簡(jiǎn)介

眾所周知，有源器件會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生非線性效應(yīng)。已經(jīng)開發(fā)了許多技術(shù)來(lái)提高這種設(shè)備在設(shè)計(jì)和操作階段的性能。很容易忽略無(wú)源器件也可能引入非線性效應(yīng)；雖然有時(shí)相對(duì)較小，但如果不加以校正，這些非線性效應(yīng)可能會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。

PIM代表“無(wú)源互調(diào)”。它表示兩個(gè)或更多信號(hào)通過(guò)具有非線性特性的無(wú)源器件傳輸時(shí)產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物。一般機(jī)械連接部件的相互作用會(huì)產(chǎn)生非線性效應(yīng)，特別是在兩種不同金屬的連接處。例子包括:電纜連接松動(dòng)、連接器不干凈、雙工器不良或天線老化。

無(wú)源互調(diào)是蜂窩通信行業(yè)的一個(gè)主要問(wèn)題，很難解決。在蜂窩通信系統(tǒng)中，無(wú)源互調(diào)可能會(huì)造成干擾，降低接收機(jī)靈敏度，甚至完全阻塞通信。這種干擾可能會(huì)影響產(chǎn)生它的小區(qū)和附近的其他接收機(jī)。例如，在LTE頻段2中，下行范圍為1930 MHz ~ 1990 MHz，上行范圍為1850 MHz ~ 1910 MHz。如果有兩個(gè)1940 MHz和1980 MHz的發(fā)射載波用PIM從基站系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)，它們的互調(diào)會(huì)在1900 MHz產(chǎn)生一個(gè)分量，這個(gè)分量落入接收頻段，對(duì)接收機(jī)產(chǎn)生影響。此外，2020 MHz的互調(diào)可能會(huì)影響其他系統(tǒng)。

圖1。無(wú)源互調(diào)，屬于接收機(jī)頻帶

隨著頻譜越來(lái)越擁擠，天線共用方案越來(lái)越普遍，不同載波互調(diào)導(dǎo)致PIM的可能性也越來(lái)越大。通過(guò)頻率規(guī)劃來(lái)避免無(wú)源互調(diào)的傳統(tǒng)方法變得越來(lái)越不可行。除了上述挑戰(zhàn)之外，采用碼分多址/正交頻分復(fù)用等新的數(shù)字調(diào)制方案意味著通信系統(tǒng)的峰值功率也在增加，這使得PIM問(wèn)題更加嚴(yán)重。

PIM對(duì)于服務(wù)提供商和設(shè)備供應(yīng)商來(lái)說(shuō)是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。盡可能地檢測(cè)和解決這個(gè)問(wèn)題可以提高系統(tǒng)的可靠性，降低運(yùn)行成本。本文試圖對(duì)無(wú)源互調(diào)的來(lái)源、原因以及檢測(cè)和解決技術(shù)進(jìn)行評(píng)述。

PIM分類

根據(jù)初步調(diào)查，PIM有三種不同的類型，每種類型都有不同的特點(diǎn)，需要不同的解決方案。我們選擇按照以下類型來(lái)分類:設(shè)計(jì)介紹PIM，組裝PIM，生銹PIM。

將PIM引入設(shè)計(jì)

我們知道有些無(wú)源器件會(huì)和傳輸線一起產(chǎn)生無(wú)源互調(diào)。因此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，開發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該根據(jù)設(shè)備制造商給出的規(guī)格選擇具有最小PIM或可接受水平的無(wú)源元件。環(huán)行器、雙工器和開關(guān)特別容易出現(xiàn)PIM效應(yīng)。如果設(shè)計(jì)人員可以接受更高水平的無(wú)源互調(diào)，他們可以選擇成本更低、尺寸更小或性能更低的器件。

圖2。器件設(shè)計(jì)權(quán)衡:尺寸、功耗、抑制和無(wú)源互調(diào)性能

如果設(shè)計(jì)者真的選擇了低性能的器件，相應(yīng)的高電平互調(diào)可能會(huì)回落到接收機(jī)頻段，導(dǎo)致接收機(jī)脫敏。必須注意的是，在這種情況下，較差的頻譜輻射或功率效率損失可能不如由PIM引起的接收器脫敏有趣。這個(gè)問(wèn)題在小型蜂窩電臺(tái)的設(shè)計(jì)中尤為重要。ADI公司目前正在開發(fā)能夠從接收信號(hào)中檢測(cè)、模擬、消除靜態(tài)無(wú)源元件無(wú)源互調(diào)的技術(shù)。

圖3。無(wú)源互調(diào)生成和無(wú)源互調(diào)消除算法

該算法是有效的，因?yàn)樗垒d波信息，并可以使用接收機(jī)相關(guān)性來(lái)確定互調(diào)偽像，然后從接收信號(hào)中消除它們。

當(dāng)相關(guān)性不再能用于確定互調(diào)偽像時(shí)，這種算法的局限性開始顯現(xiàn)。圖4顯示了一個(gè)例子。在這個(gè)例子中，兩個(gè)不同的發(fā)射機(jī)共用一個(gè)天線。如果假設(shè)每條路徑的基帶處理彼此獨(dú)立，則該算法不可能知道這兩個(gè)信息，因此它在接收機(jī)處可以執(zhí)行的相關(guān)和消除處理將是有限的。

圖4。多個(gè)信號(hào)源共用一根天線

結(jié)合PIM挑戰(zhàn)的復(fù)雜性，

站點(diǎn)接入和成本給服務(wù)提供商帶來(lái)挑戰(zhàn)，我們開始發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多這樣的情況:不同的發(fā)射機(jī)共用一個(gè)寬帶天線。它的架構(gòu)可以是各種頻段和格式的混合:TDD+FDD；；TDD:F+A+D，F(xiàn)DD: B3等。圖5顯示了這種配置的概述。在本例中，客戶試圖實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜但現(xiàn)實(shí)的配置。一個(gè)支路是TDD雙頻，另一個(gè)支路是FDD單頻，采用雙工器。信號(hào)匯聚，共用一根天線。Tx1和Tx2信號(hào)之間的無(wú)源互調(diào)發(fā)生在從合成器、傳輸線到天線以及天線本身的路徑中。由此產(chǎn)生的互調(diào)偽像回落到FDD接收機(jī)頻帶Rx2。

圖5。頻分雙工/時(shí)分雙工單天線實(shí)現(xiàn)方案

圖6示出了雙頻系統(tǒng)的實(shí)際分析。注意，在這個(gè)例子中，我們需要考慮三階以上的無(wú)源調(diào)制偽像。在這種情況下，重點(diǎn)是從一個(gè)頻帶回到另一個(gè)接收機(jī)頻帶的互調(diào)偽像。

圖6。多頻PIM問(wèn)題組裝PIM

第二個(gè)PIM叫組裝PIM。雖然系統(tǒng)在安裝后可以令人滿意地工作，但由于惡劣的天氣或初始安裝質(zhì)量，一段時(shí)間后其性能往往會(huì)下降。發(fā)生這種情況時(shí)，信號(hào)路徑中的無(wú)源元件通常開始表現(xiàn)出非線性行為。事實(shí)上，一些主要的無(wú)源互調(diào)現(xiàn)象是由連接器、連接甚至天線本身的饋線引起的。影響可能類似于上面討論的設(shè)計(jì)中引入的PIM，所以可以使用相同的PIM測(cè)量理論，專門用來(lái)發(fā)現(xiàn)無(wú)源互調(diào)產(chǎn)物的存在。

導(dǎo)致動(dòng)力傳動(dòng)系接口模塊裝配的典型因素有:

連接器的適配器接口

電纜附件

材料

清潔度

電纜因素

機(jī)械強(qiáng)度

電熱感應(yīng)PIM。

溫度變化大的環(huán)境，空含鹽氣體/污染或振動(dòng)過(guò)大往往會(huì)加劇PIM問(wèn)題。雖然可以使用與設(shè)計(jì)中引入的相同的PIM測(cè)量技術(shù)，但可以認(rèn)為裝配PIM的存在表明系統(tǒng)的性能和可靠性降低。如果不解決，導(dǎo)致PIM的缺陷因素可能會(huì)變得更糟，直到整個(gè)傳輸路徑出現(xiàn)故障。使用PIM取消方法進(jìn)行組裝PIM更像是掩蓋問(wèn)題而不是解決問(wèn)題。

可想而知，在這種情況下，用戶可能并不想抵消PIM，而是想知道PIM的存在，以消除根本原因。因此，需要確定PIM是從系統(tǒng)哪里引入的，然后修復(fù)或更換特定的組件。

我們可以認(rèn)為設(shè)計(jì)中引入的PIM是可以量化的，是穩(wěn)定的，但是上面提到的組裝PIM是不穩(wěn)定的。它可能存在于非常狹窄的條件范圍內(nèi)，其振幅變化可能超過(guò)100分貝。這種情況可能無(wú)法通過(guò)一次離線掃描獲得；理想情況下，輸電線路診斷需要與PIM事件相協(xié)調(diào)。

天線外部無(wú)源互調(diào)

PIM不限于有線傳輸路徑，也可能發(fā)生在天線之外。這種效應(yīng)也被稱為“銹皮姆”。在這種情況下，無(wú)源互調(diào)發(fā)生在信號(hào)離開發(fā)射機(jī)天線之后，產(chǎn)生的互調(diào)被反射回接收機(jī)?！颁P體”一詞來(lái)源于這樣一個(gè)事實(shí)，即在很多情況下，互調(diào)的來(lái)源可能是生銹的金屬物體，如鐵絲網(wǎng)、倉(cāng)庫(kù)或排水管。

金屬物體會(huì)引起反射。然而，在這些情況下，金屬物體不僅反射接收信號(hào)，而且產(chǎn)生和輻射互調(diào)偽像?；フ{(diào)的發(fā)生與有線信號(hào)路徑中的相同，即發(fā)生在兩種不同金屬或不同材料的接合處。電磁波產(chǎn)生的表面電流被混合并重新輻射。再輻射信號(hào)的幅度通常很低。但是，如果輻射物體靠近基站接收機(jī)，并且互調(diào)產(chǎn)物落在接收機(jī)頻帶內(nèi)，則接收機(jī)將被減敏。

圖7。天線外的無(wú)源互調(diào)或生銹

在某些情況下，PIM源可以通過(guò)天線定位來(lái)檢測(cè):在改變天線位置的同時(shí)，可以監(jiān)控PIM水平。此外，時(shí)間延遲估計(jì)也可以用于定位無(wú)源互調(diào)源。如果PIM水平穩(wěn)定，可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)算法抵消技術(shù)對(duì)PIM進(jìn)行補(bǔ)償。但更多時(shí)候，PIM貢獻(xiàn)受到振動(dòng)、風(fēng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的影響，很難抵消。

無(wú)源互調(diào)檢測(cè):定位無(wú)源互調(diào)源線掃描

可以實(shí)現(xiàn)多種行掃描技術(shù)。線掃描測(cè)量傳輸系統(tǒng)在目標(biāo)頻段的信號(hào)損耗和反射。我們不能認(rèn)為行掃描總是準(zhǔn)確地指出PIM的可能原因。線路掃描更像是一種診斷工具，可以幫助識(shí)別輸電線路上的問(wèn)題。早期組裝問(wèn)題可能會(huì)出現(xiàn)為PIM；如果不解決，這些組裝問(wèn)題可能會(huì)升級(jí)，導(dǎo)致更嚴(yán)重的輸電線路故障。線掃描通常分為兩種基本測(cè)試:回波損耗和插入損耗。兩者與頻率的關(guān)系都很大，在規(guī)定的頻段內(nèi)可能變化很大。回波損耗衡量天線系統(tǒng)的功率傳輸效率。務(wù)必將反射回發(fā)射器的功率降至最低。任何入射功率都可能使發(fā)射信號(hào)失真。如果反射功率足夠大，甚至可能損壞發(fā)射機(jī)。20 dB的回波損耗值意味著1%的發(fā)射信號(hào)被反射回發(fā)射機(jī)，99%到達(dá)天線——這通常被認(rèn)為是相當(dāng)好的性能。10 dB的回波損耗意味著10%的信號(hào)被反射，說(shuō)明性能不理想。如果回波損耗測(cè)量值為0 dB，則100%的功率被反射，這很可能是開路或短路造成的。

時(shí)域反射

先進(jìn)的TDR技術(shù)可用于提供最佳系統(tǒng)的參考圖，并確定傳輸路徑上開始出現(xiàn)損耗的確切位置。通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，運(yùn)營(yíng)商可以定位PIM源，并以有針對(duì)性和高效的方式進(jìn)行修復(fù)。輸電線路映射還可以提醒運(yùn)營(yíng)商一些早期的故障跡象，以防止它們嚴(yán)重影響性能。時(shí)域發(fā)射法測(cè)量信號(hào)通過(guò)傳輸線的反射。TDR儀器通過(guò)介質(zhì)傳遞一個(gè)脈沖，然后將未知傳輸環(huán)境產(chǎn)生的反射與標(biāo)準(zhǔn)阻抗產(chǎn)生的反射進(jìn)行比較。圖8示出了簡(jiǎn)化的TDR測(cè)量設(shè)置框圖。

圖8。TDR設(shè)置框圖

圖9示出了TDR傳輸線映射的例子。

圖9。時(shí)域反射傳輸線映射頻域反射

雖然TDR和FDR的工作原理是沿傳輸線發(fā)送激勵(lì)信號(hào)并分析反射，但這兩種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法卻有很大的不同。FDR技術(shù)使用射頻信號(hào)掃描代替TDR使用的DC脈沖。此外，F(xiàn)DR比TDR敏感得多，可以更準(zhǔn)確地定位系統(tǒng)性能的故障或退化。頻域反射法的原理涉及源信號(hào)和反射信號(hào)的矢量相加。TDR使用非常短的DC脈沖作為激勵(lì)信號(hào)，可以覆蓋非常寬的帶寬，而FDR掃描射頻信號(hào)實(shí)際上運(yùn)行在特定的目標(biāo)頻率。

圖10。FDR原理，掃描頻率回波損耗與距離PIM定位的關(guān)系

必須注意，雖然線掃描可以指示阻抗失配，從而指示傳輸線PIM源，但是PIM和傳輸線阻抗失配可以互斥。當(dāng)線路掃描結(jié)果未顯示任何傳輸線路問(wèn)題時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)無(wú)源互調(diào)非線性。因此，為了給用戶提供解決方案，不僅需要指出PIM的存在，還需要準(zhǔn)確識(shí)別問(wèn)題發(fā)生在輸電線路的哪里，因此需要采用更復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)。

集成無(wú)源互調(diào)線路測(cè)試的工作模式與設(shè)計(jì)中介紹的引入無(wú)源互調(diào)抵消的工作模式相似，但不同之處在于算法對(duì)互調(diào)產(chǎn)物的時(shí)延估計(jì)進(jìn)行了不同的檢查。應(yīng)該注意的是，在這些情況下，優(yōu)先考慮的不是消除PIM偽像，而是定位傳輸線上互調(diào)發(fā)生的位置。這個(gè)概念也被稱為“PIM定位”。例如，在雙音測(cè)試中，

信號(hào)音1:

信號(hào)音2:

W1和w2是頻率；θ1和θ2是初始相位；T0是初始時(shí)間。

IMD將是:

許多現(xiàn)有的解決方案要求用戶中斷傳輸路徑并插入一個(gè)PIM標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。使用無(wú)源互調(diào)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備可以在傳輸路徑的特定位置/距離向用戶提供具有已知相位的參考IMD。圖11顯示了一般情況。IMD相位θ32用作參考位置0。

圖11。PIM定位

一旦初始校準(zhǔn)完成，系統(tǒng)被重構(gòu)，并且系統(tǒng)的PIM被測(cè)量，如圖11所示。θ32和θ'32之間的相位差可用于計(jì)算到PIM的距離。

其中d是到PIM的距離，s是波的傳播速度。

組裝和生銹PIM可能是一個(gè)緩慢的漸進(jìn)過(guò)程；在安裝后的初始階段，基站可以高效工作，但一段時(shí)間后，這種PIM現(xiàn)象可能開始變得突出。振動(dòng)或風(fēng)等環(huán)境因素可能會(huì)影響動(dòng)力調(diào)諧質(zhì)量水平，因此動(dòng)力調(diào)諧質(zhì)量的性質(zhì)和特征是動(dòng)態(tài)和波動(dòng)的。屏蔽或抵消PIM可能不僅困難，還可能被視為屏蔽更嚴(yán)重的問(wèn)題，如果不解決，可能導(dǎo)致整體系統(tǒng)故障。在這種情況下，操作員將希望避免整個(gè)系統(tǒng)關(guān)閉的相關(guān)成本，并快速定位和更換導(dǎo)致PIM的設(shè)備。

PIM定位技術(shù)也為基站運(yùn)營(yíng)商提供了跟蹤系統(tǒng)性能隨時(shí)間退化的可能性，提前發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題。有了這些信息，可以在計(jì)劃的維護(hù)過(guò)程中替換弱點(diǎn)，并且可以避免昂貴的系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間和專門的維護(hù)工作。

標(biāo)簽

無(wú)源互調(diào)不是什么新鮮事。這種現(xiàn)象已經(jīng)存在了很多年，也知道了一段時(shí)間。近年來(lái)，該行業(yè)的兩個(gè)不同變化使它回到了人們的視野中:

首先，先進(jìn)的算法現(xiàn)在可以智能地檢測(cè)和定位PIM，并酌情進(jìn)行補(bǔ)償。過(guò)去，無(wú)線電設(shè)計(jì)人員必須選擇能夠滿足特定PIM性能要求的設(shè)備，但借助PIM抵消算法，他們現(xiàn)在有了更大的選擇自由。他們可以選擇使用成本更低、尺寸更小的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的性能或達(dá)到相同的性能水平。抵消算法通過(guò)數(shù)字化輔助硬件組件。

其次，隨著基站塔密度和多樣性的爆炸性增長(zhǎng)，我們面臨著特殊系統(tǒng)設(shè)置帶來(lái)的新挑戰(zhàn)。算法抵消取決于對(duì)主傳輸信號(hào)的了解。在塔空的珍貴條件下，不同發(fā)射機(jī)可能共用一個(gè)天線，大大增加了PIM效應(yīng)不好的可能性。在這種情況下，該算法可以知道發(fā)射機(jī)路徑的某些部分的信息，并且可以有效地工作。然而，當(dāng)傳輸路徑的某些部分未知時(shí)，第一代高級(jí)PIM消除算法的性能或?qū)崿F(xiàn)可能會(huì)受到限制。

隨著基站設(shè)備領(lǐng)域挑戰(zhàn)的不斷增加，PIM檢測(cè)和抵消算法有望在短期內(nèi)為無(wú)線電設(shè)計(jì)人員帶來(lái)可觀的收益和優(yōu)勢(shì)，但開發(fā)工作需要跟上未來(lái)挑戰(zhàn)的步伐。

——文章來(lái)源:射頻百花灘

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