作者:Frank Kearney and Steven Chen
眾所周知,有源元件會在系統(tǒng)中產(chǎn)生非線性。已經(jīng)開發(fā)了各種技術(shù)來提高此類設(shè)備在設(shè)計(jì)和操作階段的性能。很容易忽視無源器件也會引入非線性效應(yīng);雖然有時(shí)相對較小,但如果不加以糾正,這些非線性會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
PIM 代表“無源互調(diào)”。它表示當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)信號通過具有非線性特性的無源器件時(shí)產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物。機(jī)械部件的相互作用通常會導(dǎo)致非線性元素。這在兩種不同金屬的交界處尤其明顯。示例包括:電纜連接松動、連接器臟污、雙工器性能差或天線老化。
無源互調(diào)是蜂窩行業(yè)中的一個(gè)重大問題,并且極難進(jìn)行故障排除。在小區(qū)通信系統(tǒng)中,PIM會產(chǎn)生干擾,并會降低接收器靈敏度,甚至可能完全抑制通信。這種干擾會影響創(chuàng)建它的細(xì)胞以及附近的其他接收器。例如,在 LTE 頻段 2 中,下行鏈路的指定范圍為 1930 MHz 至 1990 MHz,而上行鏈路的范圍為 1850 MHz 至 1910 MHz。如果位于1940 MHz和1980 MHz的兩個(gè)發(fā)射載波通過PIM從基站系統(tǒng)發(fā)射,則它們的互調(diào)將導(dǎo)致1900 MHz的分量落入接收頻段。這將影響接收器。此外,2020 MHz的互調(diào)項(xiàng)目可能會影響其他系統(tǒng)。
圖1.無源互調(diào),回落到接收頻段。
隨著頻譜變得越來越擁擠,天線共享方案變得越來越普遍,通過不同載波的互調(diào)產(chǎn)生PIM的可能性也相應(yīng)增加。使用頻率規(guī)劃來避免PIM的傳統(tǒng)方法幾乎是不可能的。再加上剛才提到的挑戰(zhàn),采用CDMA/OFDM等新的數(shù)字調(diào)制方案意味著通信系統(tǒng)的峰值功率也會增加,從而增加了PIM問題的嚴(yán)重性。
PIM已被強(qiáng)調(diào)為服務(wù)提供商和設(shè)備供應(yīng)商面臨的一個(gè)嚴(yán)重問題。檢測并在可能的情況下解決問題可提高系統(tǒng)可靠性并降低運(yùn)營成本。在本文中,我們試圖回顧PIM的來源和原因,以及提出檢測和解決PIM的技術(shù)。
PIM 分類
我們的初步觀察表明,PIM有三種不同的類型,每種類型都有不同的特征,每種都需要不同的解決方案。我們選擇將這些類型分類為設(shè)計(jì) PIM、裝配 PIM 和生銹螺栓 PIM。
設(shè)計(jì) PIM
已知某些無源元件與其傳輸線相結(jié)合,會導(dǎo)致無源互調(diào)。因此,在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí),開發(fā)團(tuán)隊(duì)將選擇具有組件制造商指定的最低或可接受的PIM水平的無源元件。環(huán)行器、雙工器和開關(guān)特別容易產(chǎn)生這種影響。設(shè)計(jì)人員可以選擇通過選擇成本更低、尺寸更小或性能更低的選項(xiàng)來接受更高水平的無源互調(diào)。
圖2.組件設(shè)計(jì)權(quán)衡、尺寸、功耗、抑制和 PIM 性能。
如果設(shè)計(jì)人員確實(shí)選擇使用性能較低的組件,則由此產(chǎn)生的較高交調(diào)水平可能會回落到接收器的頻帶內(nèi),從而導(dǎo)致其脫敏。需要注意的是,在這些情況下,不需要的頻譜發(fā)射或功率效率損失可能不像PIM對接收器的脫敏效果那樣令人擔(dān)憂。這個(gè)問題在小型蜂窩無線電設(shè)計(jì)中尤為重要。ADI目前處于高級開發(fā)階段,可以檢測、建模和從接收信號中減去(消除)雙工器等靜態(tài)無源元件提供的PIM(見圖3)。
圖3.PIM 生成和取消算法。
該算法之所以有效,是因?yàn)樗私廨d波,并且可以在從接收信號中減去交調(diào)偽影之前,使用接收器的相關(guān)性來確定交調(diào)偽影。
當(dāng)相關(guān)性不能再用于確定互調(diào)偽影時(shí),算法的限制開始顯現(xiàn)。圖 4 提供了這方面的一個(gè)示例。在這種情況下,兩個(gè)獨(dú)立的發(fā)射器共享同一天線。如果我們假設(shè)每條路徑的基帶處理都獨(dú)立于另一條路徑,那么該算法不太可能同時(shí)了解兩者,因此,它可以在接收器上執(zhí)行的相關(guān)/消除受到限制。
圖4.多個(gè)源共享同一天線。
復(fù)雜性增加了 PIM 挑戰(zhàn)
隨著站點(diǎn)訪問和成本對服務(wù)提供商構(gòu)成挑戰(zhàn),我們開始看到越來越多的實(shí)例,其中單獨(dú)的發(fā)射器共享一個(gè)寬帶天線。架構(gòu)可以是頻段和格式的混合:TDD+ FDD;TDD: F + A + D, FDD: B3等圖 5 提供了此類配置的概述。在這種情況下,客戶正在實(shí)施復(fù)雜但真實(shí)的配置;一個(gè)分支是 TDD雙頻,另一個(gè)是FDD單頻,采用雙工器。信號被組合并共享一個(gè)天線。Tx1 和 Tx2 信號之間的交調(diào)在從合路器的路徑、傳輸?shù)教炀€的傳輸線以及天線本身中被動發(fā)生。由此產(chǎn)生的交調(diào)偽影回落在F的頻帶內(nèi)DD接收器,Rx2。
圖5.FDD/TDD單天線實(shí)現(xiàn)。
圖6顯示了雙頻系統(tǒng)的實(shí)際分析。請注意,在這種情況下,我們需要考慮的不僅僅是三階無源調(diào)制偽影。在這種情況下,重點(diǎn)是來自一個(gè)頻段(內(nèi)部)的交調(diào)偽像落在另一個(gè)頻段的接收頻段內(nèi)。
圖6.多頻段 PIM 問題。
裝配 PIM
PIM 的第二個(gè)分類是我們可以稱之為匯編 PIM。雖然系統(tǒng)在安裝時(shí)可能運(yùn)行良好,但由于天氣或初始安裝不良,性能通常會隨著時(shí)間的推移而下降。發(fā)生這種情況時(shí),信號路徑的無源元件(即連接器、電纜、電纜組件、波導(dǎo)組件和組件)通常會開始表現(xiàn)出非線性行為。事實(shí)上,PIM的一些主要事件將由連接器,連接甚至天線本身的饋線引起。如前所述,生成的效果可能類似于設(shè)計(jì) PIM 的效果。因此,可以使用相同的PIM測量理論,專門尋找無源互調(diào)產(chǎn)物的存在。
裝配 PIM 的典型貢獻(xiàn)者是:
連接器配接接口(通常為 N 型或 DIN7/DIN16),
電纜附件(電纜/連接器連接的機(jī)械穩(wěn)定性),
材料(建議使用黃銅和銅,鐵磁材料表現(xiàn)出非線性特性),
清潔度(污垢或濕氣污染),
電纜注意事項(xiàng)(電纜的質(zhì)量和堅(jiān)固性),
機(jī)械堅(jiān)固性(由于風(fēng)和振動而彎曲),
電熱感應(yīng)PIM(由于電導(dǎo)隨溫度變化而變化,以響應(yīng)具有非恒定包絡(luò)的RF信號耗散的時(shí)變功率)。
溫度變化大、含鹽空氣/污染空氣或過度振動的環(huán)境往往會加劇 PIM。雖然可以使用與設(shè)計(jì)PIM相同的PIM測量技術(shù),但裝配PIM的存在可以被視為系統(tǒng)在性能和可靠性方面退化的指標(biāo)。如果不解決,導(dǎo)致 PIM 的弱點(diǎn)可能會繼續(xù)升級,直到發(fā)生完全傳輸路徑故障。對程序集 PIM 使用 PIM 取消的方法可能被視為掩蓋問題,而不是解決問題。
在這種情況下,預(yù)計(jì)用戶不會希望取消PIM,而是被告知其存在,以糾正其根本原因。消除來自于首先確定在系統(tǒng)上引入PIM的位置,然后修復(fù)或更換該特定元件。
雖然我們可以認(rèn)為設(shè)計(jì)PIM是可量化和穩(wěn)定的,但如前所述,裝配PIM并不穩(wěn)定。它可能存在于一組非常狹窄的條件下,其振幅變化可能超過 100 dB。單次離線掃描可能無法捕獲此類實(shí)例;理想情況下,傳輸線診斷需要與PIM事件一起捕獲。
天線之外的 PIM(生銹螺栓 PIM)
PIM不僅限于有線傳輸路徑,也可能發(fā)生在天線之外。這種效果也稱為生銹螺栓 PIM。在這種情況下,無源交調(diào)發(fā)生在信號離開發(fā)射器天線之后,產(chǎn)生的交調(diào)反射回接收器。術(shù)語生銹螺栓來自這樣一個(gè)事實(shí),即在許多情況下,互調(diào)源可以是生銹的金屬物體,例如網(wǎng)狀柵欄、谷倉,甚至是排水管。
金屬物體引起的反射是意料之中的。然而,在這些情況下,金屬物體不僅反射接收到的信號,而且還產(chǎn)生和輻射互調(diào)偽影?;フ{(diào)就像在有線信號路徑中一樣發(fā)生,即在兩種不同金屬的交界處或不同材料的交界處。電磁波產(chǎn)生混合和再輻射的表面電流(見圖7)。再輻射信號的幅度通常非常低。但是,如果輻射元件(生銹的圍欄、谷倉或落水管)靠近基站的接收器,并且其交調(diào)產(chǎn)物落在接收頻帶內(nèi),則結(jié)果將是接收器脫敏。
圖7.超越天線,或生銹的螺栓PIM。
在某些情況下,PIM源的檢測可以通過天線定位來實(shí)現(xiàn):在改變天線位置的同時(shí)監(jiān)控PIM電平。在其他情況下,時(shí)間延遲估計(jì)也可用于定位源。如果 PIM 電平是靜態(tài)的,則可以使用標(biāo)準(zhǔn)算法消除技術(shù)來補(bǔ)償 PIM。然而,在許多情況下,振動、風(fēng)和機(jī)械運(yùn)動會調(diào)節(jié)PIM的貢獻(xiàn),使消除挑戰(zhàn)更加困難。
PIM 檢測:查找 PIM 源
掃線
可以實(shí)現(xiàn)各種掃線技術(shù)。線路掃描測量傳輸系統(tǒng)內(nèi)目標(biāo)頻段上的信號損耗和反射。不能假設(shè)掃線總是能準(zhǔn)確地指示PIM的可能原因。線路掃描可以更多地被視為一種診斷工具,有助于識別傳輸線路路徑上的問題。早期裝配問題可能表現(xiàn)為 PIM;如果不加以解決,這些組裝問題可能會升級為更嚴(yán)重的傳輸線故障。線路掃描通常分為兩個(gè)基本測試:回波損耗和插入損耗。兩者都非常依賴于頻率,并且在指定頻段內(nèi)都可以有很大差異?;夭〒p耗測量天線系統(tǒng)的功率傳輸效率。必須將最小功率反射回發(fā)射器。任何反射功率都會使傳輸?shù)男盘柺д?,?dāng)功率足夠大時(shí),會對發(fā)射器造成損壞。20 dB的回波損耗系數(shù)表示1%的發(fā)射信號被反射回發(fā)射器,99%的信號到達(dá)天線,這通常被認(rèn)為是良好的性能。10 dB的回波損耗表示10%的信號被反射,應(yīng)視為較差。如果回波損耗測量值為0 dB,則會反射100%的功率,這可能是開路或短路的結(jié)果。
時(shí)域反射
先進(jìn)的TDR技術(shù)可用于首先提供最佳系統(tǒng)的參考圖,然后用于確定傳輸路徑上開始發(fā)生損傷的確切位置。這種技術(shù)可以使操作員找到PIM的來源并進(jìn)行有針對性的有效維修。傳輸線映射還可以在故障開始對性能產(chǎn)生重大影響之前提醒操作員注意故障的早期跡象。時(shí)域反射計(jì)(TDR)測量信號通過傳輸線產(chǎn)生的反射。TDR儀器通過介質(zhì)發(fā)送脈沖,并將來自未知傳輸環(huán)境的反射與標(biāo)準(zhǔn)阻抗產(chǎn)生的反射進(jìn)行比較。簡化的TDR測量模塊設(shè)置如圖8所示。
圖8.TDR 設(shè)置框圖。
圖9提供了TDR傳輸線映射的示例。
圖9.輸電線路的TDR映射。
頻域反射
雖然TDR和FDR都依賴于將激勵發(fā)送到傳輸線并分析反射的原理,但這兩種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)非常不同。FDR 技術(shù)使用 RF 信號掃描,而不是 TDR 使用的直流脈沖。FDR也比TDR敏感得多,可以更高精度地定位系統(tǒng)性能的故障或下降。頻域反射計(jì)原理涉及將源信號與來自傳輸線內(nèi)故障和其他反射特性的反射信號相加。雖然TDR使用非常短的直流脈沖作為激勵,這些脈沖固有地覆蓋非常大的帶寬,但FDR掃描RF信號實(shí)際上可以在特定的目標(biāo)頻率下運(yùn)行(通常在系統(tǒng)預(yù)期工作的范圍內(nèi))。
圖 10.FDR原理,掃描頻率回波損耗與距離的關(guān)系。
到PIM的距離
需要注意的是,雖然線路掃描可能表明阻抗不匹配,因此傳輸線PIM的來源,但PIM和傳輸線阻抗不匹配可能是相互排斥的。PIM非線性可能發(fā)生在線路掃描結(jié)果未指示任何傳輸線問題的點(diǎn)。因此,每當(dāng)要為用戶提供解決方案時(shí),都需要更復(fù)雜的實(shí)現(xiàn),該解決方案不僅要指示PIM的存在,還要允許他們精確地識別傳輸線路徑上出現(xiàn)問題的位置。
全面的PIM線路測試的運(yùn)行模式與設(shè)計(jì)PIM消除的模式類似,但算法檢查互調(diào)產(chǎn)物的時(shí)間延遲估計(jì)的情況除外。應(yīng)該注意的是,在這些情況下,優(yōu)先級不是消除PIM偽像,而是精確定位傳輸路徑上發(fā)生互調(diào)的位置。該概念也稱為到PIM的距離(DTP)。例如,在雙音測試中:
音調(diào) 1:
音調(diào) 2:
w1和 w2是頻率;01和 02是初始階段;t0是初始時(shí)間。
IMD(例如,下側(cè))將是:
許多現(xiàn)有的解決方案要求用戶斷開傳輸路徑并插入PIM標(biāo)準(zhǔn)(PIM標(biāo)準(zhǔn)是已知產(chǎn)生固定量PIM的設(shè)備,用于校準(zhǔn)測試設(shè)備)。PIM標(biāo)準(zhǔn)的使用為用戶提供了一個(gè)參考IMD,該IMD在沿發(fā)射器路徑的特定位置/距離處具有已知相位。圖11(a)提供了概述。IMD階段032如圖 11 所示,用作位置零的參考。
圖 11.到 PIM 的距離。
執(zhí)行初始校準(zhǔn)后,重建系統(tǒng)并進(jìn)行系統(tǒng)PIM測量,如圖11(b)所示。θ 之間的相位差32和 θ'32可用于計(jì)算到 PIM 的距離。
其中D是到PIM的距離,S是波傳播速度(取決于傳輸介質(zhì))。
裝配和生銹的螺栓PIM可能是緩慢和漸進(jìn)的過程;基站可能在初始安裝后高效工作,但隨著時(shí)間的推移,這些類型的PIM現(xiàn)象可能會開始變得更加明顯。由于PIM的水平可能會受到振動或風(fēng)等環(huán)境問題的影響,因此PIM的性質(zhì)和特性可能是動態(tài)和波動的。屏蔽或取消 PIM 可能不僅困難,還可能被視為掩蓋更嚴(yán)重的問題,如果不解決,可能會導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)故障。在這種情況下,運(yùn)營商將希望避免整個(gè)系統(tǒng)拆卸的成本,而是有效地找到PIM貢獻(xiàn)者并更換它。
PIM距離(DTP)技術(shù)還為基站運(yùn)營商提供了跟蹤其系統(tǒng)隨時(shí)間推移的退化情況的可能性,并提前突出顯示可能出現(xiàn)的問題。這些知識允許在定期維護(hù)期間更換薄弱環(huán)節(jié),從而避免代價(jià)高昂的系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間和專門的維修工作。
結(jié)論
無源互調(diào)并不是什么新鮮事。這是一種已經(jīng)存在多年的現(xiàn)象,并且已經(jīng)理解了一段時(shí)間。最近,該行業(yè)的兩個(gè)明顯變化使其重新成為人們關(guān)注的焦點(diǎn):
首先,高級算法現(xiàn)在提供了一種智能方法來檢測PIM的存在/位置,并在適當(dāng)?shù)那闆r下對其進(jìn)行補(bǔ)償。以前,無線電設(shè)計(jì)人員必須選擇滿足特定PIM性能要求的組件,而在PIM消除算法的幫助下,他們現(xiàn)在獲得了新的自由度。他們有能力推動更高的性能,或者,如果他們應(yīng)該選擇,保持相同的性能水平,但成本更低,硬件組件更小。取消算法以數(shù)字方式輔助硬件元素。
其次,隨著基站塔的密度和多樣性的爆炸式增長,我們看到由特定系統(tǒng)設(shè)置(例如共享天線)引起的一系列全新挑戰(zhàn)。算法消除取決于對主要傳輸信號的了解。在塔上的空間具有溢價(jià)的情況下,各種發(fā)射器可能共享一個(gè)天線,因此很可能存在不需要的PIM效應(yīng)。在這種情況下,算法可能知道發(fā)射器路徑的某些部分,并且可以有效地工作。在傳輸路徑的所有部分都未知的情況下,第一代高級PIM消除算法的性能或?qū)崿F(xiàn)可能會受到限制。
隨著基站安裝的挑戰(zhàn)不斷增加,PIM檢測和消除算法有望在短期內(nèi)為無線電設(shè)計(jì)人員帶來巨大的收益和優(yōu)勢,但需要開發(fā)工作來跟上未來的挑戰(zhàn)。
審核編輯:郭婷
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