CN103684490A - 基于矢量网络分析仪的无源互调异常点快速定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于矢量网络分析仪的无源互调异常点快速定位方法，使用1台网络分析仪作为两路信号源以及接收机（频谱分析仪），两路测试信号分别进功放模块，经放大后通入测试装置进行合路形成2x43dBm的双音信号，加载于被测器件。反射PIM信号经过测试装置的滤波通道，滤波后PIM干扰进入网络分析仪进行测量，测量其幅度和相位。采用上述方案，可实现矢量网络分析仪对无源互调异常点的快速定位功能，增加了目前矢量网络分析仪的产品附加值，并且可以根据更高阶PIM产物对异常器件进行定位，对于只有高阶PIM产物落入接收带形成干扰的系统，如某信号卫星通信系统，有更好的适应性。

Description

基于矢量网络分析仪的无源互调异常点快速定位方法

技术领域

本发明属于无源互调异常点快速定位技术领域，尤其涉及的是一种基于矢量网络分析仪的无源互调异常点快速定位方法。

背景技术

在现代通信系统应用中，随着接收机灵敏度越来越高、发射功率越来越大，对无源器件的线性特性要求也越来越高，形成无源互调(PIM)产物对系统的干扰便更加突出。而目前系统级的PIM检测与排查的主要方法是敲击法和分段排除法，即费时又费力。而主流的PIM测试仪厂商正在研发PIM测试仪的异常器部件的定位功能，虽然实现方法各异，但主要思想均是：一、仪器扫频测量PIM产物；二、记录PIM幅度与相位信息获得等效的PIM响应频谱；三、通过一定的变换方法将其测试结果转为时间域的PIM响应；四、再通过电长度比例变换转为物理长度进行定位。

目前一些PIM测试仪器已经有了快速定位功能，但主要集中在便携式。有一种方法是在测量仪前端加入故障定位模块，其主要特点有：

一、包括参考接收模块、同步器模块、主接收模块、鉴相器模块和控制模块，硬件构成较为复杂；二、在仪器前端耦合PIM信号进行相位计算，并未使用PIM测试仪的滤波器。而大功率的双音信号也势必会耦合进接收模块，因此模块内置的滤波器性能对测量结果有较大影响。三、只能通过3阶PIM产物进行定位，对于一些只有更高阶PIM产物落入通道的系统，这种方法失去作用。

另一种实现方法是使用网络分析仪、信号源及测试装置组成的PIM测试系统，但这种系统暂未实现PIM异常点的快速定位。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于矢量网络分析仪的无源互调异常点快速定位方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于矢量网络分析仪的无源互调异常点快速定位方法，其中，包括以下步骤：

步骤1：VNA的第一信号源产生测试频率的单频信号的第一路信号及第二路信号，所述第一路信号通过功分或耦合进入倍频单元；所述第二路信号经过VNA端口输入到功放;

步骤2：VNA的第二信号源产生测试频率的单频信号的第三路信号及第四路信号，所述第三路信号通过功分或耦合进入倍频单元；所述第四路信号经过VNA端口输入到功放;

步骤3：所述第一路信号及所述第三路信号通过倍频单元后混频、滤波后形成PIM参考信号，由VNA的接收机接收；

步骤4：所述第二路信号及所述第四路信号进入功放，并经放大器放大后合路形成大功率双音信号，通过双工加载于被测件，被测件生成PIM干扰信号经过双工器由VNA的接收机接收；

步骤5：将PIM参考信号、PIM干扰信号分别与本振信号混频，产生PIM参考信号的中频信号及PIM干扰信号的中频信号分别进入VNA第一接收机和第二接机，经中频调理后再经A/D采样形成PIM参考信号的数字中频信号及PIM干扰信号的数字中频信号分别发送至数字电路；

步骤6：PIM参考信号的数字中频信号及PIM干扰信号的数字中频信号使用数字矢量接收技术接收，将余弦信号cos(2πft)和正弦信号sin(2πft)分别与PIM参考信号的数字中频信号及PIM干扰信号的数字中频信号相乘，通过低通滤波器滤掉高频分量，获得PIM参考信号的数字中频信号及PIM干扰信号的数字中频信号的相位以及幅度，设输入中频信号为Acos(2πft+θ)，恢复出幅度A和相位θ的公式一及公式二：

cos(2πft+θ)cos(2πft)=1/2(cos(4πft+θ)+cosθ)；

cos(2πft+θ)sin(2πft)=1/2(sin(4πft+θ)-sinθ)；

步骤7：利用PIM干扰信号的数字中频信号的幅度值A₁，通过系数补偿获得PIM干扰信号的幅度或功率，记录功率值，以dBm或dBc为单位，作为PIM测试的功率测试结果，同时计算和记录PIM参考信号的幅度和相位以及PIM干扰信号的相位；

步骤8：计算PIM参考信号和PIM干扰信号的相位差，并得到接收信号；令PIM干扰信号为D,PIM参考信号为R，接收信号数学表达式如下：

S11=D*|R|/R;；

步骤9：在仪器端面接入一标准的PIM干扰连接器，测试S11,其测试结果表示为PIM_标准，即令PIM_标准=S11，记录其相位信息用于校准；

步骤10：接入被测电缆网络，测试S11，其结果表达为S11_Temp，即S11_Temp=S11，利用步骤9记录的相位信息进行补偿，获得PIM干扰信号相对于PIM参考信号平面的频域测试结果，计算公式如下所示：

S11=（S11_Temp-PIM_标准）*|S11_Temp|/|S11_Temp-PIM_标准|；

步骤11：利用时--频转换技术将频域测试结果转换为时间域测试结果，其峰值对应的时间点为PIM异常器件相对于测试端口的电长度，即为无源互调异常点，设时域响应表示为TPIM，则：

TPIM=iFFT(S11)；

步骤12：设PIM干扰的时域响应的峰值对应的传播时延为τ，异常点距离端口电缆长度为L，在电缆中电磁波的传播速度为C，则异常点距离为：

L=τ*C。

所述的快速定位方法，其中，所述步骤1中及步骤2中的VNA的具有独立双源且最少有两路接收机通道；所述倍频单元为梳状方式器或滤波器。

所述的快速定位方法，其中，所述步骤1、步骤2及步骤5中的所述第一信号源、所述第二信号源及所述本振信号由同一频率参考模块产生。

所述的快速定位方法，其中，所述步骤3中的形成的PIM参考信号为3阶、5阶、7阶、9阶和11阶、13阶PIM参考信号。

采用上述方案，1、对于已有PIM定位功能的PIM测试仪，响应块，准确度有所提高。2、大大增大目前VNA的产品附加值。对于那些已经具有VNA或必须购买VNA的单位，在进行PIM系统测试时，不必购买额外的PIM测试仪，只需购买VNA选件即可。3、可以根据更高阶进行PIM产物对异常器件进行定位，对于只有高阶PIM产物落入接收带形成干扰的系统，如某信号卫星通信系统，有更好的适应性。

附图说明

图1为本发明PIM测试系统组成简图。

图2为本发明PIM测试系统工作原理图。

图3为本发明相位与幅度测量原理框图。

图4为本发明PIM快速定位校准时连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

网络分析组成的无源互调（PIM）测试系统一般原理为：使用1台网络分析仪作为一路信号源以及接收机（频谱分析仪），使用1台信号源作为另一路信号发射单元。两路测试信号分别进功放模块，经放大后通入测试装置进行合路形成2x43dBm的双音信号，加载于被测器件。反射PIM信号经过测试装置的滤波通道，滤波后PIM干扰进入网络分析仪进行测量，主要测量其幅度或功率。因此系统包括1台网络分析仪、1台信号源、2台功放、1套测试装置及附件，或者使用1台接收机、1台信号源和1台控制电脑代替网络分析仪组成测量系统，并不能实现PIM干扰异常点的快速定位功能。

具有独立双源的网络分析仪，可分别输出频率不等的单频信号经功放放大，后由测试装置合路形成2x(+43dBm)的双音信号。因此系统可简化为仅1台矢量网络分析15、2台功放13、14和测试装置12，测试装置12与被测件11与负载10其组成框图，如图1所示。

但此时系统并不具备计算PIM发生位置的定位能力，原因是此时矢量网络分析仪（VNA）端口4接收的PIM相位缺乏参考标准，并不能和PIM干扰传播时延相关。因此本发明研发了用于PIM产物快速定位的专用选件，包括功分器单元、倍频单元和一个钇铁柘榴石调谐滤波器（YTF）。

加入PIM产物快速定位选件后，网络分析仪及PIM测试系统的工作原理如图2所示。

工作时，信号源1产生测试频率的单频信号，一路经过VNA端口输入到功放，令1路通过功分（或耦合）进入倍频单元。信号源2亦通过功分（或耦合）分别进入功放及倍频单元。进入功放的两路信号进放大器放大后合路，通过双工加载于被测件，生成的PIM干扰经过双工器由VNA的接收机接收。VNA共有8个接收机，而根据图1的仪器连接方式，此时的PIM产物由接收机D进行接收，与模拟本振混频后生产中频信号进入VNA的放大、滤波等单元，最后经过A/D采样送入数字电路进行处理。

由两路信号源功分（或耦合）进入倍频单元的两路信号，输入混频器产生待测PIM干扰频率的信号作为参考信号。本设计给出了直通、二倍频、三倍频、四倍频和五倍频，根据待测PIM阶数可混频出3阶、5阶、7阶和9阶PIM干扰参考信号。如果特殊的设备，如卫星通信系统检测，需要测量更高的PIM阶数，本设备可以增加或改变倍频单元，以产生阶数更高的参考PIM信号。这里由于两路信号源独立可控，因此把基数阶倍频器放入一路，把偶数阶倍频放入另一路器。同时倍频模块可考虑用梳状方式器及滤波器实现，其基本原理一致。产生PIM参考信号由相同的本振L0混频，以相同的方式采样后输入数字信号处理模块，在图1的配置中为VNA的接收机B。值得一提的是这里的本振和两路信号源是根据由同一频率参考模块产生的。

从AD的采样信号中分别测量信号相对于同一数字中频的相位及幅度，其基本原理如图3所示。

设输入中频信号为Acos(2πft+θ)，恢复出幅度A和相位θ的公式为

cos(2πft+θ)cos(2πft)=1/2(cos(4πft+θ)+cosθ)    (1)

cos(2πft+θ)sin(2πft)=1/2(sin(4πft+θ)-sinθ)    (2)

通过余弦信号cos(2πft)和正弦信号sin(2πft)分别与中频信号混频即相乘，结果通过低通滤波器，滤掉其中的高频分量，即可得到所需的实部和虚部，再通过计算即可得到中频信号的相位信息以及幅度信息（相对于数字中频）。因为数字本振和模拟本振幅度已知，所以容易得到被测PIM产物的幅度和相对于本振的相位以及PIM参考信号的幅度和相对于本振的相位。设置：S11=D*|R|/R。    (3)

D为矢量网络分析仪平台测量的PIM产物，包括幅度和相位，而R是矢量网络分析仪平台测量的PIM参考信号的幅度和相位，计算关系为矢量运算，则S11可理解为PIM相对于“虚拟激励”的PIM参考信号的响应。此时系统仅完成一个频点的测试。由于独立双源的工作频率是可控制的，因此可设置信号源中的任意一路扫频，可以得到S11(ω)，描绘了PIM干扰的相对于“虚拟激励”的频率响应，即每个频点相对于参考PIM信号的幅度和相位变化。令TPIM表示PIM干扰信号相对于“虚拟激励”时域脉冲响应，则有：

TPIM=iFFT(S11)。    (4)

那么TPIM的波峰即为产生PIM干扰器件的电长度。

定位时，我们使用一个幅度相对平稳、较大的互调发生器件进行时域定位端面的校准，连接示意如图4所示。校准的基本原理可理解为测量互调发生器相对于参考PIM信号的时域距离，记录保存测量数据。测试时得到的时域分析结果为异常点位置相对参考PIM信号的时域距离，补偿（扣除）校准时所得结果，即可得到PIM异常点相对于校准端口的距离。而在实际校准计算中，这种补偿实际是通过相位计算的，即矢量操作完成校准。在仪器端面接入一较平稳的PIM干扰连接器，其测试结果表示为PIM_标准，记录其相位信息用于时域转换参考平面。被测电缆网络，获得PIM干扰相对于PIM参考信号的频域测试结果。利用步骤10的获得相位信息（仪器端口相对于PIM参考信号的相位）进行补偿，即可获得PIM干扰相对于PIM参考平面的频域矢量测试结果。

设测试电缆网络测试结果为S11_Temp,则校准后相对于测试端口的PIM响应可表示为：

S11=（S11_Temp-PIM_标准）*|S11_Temp|/|S11_Temp-PIM_标准|    (5)

此时虽然得到了被测网络中PIM干扰异常点相对于PIM干扰信号的电长度，但由于这个参考面实际上是虚拟出来的，难以转为物理长度。

此时若PIM产物的时域响应峰值对应的传播时延为τ，异常点距离端口电缆长度为L，在电缆中电磁波的传播速度为C，则：

L=τ*C。    (6)

实施例2

在上述实施例的基础上，对本发明进一步说明，本发明一种基于矢量网络分析仪的无源互调异常点快速定位方法，其中，包括以下步骤：

步骤1：VNA的第一信号源产生测试频率的单频信号的第一路信号及第二路信号，所述第一路信号通过功分或耦合进入倍频单元；所述第二路信号经过VNA端口输入到功放;

步骤2：VNA的第二信号源产生测试频率的单频信号的第三路信号及第四路信号，所述第三路信号通过功分或耦合进入倍频单元；所述第四路信号经过VNA端口输入到功放;

步骤3：所述第一路信号及所述第三路信号通过倍频单元后混频、滤波后形成PIM参考信号，由VNA的接收机接收；

步骤4：所述第二路信号及所述第四路信号进入功放，并经放大器放大后合路形成大功率双音信号，通过双工加载于被测件，被测件生成PIM干扰信号经过双工器由VNA的接收机接收；

步骤5：将PIM参考信号、PIM干扰信号分别与本振信号混频，产生PIM参考信号的中频信号及PIM干扰信号的中频信号分别进入VNA第一接收机和第二接机，经中频调理后再经A/D采样形成PIM参考信号的数字中频信号及PIM干扰信号的数字中频信号分别发送至数字电路；

步骤6：PIM参考信号的数字中频信号及PIM干扰信号的数字中频信号使用数字矢量接收技术接收，将余弦信号cos(2πft)和正弦信号sin(2πft)分别与PIM参考信号的数字中频信号及PIM干扰信号的数字中频信号相乘，通过低通滤波器滤掉高频分量，获得PIM参考信号的数字中频信号及PIM干扰信号的数字中频信号的相位以及幅度，设输入中频信号为Acos(2πft+θ)，恢复出幅度A和相位θ的公式一及公式二：

cos(2πft+θ)cos(2πft)=1/2(cos(4πft+θ)+cosθ)；

cos(2πft+θ)sin(2πft)=1/2(sin(4πft+θ)-sinθ)；

步骤7：利用PIM干扰信号的数字中频信号的幅度值A₁，通过系数补偿获得PIM干扰信号的幅度或功率，记录功率值，以dBm或dBc为单位，作为PIM测试的功率测试结果，同时计算和记录PIM参考信号的幅度和相位以及PIM干扰信号的相位；

步骤8：计算PIM参考信号和PIM干扰信号的相位差，并得到接收信号；令PIM干扰信号为D,PIM参考信号为R，接收信号数学表达式如下：

S11=D*|R|/R;；

步骤9：在仪器端面接入一标准的PIM干扰连接器，测试S11,其测试结果表示为PIM_标准，即令PIM_标准=S11，记录其相位信息用于校准；

步骤10：接入被测电缆网络，测试S11，其结果表达为S11_Temp，即S11_Temp=S11，利用步骤9记录的相位信息进行补偿，获得PIM干扰信号相对于PIM参考信号平面的频域测试结果，计算公式如下所示：

S11=（S11_Temp-PIM_标准）*|S11_Temp|/|S11_Temp-PIM_标准|；

步骤11：利用时--频转换技术将频域测试结果转换为时间域测试结果，其峰值对应的时间点为PIM异常器件相对于测试端口的电长度，即为无源互调异常点，设时域响应表示为TPIM，则：

TPIM=iFFT(S11)；

步骤12：设PIM干扰的时域响应的峰值对应的传播时延为τ，异常点距离端口电缆长度为L，在电缆中电磁波的传播速度为C，则异常点距离为：

L=τ*C。

所述的快速定位方法，其中，所述步骤1中及步骤2中的VNA的具有独立双源且最少有两路接收机通道；所述倍频单元为梳状方式器或滤波器。

所述的快速定位方法，其中，所述步骤1、步骤2及步骤5中的所述第一信号源、所述第二信号源及所述本振信号由同一频率参考模块产生。

所述的快速定位方法，其中，所述步骤3中的形成的PIM参考信号为3阶、5阶、7阶、9阶和11阶、13阶PIM参考信号。

采用上述方案，1、对于已有PIM定位功能的PIM测试仪，响应块，准确度有所提高。2、大大增大目前VNA的产品附加值。对于那些已经具有VNA或必须购买VNA的单位，在进行PIM系统测试时，不必购买额外的PIM测试仪，只需购买VNA选件即可。3、可以根据更高阶进行PIM产物对异常器件进行定位，对于只有高阶PIM产物落入接收带形成干扰的系统，如某信号卫星通信系统，有更好的适应性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于矢量网络分析仪的无源互调异常点快速定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：VNA的第一信号源产生测试频率的单频信号的第一路信号及第二路信号，所述第一路信号通过功分或耦合进入倍频单元；所述第二路信号经过VNA端口输入到功放;

步骤2：VNA的第二信号源产生测试频率的单频信号的第三路信号及第四路信号，所述第三路信号通过功分或耦合进入倍频单元；所述第四路信号经过VNA端口输入到功放;

步骤3：所述第一路信号及所述第三路信号通过倍频单元后混频、滤波后形成PIM参考信号，由VNA的接收机接收；

步骤4：所述第二路信号及所述第四路信号进入功放，并经放大器放大后合路形成大功率双音信号，通过双工加载于被测件，被测件生成PIM干扰信号经过双工器由VNA的接收机接收；

步骤5：将PIM参考信号、PIM干扰信号分别与本振信号混频，产生PIM参考信号的中频信号及PIM干扰信号的中频信号分别进入VNA第一接收机和第二接机，经中频调理后再经A/D采样形成PIM参考信号的数字中频信号及PIM干扰信号的数字中频信号分别发送至数字电路；

步骤6：PIM参考信号的数字中频信号及PIM干扰信号的数字中频信号使用数字矢量接收技术接收，将余弦信号cos(2πft)和正弦信号sin(2πft)分别与PIM参考信号的数字中频信号及PIM干扰信号的数字中频信号相乘，通过低通滤波器滤掉高频分量，获得PIM参考信号的数字中频信号及PIM干扰信号的数字中频信号的相位以及幅度，设输入中频信号为Acos(2πft+θ)，恢复出幅度A和相位θ的公式一及公式二：

cos(2πft+θ)cos(2πft)=1/2(cos(4πft+θ)+cosθ)；

cos(2πft+θ)sin(2πft)=1/2(sin(4πft+θ)-sinθ);

步骤7：利用PIM干扰信号的数字中频信号的幅度值A₁，通过系数补偿获得PIM干扰信号的幅度或功率，记录功率值，以dBm或dBc为单位，作为PIM测试的功率测试结果，同时计算和记录PIM参考信号的幅度和相位以及PIM干扰信号的相位；

步骤8：计算PIM参考信号和PIM干扰信号的相位差，并得到接收信号；令PIM干扰信号为D,PIM参考信号为R，接收信号数学表达式如下：

S11=D*|R|/R;；

步骤9：在仪器端面接入一标准的PIM干扰连接器，测试S11,其测试结果表示为PIM_标准，即令PIM_标准=S11，记录其相位信息用于校准；

步骤10：接入被测电缆网络，测试S11，其结果表达为S11_Temp，即S11_Temp=S11，利用步骤9记录的相位信息进行补偿，获得PIM干扰信号相对于PIM参考信号平面的频域测试结果，计算公式如下所示：

S11=（S11_Temp-PIM_标准）*|S11_Temp|/|S11_Temp-PIM_标准|；

步骤11：利用时--频转换技术将频域测试结果转换为时间域测试结果，其峰值对应的时间点为PIM异常器件相对于测试端口的电长度，即为无源互调异常点，设时域响应表示为TPIM，则：

TPIM=iFFT(S11)；

步骤12：设PIM干扰的时域响应的峰值对应的传播时延为τ，异常点距离端口电缆长度为L，在电缆中电磁波的传播速度为C，则异常点距离为：

L=τ*C。

2.如权利要求1所述的快速定位方法，其特征在于，所述步骤1中及步骤2中的VNA的具有独立双源且最少有两路接收机通道；所述倍频单元为梳状方式器或滤波器。

3.如权利要求1所述的快速定位方法，其特征在于，所述步骤1、步骤2及步骤5中的所述第一信号源、所述第二信号源及所述本振信号由同一频率参考模块产生。

4.如权利要求1所述的快速定位方法，其特征在于，所述步骤3中的形成的PIM参考信号为3阶、5阶、7阶、9阶和11阶、13阶PIM参考信号。

Images