗室的吸波材料上，吸波材料在受到兩個載頻的作用也會產生互調，圖8b對這種現象進行了解釋。這個感應互調產物（fIM-B）會反射回天線并與天線的反射互調（fIM-A）疊加，最終接收機測得的互調fIM實際上是fIM-B和fIM-A的疊加，如果感應互調的幅度與天線的反射互調可以相比擬，那么最終測得的天線反射互調就會產生誤差。 ? ?

? ? 另外一個應用場景是當天線的周邊有其他物體存在時，這些物體產生的感應互調會進入天線，干擾自身接收機。

雙工器的互調 ? ? ?

? 在FDD通信系統中，雙工器用于分離收發信號；在無源互調測試中，雙工器又是測試系統中的核心器件。雙工器的互調測試方法與圖5b類似，把被測件去掉接入低互調負載即可，對于獲得的互調值可以有以下三種不同的理解： a)????作為無源互調測試系統的校準結果。如果雙工器和低互調負載的無源互調都足夠好，那么校準值就會很好，比如-168dBc@2×43dBm，此時回到圖5b，就可以測量DUT的反射互調； b)????可以作為低互調負載的反射互調測試結果。如果雙工器的互調足夠好，那么測得的結果就是低互調負載的無源互調值； c)????作為雙工器的測試值。如果低互調負載的無源互調足夠好，那么這個測試結果就是雙工器的無源互調，這也就是雙工器無源互調的測試方法。 ? ? ? ? ?

由此可見，雙工器在無源互調測試中扮演著重要角色，其自身無源互調測試方法也較為特殊。

經過上述討論，我們大致了解了無源互調的不同形式對各種系統的影響。這些經驗將會有助于系統和器件設計者如何正確理解無源器件互調以及對在系統中所起的作用，更好地完成一個通信系統的設計。

五、開場條件下的無源互調 ? ?

? ? 在以上有關“感應互調”的討論中，已經提出了在開場條件下產生無源互調的可能性，為了進一步證實這種可能性的存在，我們進行了一次實驗（圖9）。實驗方法與天線的互調測試相似，將天線換成雙段天線，其中一副用于發射兩個載頻信號f1+f2，而另一副則用于接收來自微波暗室吸波材料的感應互調fIM并送至接收機，采用同一副天線是為了保證互調沿著載頻的路徑原路返回。 ? ? ? ?用于發射和接收的兩副天線在物理通路上是互相獨立的，其空間隔離度大于30dB，因此即使發射天線存在正向互調，通過空間進入接收機也衰減了30dB，不會對測試結果產生影響。為了進一步證明圖9測得的互調是由吸波材料產生的而不是天線的反射互調，理想情況是移去吸波材料形成自由空間，但這種假設不可實現。因此我們可以從這個思路得到啟發，變換天線與吸波材料的距離D，如果互調發生變化，就可以證明是由吸波材料所產生的。

? 圖9.?開場條件下的“感應互調”測試? ? ? ? ?

? ? ? 在保持其他條件不變的情況下，我們分別在D=4.26米和6.25米兩種情況下進行了測試，結果表明互調相差了11.2dB。這就可以證明感應互調是存在的。 ? ? ? ? 現代通信系統的接收靈敏度越來越高，針對這類系統，感應互調的研究具有以下兩個實用意義： a)? ? 了解微波暗室自身的剩余互調特性，保證天線反射互調測試的精度與可信度。有些吸波材料采用了鐵氧體材料，這種材料的互調特性并不理想，這類暗室不適合用于天線的無源互調測量。

b)? ? 研究不同材料的感應互調特性，可以在整機設計時如何選用和安置天線周邊材料提供依據。

六、MIMO系統中有沒有無源互調問題

? ? ? 隨著5G的普及，會不會帶來新的無源互調問題？在Sub-6GHz頻段的5G基站中，采用了MIMO技術，在這種系統中，相鄰兩個天線單元之間可能會由于互相串擾造成反向互調（圖10）。

圖10a). 單元結構示意圖

圖10b). 單元結構示意圖 圖10. MIMO系統互調產生機理 ? ?

? ? 圖10a顯示了MIMO系統的基本單元結構，每個天線單元的輸出信號除了正常輻射到空中以外，還會有一部分串擾到鄰近的天線單元中。在TDD制式的蜂窩通信系統中，收發通路依靠環流器進行分離，當其中一個單元的信號反向串入另一單元時，就會產生反向互調[4]，圖10b解釋了反向互調的產生過程，其測試方法實際上就是針對鐵氧體環流器的反向互調測試（圖7b）。 ? ? ?

? 在TDD制式的蜂窩通信系統中，依靠幀同步方式可以從技術上避免系統內部的干擾，但是不能避免對其他通信系統的干擾，比如說3.4-3.6GHz的5G基站所產生的互調可能對3.7-4.2GHz頻段的C波段衛星接收機產生干擾。實際上目前上述干擾現象已經出現，但是從我們所遇到的案例看，都是由于接收機的選擇性所導致的接收互調，而不是由發射機產生的互調，但是這種可能性畢竟是存在的。 ?

七、小結?? ?

以上我們討論了本文開始所提出的一些關于無源互調的問題，我們希望表達的意思是，從系統角度來看待無源互調會更加有助于對這個細分測試項目的理論及對產業應用的研究。還有很多問題期待業界同行和專家們的重視和討論，比如說一個寬帶信號是否可以視為無數個單載頻的集合？從這個角度看，發射信號的鄰道功率是否與互調有關？相信隨著時間的推移和研究的深入，會出現更多的無源互調問題，本文希望能起到拋磚引玉的作用。

作者：BXT Technologies ??朱輝

編輯：黃飛

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