CN111614371A - 一种无源互调电路干扰抑制设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无源互调电路干扰抑制设计方法，属于电路设计技术领域。该方法首先将N型射频同轴连接器作为产生无源互调的非线性源，建立非线性等效电路模型；然后对电路系统进行谐波平衡仿真，得到连接器在所需频段和所需功率下的三阶、五阶谐波功率值；接着将不同频率、不同功率的有源补偿信号与有用信号一起传递到等效的非线性电路中，仿真反射信号与传输信号中的频谱分布，得到基于有源补偿信号的系统互调干扰抑制结果；此外，设计无源非线性结构和互调反馈网络，在不引入额外功率的情况下，观察正向、反向互调信号的变化；最后，选择抑制效果最佳的方案。本发明简单易行，能够选择经济效益更高的方案实现低互调系统。

Description

一种无源互调电路干扰抑制设计方法
技术领域
本发明属于电路设计技术领域，特别是指一种无源互调电路干扰抑制设计方法。
背景技术
在高功率收发器中，无源互调(PIM)失真通常被认为是一种负面的干扰效应，尤其是在收发复用的设备应用中。虽然互调产物(IM)功率远低于发射信号的功率，但它相当于接收信号的功率，这将影响接收机的灵敏度。特别是在接触不良、磁性材料使用不当、金属镀层质量不佳等情况下，无源互调现象十分严重，对通信信号产生强烈干扰。另外,许多连接器的使用环境为野外,温度湿度交替变化、风雨雷电振动的影响、灰尘和腐蚀性气体相互作用,这些都使得连接器因环境因素的综合作用而失效，进一步带来更加严重的无源互调问题。而产生无源互调的根本原因就是连接器的非线性效应所引起的。因此，连接器的无源互调问题的分析是目前通信领域密切关注并亟待解决的问题，对于射频通信系统中同轴连接器非线性效应的研究更是具有十分重要的应用前景和实用价值。
为了减少PIM干扰，在无源器件的表面精加工中引入贵金属材料和高质量的加工技术。这些低PIM设计的组件减少了PIM干扰，但是它需要更高的材料和劳动力成本。目前，对射频同轴连接器的非线性效应的研究工作主要停留在定性的分析，基本上得出了避免使用磁性材料，适当增加接触压力、维持洁净的接触界面以及对连接器的使用防护等结论，但是对于设计低互调连接器的原理和方法的理论性研究还较为罕见，也缺少针对性的实验测量数据的支撑。
发明内容
针对上述现有技术中存在的系统无源互调干扰抑制方法的片面性与局限性问题，本发明提供了一种无源互调电路干扰抑制设计方法，该方法简单易行，可对系统中确定的非线性源进行干扰抑制，从而有效地、快速地采用经济效益更高的方案实现低互调系统。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种无源互调电路干扰抑制设计方法，包括以下步骤：
(1)利用无源互调测试平台，采用双音测试方法，在通信频段900MHz的情况下，将双音信号的输入功率同时从30dBm步进式调整到46dBm，对N型射频同轴连接器进行三阶互调产物的测量，得出不同输入功率的三阶互调产物功率；所述双音信号的频率分别为f1和f2；
(2)通过三阶互调产物功率与输入功率的非线性拟合，得到以N型射频同轴连接器作为无源互调源的非线性等效电路模块的多项式表达式，并根据该多项式表达式，采用谐波平衡仿真方法建立第一仿真电路；
(3)对第一仿真电路进行仿真测试，得到在900MHz频段下，输入功率为43dBm时，第一仿真电路的正向和反向信号的频谱分布，记录三阶互调项功率P0，作为后续引入干扰抑制的特征对照；
(4)引入频率为2f1-f2的第一有源补偿信号，将第一有源补偿信号与有用信号叠加后，一同从第一仿真电路的输入端输入；调节第一有源补偿信号的功率和相位，观测电路系统正向、反向三阶互调产物的功率变化曲线，找到三阶曲线变化奇点，该点下的补偿信号功率和相位即为第一有源补偿信号的最佳补偿功率和相位，将此时的三阶功率最低点与P0比较，其差值代表引入第一有源补偿信号的抑制能力；
(5)引入频率为f2-f1的第二有源补偿信号，将第二有源补偿信号与有用信号叠加后一同从仿真电路的输入端输入；调节第二有源补偿信号的功率和相位，观测正向、反向三阶互调产物的功率变化曲线，找到三阶曲线变化奇点，该点下的补偿信号功率和相位即为第二有源补偿信号的最佳补偿功率和相位，将此时的三阶功率最低点与P0比较，其差值代表引入第二有源补偿信号的抑制能力；
(6)在第一仿真电路的输出端引入与原始非线性等效电路模块相同的非线性结构，得到第二仿真电路；对引入的非线性结构中的信号进行相位调节，使引入的非线性结构产生的第二互调信号与原始非线性等效电路模块产生的第一互调信号进行相位的反向抵消，记录第一、第二互调信号的相位差为180°时，第二仿真电路的反向三阶互调项的功率，将此时的三阶功率与P0比较，其差值代表第二仿真电路的抑制能力；
(7)将第一仿真电路输出端的三阶互调信号反馈至其输入端，得到第三仿真电路；调节反馈信号的相位，观察三阶信号功率变化曲线，找到使第三仿真电路三阶互调项的功率取最小值的相位移动角度，此相位即是第三仿真电路的最佳相移角度，将此时的三阶功率与P0比较，其差值代表第三仿真电路的抑制能力；
(8)对比步骤(4)～(7)中各方案的抑制能力，选择抑制能力最佳的电路设计方案作为低互调系统的干扰抑制方法。
进一步的，所述无源互调测试平台包括互调分析仪、转接头以及负载，且互调分析仪、转接头、负载的互调值均在-163dBc以下。
进一步的，所述步骤(1)中，在测试之前，先用-110dBm的标准件对所述互调分析仪进行校准。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明基于理论建模和电路仿真等综合分析方法，建立有源信号补偿和无源电路设计下的系统无源互调干扰抑制方法，减少了对使用的所有器件都必须低互调设计要求的开发成本，为设计低互调系统提供了重要支撑。
2、本发明方法基于信号的角度，在不引入额外功率的情况下对系统中确定的非线性源进行干扰抑制，从而可以有效、快速地采用经济效益更高的方案实现低互调系统，能够减少抑制成本，使系统的互调指标达到可接受的范围。
3、本发明采用了两种有源信号补偿方案和两种无源电路设计方案，并对各方案下系统的互调干扰情况进行了建模仿真，从而能够选择出具有最佳抑制效果的设计方案。
附图说明
图1是本发明实施例中干扰抑制设计方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，一种无源互调电路干扰抑制设计方法，包括以下步骤：
(1)利用无源互调测试平台，采用双音测试方法，在通信频段900MHz的情况下，将双音信号的输入功率同时从30dBm步进式调整到46dBm，对N型射频同轴连接器进行三阶互调产物的测量，得出不同输入功率的三阶互调产物功率；所述双音信号的频率分别为f1和f2；
(2)通过三阶互调产物功率与输入功率的非线性拟合，得到以N型射频同轴连接器作为无源互调源的非线性等效电路模块的多项式表达式，并根据该多项式表达式，采用谐波平衡仿真方法建立第一仿真电路；
(3)对第一仿真电路进行仿真测试，得到在900MHz频段下，输入功率为43dBm时，第一仿真电路的正向和反向信号的频谱分布，记录三阶互调项功率P0，作为后续引入干扰抑制的特征对照；
(4)引入频率为2f1-f2的第一有源补偿信号，将第一有源补偿信号与有用信号叠加后，一同从第一仿真电路的输入端输入；调节第一有源补偿信号的功率和相位，观测电路系统正向、反向三阶互调产物的功率变化曲线，找到三阶曲线变化奇点，该点下的补偿信号功率和相位即为第一有源补偿信号的最佳补偿功率和相位，将此时的三阶功率最低点与P0比较，其差值代表引入第一有源补偿信号的抑制能力；
(5)引入频率为f2-f1的第二有源补偿信号，将第二有源补偿信号与有用信号叠加后一同从仿真电路的输入端输入；调节第二有源补偿信号的功率和相位，观测正向、反向三阶互调产物的功率变化曲线，找到三阶曲线变化奇点，该点下的补偿信号功率和相位即为第二有源补偿信号的最佳补偿功率和相位，将此时的三阶功率最低点与P0比较，其差值代表引入第二有源补偿信号的抑制能力；
(6)在第一仿真电路的输出端引入与原始非线性等效电路模块相同的非线性结构，得到第二仿真电路；对引入的非线性结构中的信号进行相位调节，使引入的非线性结构产生的第二互调信号与原始非线性等效电路模块产生的第一互调信号进行相位的反向抵消，记录第一、第二互调信号的相位差为180°时，第二仿真电路的反向三阶互调项的功率，将此时的三阶功率与P0比较，其差值代表第二仿真电路的抑制能力；
(7)将第一仿真电路输出端的三阶互调信号反馈至其输入端，得到第三仿真电路；调节反馈信号的相位，观察三阶信号功率变化曲线，找到使第三仿真电路三阶互调项的功率取最小值的相位移动角度，此相位即是第三仿真电路的最佳相移角度，将此时的三阶功率与P0比较，其差值代表第三仿真电路的抑制能力；
(8)对比步骤(4)～(7)中各方案的抑制能力，选择抑制能力最佳的电路设计方案作为低互调系统的干扰抑制方法。
下面为一个更具体的实施例。该实施例以N型射频同轴连接器作为非线性互调源，可选干扰抑制方法包括有源补偿信号和无源电路设计两类。整个过程如下：
第一步，采用无源互调分析仪对N型连接器进行多功率下的互调测试，从而建立N型连接器的非线性模型。
具体来说，在通信频段900MHz的情况下，两输入功率同时从30dBm步进改变到46dBm，从而得出不同输入功率的三阶互调产物功率。为了简化非线性数学模型的计算过程，其电流i与电压v的关系可定义为
i＝a1v+a3v3+a5v5
其中，a1被定义为接触电阻的倒数，经测量，对于N型连接器，a1＝500。通过进行的一系列三阶互调产物测试，可以将上述的a3和a5计算出。
Figure BDA0002507219840000051
其中，PIM3(1)和PIM3(2)是两个被测的IM3功率，Pin1和Pin2是输入的两个不同的信号。
第二步，通过确定各待定系数，可以将上述电流-电压方程输入电路仿真软件ADS的公式定义二端口模块，仿真该非线性模型。利用电路仿真软件ADS中的谐波平衡仿真分析方法，将所建立的等效电路模型进行仿真研究。通常无源器件的测试标准为43dBm的双音测试情况下，观察三阶互调产物的功率输出。按照国际标准IEC-62037规定的对射频连接器无源互调测试的规定，设置信号频率在900MHz频段，得到在正向、反向信号频谱分布，对未进行干扰抑制的原始电路系统进行非线性特征提取，同时也作为后续引入干扰抑制方案的特征对照。
当输入两个43dBm的信号时，原始系统的IM3功率值在-80.2dBm。
第三步，通过有源信号补偿的方式，对系统的互调干扰进行抑制。引入2f1-f2有源补偿信号后，通过两种不同的耦合器接法，会对前向和反向互调有不同的影响，当正向接入耦合器时，反射三阶互调产物功率可表达为：
Figure BDA0002507219840000061
其中,
Figure BDA0002507219840000062
表示反向三阶互调信号电压,ωIM3表示反向三阶信号频率,V表示单独一个互调源产生的三阶互调信号电压。当移相器角度
Figure BDA0002507219840000063
等于270°时，会极大降低干扰信号幅值。若反向接耦合器，其正向三阶互调产物功率可表达为：
Figure BDA0002507219840000064
其中,
Figure BDA0002507219840000065
表示前向三阶互调信号电压,ωIM3表示前向三阶信号频率。当移相器角度
Figure BDA0002507219840000066
等于90°时，会极大降低干扰信号幅值。该方法适用于在较低输入功率情况下，单向改变互调产物的功率，不能同时对前向和反向的互调干扰进行抑制。
引入f2-f1有源补偿信号后,通过功分器的反向连接，反向的三阶互调产物功率幅值表达为：
Figure BDA0002507219840000067
其中vpim3表示前向和反向的互调信号电压幅值。令补偿信号幅值Vx等于有用信号Vin，相移角度
Figure BDA0002507219840000068
能够极大地降低反射互调产物的功率。该方法消耗较大的功率，但是可以同时对前向和反向的互调产物进行干扰抑制。
第四步，通过有无源电路设计的方式，对系统的互调干扰进行抑制。引入了可调的互调源后，系统的互调信号幅值为：
Figure BDA0002507219840000069
其中，
Figure BDA00025072198400000610
表示反向互调信号电压幅值，VPIM表示原始互调信号幅值。当相移角度
Figure BDA00025072198400000611
(n属于整数)时的系统互调幅值最低。该方法能够对反射互调进行抑制，优点是不消耗额外的功率。
引入反馈网络后的系统互调信号幅值表示为：
Figure BDA0002507219840000071
其中，
Figure BDA0002507219840000072
表示前向互调信号幅值，根据传输线理论，电长度引起的相位差θIM3为：
Figure BDA0002507219840000073
其中，c0是电磁波在真空中的传播速度，L是非线性器件的物理长度。
当反馈信号的相移角度
Figure BDA0002507219840000074
等于-θIM3时，互调干扰信号被抑制。该方法能够对传输互调进行干扰抑制，同样也不用消耗额外的功率。
第五步，选择抑制能力最佳的电路设计方案作为低互调系统的干扰抑制方法。
总之，本发明首先将N型射频同轴连接器作为产生无源互调的非线性源，通过对射频连接器的双音测试，提取非线性模型系数，建立N型连接器的非线性等效电路模型；然后对所建立的非线性源的电路系统进行谐波平衡仿真，得到连接器在所需频段和所需功率下的三阶、五阶谐波功率值，从而实现对系统未进行干扰抑制前的互调性能仿真；接着将不同频率、不同功率的有源补偿信号与有用信号一起传递到等效的非线性电路中，仿真反射信号与传输信号中的频谱分布，得到基于有源补偿信号的系统互调干扰抑制结果；此外，设计无源非线性结构和互调反馈网络，在不引入额外功率的情况下，观察正向、反向互调信号的变化；最后，选择抑制效果最佳的方案。本发明方法简单易行，可对系统中确定的非线性源进行干扰抑制，能够选择经济效益更高的方案实现低互调系统。

Claims (3)

1.一种无源互调电路干扰抑制设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）利用无源互调测试平台，采用双音测试方法，在通信频段900MHz的情况下，将双音信号的输入功率同时从30dBm步进式调整到46dBm，对N型射频同轴连接器进行三阶互调产物的测量，得出不同输入功率的三阶互调产物功率；所述双音信号的频率分别为f 1和f 2；
（2）通过三阶互调产物功率与输入功率的非线性拟合，得到以N型射频同轴连接器作为无源互调源的非线性等效电路模块的多项式表达式，并根据该多项式表达式，采用谐波平衡仿真方法建立第一仿真电路；
（3）对第一仿真电路进行仿真测试，得到在900 MHz频段下，输入功率为43dBm时，第一仿真电路的正向和反向信号的频谱分布，记录三阶互调项功率P 0 ，作为后续引入干扰抑制的特征对照；
（4）引入频率为2f 1 -f 2的第一有源补偿信号，将第一有源补偿信号与有用信号叠加后，一同从第一仿真电路的输入端输入；调节第一有源补偿信号的功率和相位，观测电路系统正向、反向三阶互调产物的功率变化曲线，找到三阶曲线变化奇点，该点下的补偿信号功率和相位即为第一有源补偿信号的最佳补偿功率和相位，将此时的三阶功率最低点与P 0 比较，其差值代表引入第一有源补偿信号的抑制能力；
（5）引入频率为f 2- f 1的第二有源补偿信号，将第二有源补偿信号与有用信号叠加后一同从仿真电路的输入端输入；调节第二有源补偿信号的功率和相位，观测正向、反向三阶互调产物的功率变化曲线，找到三阶曲线变化奇点，该点下的补偿信号功率和相位即为第二有源补偿信号的最佳补偿功率和相位，将此时的三阶功率最低点与P 0 比较，其差值代表引入第二有源补偿信号的抑制能力；
（6）在第一仿真电路的输出端引入与原始非线性等效电路模块相同的非线性结构，得到第二仿真电路；对引入的非线性结构中的信号进行相位调节，使引入的非线性结构产生的第二互调信号与原始非线性等效电路模块产生的第一互调信号进行相位的反向抵消，记录第一、第二互调信号的相位差为180°时，第二仿真电路的反向三阶互调项的功率，将此时的三阶功率与P 0 比较，其差值代表第二仿真电路的抑制能力；
（7）将第一仿真电路输出端的三阶互调信号反馈至其输入端，得到第三仿真电路；调节反馈信号的相位，观察三阶信号功率变化曲线，找到使第三仿真电路三阶互调项的功率取最小值的相位移动角度，此相位即是第三仿真电路的最佳相移角度，将此时的三阶功率与P 0 比较，其差值代表第三仿真电路的抑制能力；
（8）对比步骤（4）～（7）中各方案的抑制能力，选择抑制能力最佳的电路设计方案作为低互调系统的干扰抑制方法。
2.根据权利要求1所述的一种无源互调电路干扰抑制设计方法，其特征在于，所述无源互调测试平台包括互调分析仪、转接头以及负载，且互调分析仪、转接头、负载的互调值均在-163dBc以下。
3.根据权利要求2所述的一种无源互调电路干扰抑制设计方法，其特征在于，所述步骤（1）中，在测试之前，先用-110dBm的标准件对所述互调分析仪进行校准。
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