pim 基站中的无源交调效应：了解挑战和解决方案

简介

众所周知，有源器件会在系统中产生非线性效应。已经开发了许多技术来提高这种设备在设计和操作阶段的性能。很容易忽略无源器件也可能引入非线性效应；虽然有时相对较小，但如果不加以校正，这些非线性效应可能会严重影响系统性能。

PIM代表“无源互调”。它表示两个或更多信号通过具有非线性特性的无源器件传输时产生的互调产物。一般机械连接部件的相互作用会产生非线性效应，特别是在两种不同金属的连接处。例子包括:电缆连接松动、连接器不干净、双工器不良或天线老化。

无源互调是蜂窝通信行业的一个主要问题，很难解决。在蜂窝通信系统中，无源互调可能会造成干扰，降低接收机灵敏度，甚至完全阻塞通信。这种干扰可能会影响产生它的小区和附近的其他接收机。例如，在LTE频段2中，下行范围为1930 MHz ~ 1990 MHz，上行范围为1850 MHz ~ 1910 MHz。如果有两个1940 MHz和1980 MHz的发射载波用PIM从基站系统发射信号，它们的互调会在1900 MHz产生一个分量，这个分量落入接收频段，对接收机产生影响。此外，2020 MHz的互调可能会影响其他系统。

图1。无源互调，属于接收机频带

随着频谱越来越拥挤，天线共用方案越来越普遍，不同载波互调导致PIM的可能性也越来越大。通过频率规划来避免无源互调的传统方法变得越来越不可行。除了上述挑战之外，采用码分多址/正交频分复用等新的数字调制方案意味着通信系统的峰值功率也在增加，这使得PIM问题更加严重。

PIM对于服务提供商和设备供应商来说是一个严重的问题。尽可能地检测和解决这个问题可以提高系统的可靠性，降低运行成本。本文试图对无源互调的来源、原因以及检测和解决技术进行评述。

PIM分类

根据初步调查，PIM有三种不同的类型，每种类型都有不同的特点，需要不同的解决方案。我们选择按照以下类型来分类:设计介绍PIM，组装PIM，生锈PIM。

将PIM引入设计

我们知道有些无源器件会和传输线一起产生无源互调。因此，在设计系统时，开发团队应该根据设备制造商给出的规格选择具有最小PIM或可接受水平的无源元件。环行器、双工器和开关特别容易出现PIM效应。如果设计人员可以接受更高水平的无源互调，他们可以选择成本更低、尺寸更小或性能更低的器件。

图2。器件设计权衡:尺寸、功耗、抑制和无源互调性能

如果设计者真的选择了低性能的器件，相应的高电平互调可能会回落到接收机频段，导致接收机脱敏。必须注意的是，在这种情况下，较差的频谱辐射或功率效率损失可能不如由PIM引起的接收器脱敏有趣。这个问题在小型蜂窝电台的设计中尤为重要。ADI公司目前正在开发能够从接收信号中检测、模拟、消除静态无源元件无源互调的技术。

图3。无源互调生成和无源互调消除算法

该算法是有效的，因为它知道载波信息，并可以使用接收机相关性来确定互调伪像，然后从接收信号中消除它们。

当相关性不再能用于确定互调伪像时，这种算法的局限性开始显现。图4显示了一个例子。在这个例子中，两个不同的发射机共用一个天线。如果假设每条路径的基带处理彼此独立，则该算法不可能知道这两个信息，因此它在接收机处可以执行的相关和消除处理将是有限的。

图4。多个信号源共用一根天线

结合PIM挑战的复杂性，

站点接入和成本给服务提供商带来挑战，我们开始发现越来越多这样的情况:不同的发射机共用一个宽带天线。它的架构可以是各种频段和格式的混合:TDD+FDD；；TDD:F+A+D，FDD: B3等。图5显示了这种配置的概述。在本例中，客户试图实现一个复杂但现实的配置。一个支路是TDD双频，另一个支路是FDD单频，采用双工器。信号汇聚，共用一根天线。Tx1和Tx2信号之间的无源互调发生在从合成器、传输线到天线以及天线本身的路径中。由此产生的互调伪像回落到FDD接收机频带Rx2。

图5。频分双工/时分双工单天线实现方案

图6示出了双频系统的实际分析。注意，在这个例子中，我们需要考虑三阶以上的无源调制伪像。在这种情况下，重点是从一个频带回到另一个接收机频带的互调伪像。

图6。多频PIM问题组装PIM

第二个PIM叫组装PIM。虽然系统在安装后可以令人满意地工作，但由于恶劣的天气或初始安装质量，一段时间后其性能往往会下降。发生这种情况时，信号路径中的无源元件通常开始表现出非线性行为。事实上，一些主要的无源互调现象是由连接器、连接甚至天线本身的馈线引起的。影响可能类似于上面讨论的设计中引入的PIM，所以可以使用相同的PIM测量理论，专门用来发现无源互调产物的存在。

导致动力传动系接口模块装配的典型因素有:

连接器的适配器接口

电缆附件

材料

清洁度

电缆因素

机械强度

电热感应PIM。

温度变化大的环境，空含盐气体/污染或振动过大往往会加剧PIM问题。虽然可以使用与设计中引入的相同的PIM测量技术，但可以认为装配PIM的存在表明系统的性能和可靠性降低。如果不解决，导致PIM的缺陷因素可能会变得更糟，直到整个传输路径出现故障。使用PIM取消方法进行组装PIM更像是掩盖问题而不是解决问题。

可想而知，在这种情况下，用户可能并不想抵消PIM，而是想知道PIM的存在，以消除根本原因。因此，需要确定PIM是从系统哪里引入的，然后修复或更换特定的组件。

我们可以认为设计中引入的PIM是可以量化的，是稳定的，但是上面提到的组装PIM是不稳定的。它可能存在于非常狭窄的条件范围内，其振幅变化可能超过100分贝。这种情况可能无法通过一次离线扫描获得；理想情况下，输电线路诊断需要与PIM事件相协调。

天线外部无源互调

PIM不限于有线传输路径，也可能发生在天线之外。这种效应也被称为“锈皮姆”。在这种情况下，无源互调发生在信号离开发射机天线之后，产生的互调被反射回接收机。“锈体”一词来源于这样一个事实，即在很多情况下，互调的来源可能是生锈的金属物体，如铁丝网、仓库或排水管。

金属物体会引起反射。然而，在这些情况下，金属物体不仅反射接收信号，而且产生和辐射互调伪像。互调的发生与有线信号路径中的相同，即发生在两种不同金属或不同材料的接合处。电磁波产生的表面电流被混合并重新辐射。再辐射信号的幅度通常很低。但是，如果辐射物体靠近基站接收机，并且互调产物落在接收机频带内，则接收机将被减敏。

图7。天线外的无源互调或生锈

在某些情况下，PIM源可以通过天线定位来检测:在改变天线位置的同时，可以监控PIM水平。此外，时间延迟估计也可以用于定位无源互调源。如果PIM水平稳定，可以通过标准算法抵消技术对PIM进行补偿。但更多时候，PIM贡献受到振动、风和机械运动的影响，很难抵消。

无源互调检测:定位无源互调源线扫描

可以实现多种行扫描技术。线扫描测量传输系统在目标频段的信号损耗和反射。我们不能认为行扫描总是准确地指出PIM的可能原因。线路扫描更像是一种诊断工具，可以帮助识别输电线路上的问题。早期组装问题可能会出现为PIM；如果不解决，这些组装问题可能会升级，导致更严重的输电线路故障。线扫描通常分为两种基本测试:回波损耗和插入损耗。两者与频率的关系都很大，在规定的频段内可能变化很大。回波损耗衡量天线系统的功率传输效率。务必将反射回发射器的功率降至最低。任何入射功率都可能使发射信号失真。如果反射功率足够大，甚至可能损坏发射机。20 dB的回波损耗值意味着1%的发射信号被反射回发射机，99%到达天线——这通常被认为是相当好的性能。10 dB的回波损耗意味着10%的信号被反射，说明性能不理想。如果回波损耗测量值为0 dB，则100%的功率被反射，这很可能是开路或短路造成的。

时域反射

先进的TDR技术可用于提供最佳系统的参考图，并确定传输路径上开始出现损耗的确切位置。通过这项技术，运营商可以定位PIM源，并以有针对性和高效的方式进行修复。输电线路映射还可以提醒运营商一些早期的故障迹象，以防止它们严重影响性能。时域发射法测量信号通过传输线的反射。TDR仪器通过介质传递一个脉冲，然后将未知传输环境产生的反射与标准阻抗产生的反射进行比较。图8示出了简化的TDR测量设置框图。

图8。TDR设置框图

图9示出了TDR传输线映射的例子。

图9。时域反射传输线映射频域反射

虽然TDR和FDR的工作原理是沿传输线发送激励信号并分析反射，但这两种技术的实现方法却有很大的不同。FDR技术使用射频信号扫描代替TDR使用的DC脉冲。此外，FDR比TDR敏感得多，可以更准确地定位系统性能的故障或退化。频域反射法的原理涉及源信号和反射信号的矢量相加。TDR使用非常短的DC脉冲作为激励信号，可以覆盖非常宽的带宽，而FDR扫描射频信号实际上运行在特定的目标频率。

图10。FDR原理，扫描频率回波损耗与距离PIM定位的关系

必须注意，虽然线扫描可以指示阻抗失配，从而指示传输线PIM源，但是PIM和传输线阻抗失配可以互斥。当线路扫描结果未显示任何传输线路问题时，可能会出现无源互调非线性。因此，为了给用户提供解决方案，不仅需要指出PIM的存在，还需要准确识别问题发生在输电线路的哪里，因此需要采用更复杂的实现。

集成无源互调线路测试的工作模式与设计中介绍的引入无源互调抵消的工作模式相似，但不同之处在于算法对互调产物的时延估计进行了不同的检查。应该注意的是，在这些情况下，优先考虑的不是消除PIM伪像，而是定位传输线上互调发生的位置。这个概念也被称为“PIM定位”。例如，在双音测试中，

信号音1:

信号音2:

W1和w2是频率；θ1和θ2是初始相位；T0是初始时间。

IMD将是:

许多现有的解决方案要求用户中断传输路径并插入一个PIM标准设备。使用无源互调标准设备可以在传输路径的特定位置/距离向用户提供具有已知相位的参考IMD。图11显示了一般情况。IMD相位θ32用作参考位置0。

图11。PIM定位

一旦初始校准完成，系统被重构，并且系统的PIM被测量，如图11所示。θ32和θ'32之间的相位差可用于计算到PIM的距离。

其中d是到PIM的距离，s是波的传播速度。

组装和生锈PIM可能是一个缓慢的渐进过程；在安装后的初始阶段，基站可以高效工作，但一段时间后，这种PIM现象可能开始变得突出。振动或风等环境因素可能会影响动力调谐质量水平，因此动力调谐质量的性质和特征是动态和波动的。屏蔽或抵消PIM可能不仅困难，还可能被视为屏蔽更严重的问题，如果不解决，可能导致整体系统故障。在这种情况下，操作员将希望避免整个系统关闭的相关成本，并快速定位和更换导致PIM的设备。

PIM定位技术也为基站运营商提供了跟踪系统性能随时间退化的可能性，提前发现潜在问题。有了这些信息，可以在计划的维护过程中替换弱点，并且可以避免昂贵的系统停机时间和专门的维护工作。

标签

无源互调不是什么新鲜事。这种现象已经存在了很多年，也知道了一段时间。近年来，该行业的两个不同变化使它回到了人们的视野中:

首先，先进的算法现在可以智能地检测和定位PIM，并酌情进行补偿。过去，无线电设计人员必须选择能够满足特定PIM性能要求的设备，但借助PIM抵消算法，他们现在有了更大的选择自由。他们可以选择使用成本更低、尺寸更小的设备来实现更高的性能或达到相同的性能水平。抵消算法通过数字化辅助硬件组件。

其次，随着基站塔密度和多样性的爆炸性增长，我们面临着特殊系统设置带来的新挑战。算法抵消取决于对主传输信号的了解。在塔空的珍贵条件下，不同发射机可能共用一个天线，大大增加了PIM效应不好的可能性。在这种情况下，该算法可以知道发射机路径的某些部分的信息，并且可以有效地工作。然而，当传输路径的某些部分未知时，第一代高级PIM消除算法的性能或实现可能会受到限制。

随着基站设备领域挑战的不断增加，PIM检测和抵消算法有望在短期内为无线电设计人员带来可观的收益和优势，但开发工作需要跟上未来挑战的步伐。

——文章来源:射频百花滩

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