无源互调(PIM)对于蜂窝网络运营商而言是一种有害且具有破坏性的现象。PIM表现为由两个或多个强射频(RF)信号混合产生的一组不需要的信号。混合通常会产生两个发射信号F1和F2的和频与差频。这些信号分别是F1+F2和F1–F2。发射信号的谐波也会产生和频与差频信号。低阶PIM更具破坏性,但高阶PIM覆盖的带宽更宽。其主要影响的是具有高灵敏度的接收器。干扰信号会提高噪声基底并阻挡所需信号。干扰信号还会降低接收器的灵敏度。
PIM(无源互调)表现为一种特定的频谱。三阶、五阶和七阶信号是由F1和F2谐波引起的。PIM带宽随着谐波的阶数提高而增加,信号之间的间隔为F1–F2。
PIM限制了LTE和5G等手机系统的服务质量(QoS)和容量。PIM会导致通话中断,以及上行链路和下行链路吞吐量降低,进而造成QoS下降。较低的QoS会对运营商的竞争力产生负面影响,并增加用户流失率。简而言之,PIM会带来高昂的成本。
每增加1分贝(dB)的PIM,吞吐量就会大约降低8%。
PIM可能由设计限制、组装差异和环境因素引起。PIM是天线、电缆、滤波器、松动或腐蚀的连接器,或附近的金属或锈迹等无源系统元件导致的信号退化效应的结果。这些效应使得来自多个大功率发射机的信号相互作用,产生非线性效应,干扰上行信号并严重降低吞吐量。PIM的其他名称包括“锈迹螺栓效应”和“二极管效应”。
尽管PIM通常被描述为两个载波频率的混合,但三个载波频率也可以产生三阶产物,五个载波频率可以产生五阶产物,以此类推。由于涉及额外的载波功率,多载波PIM产物更多且更强,从而加剧了PIM问题。随着塔站共享和天线共享变得越来越普遍,多载波PIM产物也越来越常见。
PIM多年来一直是移动网络的一个问题,但很难被发现。直到站点监控识别出具体的性能问题,它才可能被发现是一个问题。而且PIM很难解决;找到PIM问题的根本原因可能是一项具有挑战性的任务。
PIM产生的原因
PIM问题日益增多。随着天线共享方案的普及和频谱日益拥挤,不同载波之间的相互作用增加了产生PIM的可能性。此外,使用正交频分复用(OFDM)/码分多址(CDMA)等数字调制方案意味着系统的峰值功率也在增加,从而加剧了PIM的挑战。PIM可能源自多种因素,包括:
设计PIM——滤波器、环行器、双工器、开关等无源组件以及连接器、电缆和传输线都可能增加PIM。系统设计者可以在降低成本、减小尺寸或降低系统性能与提高PIM水平之间进行权衡。组件制造商通常会为某些设备指定PIM性能。
组装/老化PIM——即使系统在设计之初就经过妥善设计并在规定范围内运行,但随着时间的推移,组件老化并开始表现出非线性行为,性能也会下降。这种效应可能是由于经受恶劣天气或安装不规范造成的。连接器、电缆组件和波导组件尤其容易受到这种PIM的影响。
环境(锈迹螺栓)PIM——可能由外部环境因素引起。随着时间的推移,站点周围的环境可能会意外发生变化,因此这可能是一种特别棘手的PIM形式。它通常是由脏污或腐蚀的部件(如生锈的螺栓)引起的。天线或结构元件上的腐蚀材料可以充当一个或多个二极管。这种类型的PIM有时被称为“二极管效应”。信号离开传输天线后会产生PIM,PIM反射回接收器。随着时间的推移,锈迹会不断积累,新的金属元件可能会被添加到信号路径中,即使站点配备了设计精良且安装正确的设备,这种PIM也可能持续存在。
PIM标准和测试
IEC 62037适用于由两个或多个发射信号引起的无源射频和微波组件的互调(IM)电平测量的一般要求和测量方法。该标准规定使用两个+43 dBm(20W)的音调作为PIM测试的测试信号。IEC 62037涉及PIM的测量,但不涉及产品相对于其性能的长期可靠性。该标准包括六个部分:
对于频分双工(FDD)测试,连续波(CW)信号传输测试技术一直是PIM测量的主要方法。最近,低占空比(LDC)PIM测试被提出作为CW PIM测试的替代方案。LDC涉及在每个测量周期内大约传输5毫秒至10毫秒的两个高功率测试音调,这取决于每秒进行的测量次数,相当于TX发射时间的约3%。虽然LDC减少了传输时间,但传输的信号仍然是连续波信号。
PIM测试设置示例。PIM测试性能基本上取决于功率放大器的(热)稳定时间,而这反过来又会影响电平精度、稳定性和测试时间。
选择使用连续波(CW)测试还是低占空比(LDC)测试并不简单。两者都可用于测量PIM;在选择测试程序时需要考虑的因素包括:
无论PIM分析仪采用何种测量技术,无论是连续波还是低占空比,唯一可用于独立验证PIM分析仪测量准确性的可追溯设备是PIM标准。当受到两个43 dBm(20 W)的测试音调激励时,PIM标准会产生一个已知的PIM电平(通常为-80 dBm)。PIM标准为比较测试提供了±3 dB的指定精度。
PIM标准是产生一定预设水平的互调产物的适配器。它们用于验证互调测试台,并用于即时和/或长期电平稳定性监测。如果测试仪器显示的互调值与互调标准的指定值有偏差,则表明存在一般测量不确定性,需要予以解决。
带有公母连接器的PIM标准设计,使其可以插入到任何布线网络中。在验证PIM分析仪时,该标准通过一个低PIM负载终止,并直接连接到输出连接器。
线路扫描与PIM测试
线路扫描测试和PIM测试是衡量蜂窝基站提供服务和实现最佳性能能力的重要指标。线路扫描测量传输系统的信号损耗和反射。PIM测试是衡量设计和施工质量以及自干扰潜力的指标。
除非伴随着全面的线路扫描测试,否则PIM测试性能测试结果并不相关。在微波性能不佳的传输系统上进行的PIM测试并不一定是传输系统性能的有用指标。
良好的PIM性能要求系统损耗低且回波损耗好。如果在线路扫描测试之前进行PIM测试,操作人员可能无法获得关于传输线特性的必要详细信息。PIM测试信号会因高插入损耗而衰减,从而阻止干扰能量到达需要测试的组件。而且,回波损耗差会导致部分PIM测试信号反射回测试装置,造成一些信号抵消,从而报告假阳性结果。
在进行PIM测试之前进行线路扫描测试,可以确保插入损耗和回波损耗参数处于可接受的水平。这反过来又确保了PIM测试能够准确指示PIM性能。
总结
PIM是由天线、电缆、滤波器、松动或腐蚀的连接器或附近的金属或锈迹等无源系统元件的信号退化效应引起的,导致来自多个大功率发射机的信号相互作用,产生干扰上行信号的非线性效应,并严重降低吞吐量。PIM可能来自多种来源,包括设计问题、蜂窝基站组装不良、组件老化以及环境问题。它可能导致通话中断和上下行吞吐量降低,进而降低服务质量(QoS)。已经开发了各种方法来测试PIM并减轻其影响。
文章转自射频攻城狮公众号
|