基站中的无源互调效应：了解挑战和解决方案

作者：Frank Kearney and Steven Chen

众所周知，有源元件会在系统中产生非线性。已经开发了各种技术来提高此类设备在设计和操作阶段的性能。很容易忽视无源器件也会引入非线性效应;虽然有时相对较小，但如果不加以纠正，这些非线性会对系统性能产生严重影响。

PIM 代表“无源互调”。它表示当两个或多个信号通过具有非线性特性的无源器件时产生的互调产物。机械部件的相互作用通常会导致非线性元素。这在两种不同金属的交界处尤其明显。示例包括：电缆连接松动、连接器脏污、双工器性能差或天线老化。

无源互调是蜂窝行业中的一个重大问题，并且极难进行故障排除。在小区通信系统中，PIM会产生干扰，并会降低接收器灵敏度，甚至可能完全抑制通信。这种干扰会影响创建它的细胞以及附近的其他接收器。例如，在 LTE 频段 2 中，下行链路的指定范围为 1930 MHz 至 1990 MHz，而上行链路的范围为 1850 MHz 至 1910 MHz。如果位于1940 MHz和1980 MHz的两个发射载波通过PIM从基站系统发射，则它们的互调将导致1900 MHz的分量落入接收频段。这将影响接收器。此外，2020 MHz的互调项目可能会影响其他系统。

图1.无源互调，回落到接收频段。

随着频谱变得越来越拥挤，天线共享方案变得越来越普遍，通过不同载波的互调产生PIM的可能性也相应增加。使用频率规划来避免PIM的传统方法几乎是不可能的。再加上刚才提到的挑战，采用CDMA/OFDM等新的数字调制方案意味着通信系统的峰值功率也会增加，从而增加了PIM问题的严重性。

PIM已被强调为服务提供商和设备供应商面临的一个严重问题。检测并在可能的情况下解决问题可提高系统可靠性并降低运营成本。在本文中，我们试图回顾PIM的来源和原因，以及提出检测和解决PIM的技术。

PIM 分类

我们的初步观察表明，PIM有三种不同的类型，每种类型都有不同的特征，每种都需要不同的解决方案。我们选择将这些类型分类为设计 PIM、装配 PIM 和生锈螺栓 PIM。

设计 PIM

已知某些无源元件与其传输线相结合，会导致无源互调。因此，在设计系统时，开发团队将选择具有组件制造商指定的最低或可接受的PIM水平的无源元件。环行器、双工器和开关特别容易产生这种影响。设计人员可以选择通过选择成本更低、尺寸更小或性能更低的选项来接受更高水平的无源互调。

图2.组件设计权衡、尺寸、功耗、抑制和 PIM 性能。

如果设计人员确实选择使用性能较低的组件，则由此产生的较高交调水平可能会回落到接收器的频带内，从而导致其脱敏。需要注意的是，在这些情况下，不需要的频谱发射或功率效率损失可能不像PIM对接收器的脱敏效果那样令人担忧。这个问题在小型蜂窝无线电设计中尤为重要。ADI目前处于高级开发阶段，可以检测、建模和从接收信号中减去（消除）双工器等静态无源元件提供的PIM（见图3）。

图3.PIM 生成和取消算法。

该算法之所以有效，是因为它了解载波，并且可以在从接收信号中减去交调伪影之前，使用接收器的相关性来确定交调伪影。

当相关性不能再用于确定互调伪影时，算法的限制开始显现。图 4 提供了这方面的一个示例。在这种情况下，两个独立的发射器共享同一天线。如果我们假设每条路径的基带处理都独立于另一条路径，那么该算法不太可能同时了解两者，因此，它可以在接收器上执行的相关/消除受到限制。

图4.多个源共享同一天线。

复杂性增加了 PIM 挑战

随着站点访问和成本对服务提供商构成挑战，我们开始看到越来越多的实例，其中单独的发射器共享一个宽带天线。架构可以是频段和格式的混合：TDD+ FDD;TDD： F + A + D， FDD： B3等图 5 提供了此类配置的概述。在这种情况下，客户正在实施复杂但真实的配置;一个分支是 TDD双频，另一个是FDD单频，采用双工器。信号被组合并共享一个天线。Tx1 和 Tx2 信号之间的交调在从合路器的路径、传输到天线的传输线以及天线本身中被动发生。由此产生的交调伪影回落在F的频带内DD接收器，Rx2。

图5.FDD/TDD单天线实现。

图6显示了双频系统的实际分析。请注意，在这种情况下，我们需要考虑的不仅仅是三阶无源调制伪影。在这种情况下，重点是来自一个频段（内部）的交调伪像落在另一个频段的接收频段内。

图6.多频段 PIM 问题。

装配 PIM

PIM 的第二个分类是我们可以称之为汇编 PIM。虽然系统在安装时可能运行良好，但由于天气或初始安装不良，性能通常会随着时间的推移而下降。发生这种情况时，信号路径的无源元件（即连接器、电缆、电缆组件、波导组件和组件）通常会开始表现出非线性行为。事实上，PIM的一些主要事件将由连接器，连接甚至天线本身的馈线引起。如前所述，生成的效果可能类似于设计 PIM 的效果。因此，可以使用相同的PIM测量理论，专门寻找无源互调产物的存在。

装配 PIM 的典型贡献者是：

连接器配接接口（通常为 N 型或 DIN7/DIN16），

电缆附件（电缆/连接器连接的机械稳定性），

材料（建议使用黄铜和铜，铁磁材料表现出非线性特性），

清洁度（污垢或湿气污染），

电缆注意事项（电缆的质量和坚固性），

机械坚固性（由于风和振动而弯曲），

电热感应PIM（由于电导随温度变化而变化，以响应具有非恒定包络的RF信号耗散的时变功率）。

温度变化大、含盐空气/污染空气或过度振动的环境往往会加剧 PIM。虽然可以使用与设计PIM相同的PIM测量技术，但装配PIM的存在可以被视为系统在性能和可靠性方面退化的指标。如果不解决，导致 PIM 的弱点可能会继续升级，直到发生完全传输路径故障。对程序集 PIM 使用 PIM 取消的方法可能被视为掩盖问题，而不是解决问题。

在这种情况下，预计用户不会希望取消PIM，而是被告知其存在，以纠正其根本原因。消除来自于首先确定在系统上引入PIM的位置，然后修复或更换该特定元件。

虽然我们可以认为设计PIM是可量化和稳定的，但如前所述，装配PIM并不稳定。它可能存在于一组非常狭窄的条件下，其振幅变化可能超过 100 dB。单次离线扫描可能无法捕获此类实例;理想情况下，传输线诊断需要与PIM事件一起捕获。

天线之外的 PIM（生锈螺栓 PIM）

PIM不仅限于有线传输路径，也可能发生在天线之外。这种效果也称为生锈螺栓 PIM。在这种情况下，无源交调发生在信号离开发射器天线之后，产生的交调反射回接收器。术语生锈螺栓来自这样一个事实，即在许多情况下，互调源可以是生锈的金属物体，例如网状栅栏、谷仓，甚至是排水管。

金属物体引起的反射是意料之中的。然而，在这些情况下，金属物体不仅反射接收到的信号，而且还产生和辐射互调伪影。互调就像在有线信号路径中一样发生，即在两种不同金属的交界处或不同材料的交界处。电磁波产生混合和再辐射的表面电流（见图7）。再辐射信号的幅度通常非常低。但是，如果辐射元件（生锈的围栏、谷仓或落水管）靠近基站的接收器，并且其交调产物落在接收频带内，则结果将是接收器脱敏。

图7.超越天线，或生锈的螺栓PIM。

在某些情况下，PIM源的检测可以通过天线定位来实现：在改变天线位置的同时监控PIM电平。在其他情况下，时间延迟估计也可用于定位源。如果 PIM 电平是静态的，则可以使用标准算法消除技术来补偿 PIM。然而，在许多情况下，振动、风和机械运动会调节PIM的贡献，使消除挑战更加困难。

PIM 检测：查找 PIM 源

扫线

可以实现各种扫线技术。线路扫描测量传输系统内目标频段上的信号损耗和反射。不能假设扫线总是能准确地指示PIM的可能原因。线路扫描可以更多地被视为一种诊断工具，有助于识别传输线路路径上的问题。早期装配问题可能表现为 PIM;如果不加以解决，这些组装问题可能会升级为更严重的传输线故障。线路扫描通常分为两个基本测试：回波损耗和插入损耗。两者都非常依赖于频率，并且在指定频段内都可以有很大差异。回波损耗测量天线系统的功率传输效率。必须将最小功率反射回发射器。任何反射功率都会使传输的信号失真，当功率足够大时，会对发射器造成损坏。20 dB的回波损耗系数表示1%的发射信号被反射回发射器，99%的信号到达天线，这通常被认为是良好的性能。10 dB的回波损耗表示10%的信号被反射，应视为较差。如果回波损耗测量值为0 dB，则会反射100%的功率，这可能是开路或短路的结果。

时域反射

先进的TDR技术可用于首先提供最佳系统的参考图，然后用于确定传输路径上开始发生损伤的确切位置。这种技术可以使操作员找到PIM的来源并进行有针对性的有效维修。传输线映射还可以在故障开始对性能产生重大影响之前提醒操作员注意故障的早期迹象。时域反射计（TDR）测量信号通过传输线产生的反射。TDR仪器通过介质发送脉冲，并将来自未知传输环境的反射与标准阻抗产生的反射进行比较。简化的TDR测量模块设置如图8所示。

图8.TDR 设置框图。

图9提供了TDR传输线映射的示例。

图9.输电线路的TDR映射。

频域反射

虽然TDR和FDR都依赖于将激励发送到传输线并分析反射的原理，但这两种技术的实现非常不同。FDR 技术使用 RF 信号扫描，而不是 TDR 使用的直流脉冲。FDR也比TDR敏感得多，可以更高精度地定位系统性能的故障或下降。频域反射计原理涉及将源信号与来自传输线内故障和其他反射特性的反射信号相加。虽然TDR使用非常短的直流脉冲作为激励，这些脉冲固有地覆盖非常大的带宽，但FDR扫描RF信号实际上可以在特定的目标频率下运行（通常在系统预期工作的范围内）。

图 10.FDR原理，扫描频率回波损耗与距离的关系。

到PIM的距离

需要注意的是，虽然线路扫描可能表明阻抗不匹配，因此传输线PIM的来源，但PIM和传输线阻抗不匹配可能是相互排斥的。PIM非线性可能发生在线路扫描结果未指示任何传输线问题的点。因此，每当要为用户提供解决方案时，都需要更复杂的实现，该解决方案不仅要指示PIM的存在，还要允许他们精确地识别传输线路径上出现问题的位置。

全面的PIM线路测试的运行模式与设计PIM消除的模式类似，但算法检查互调产物的时间延迟估计的情况除外。应该注意的是，在这些情况下，优先级不是消除PIM伪像，而是精确定位传输路径上发生互调的位置。该概念也称为到PIM的距离（DTP）。例如，在双音测试中：

音调 1：

音调 2：

w1和 w2是频率;01和 02是初始阶段;t0是初始时间。

IMD（例如，下侧）将是：

许多现有的解决方案要求用户断开传输路径并插入PIM标准（PIM标准是已知产生固定量PIM的设备，用于校准测试设备）。PIM标准的使用为用户提供了一个参考IMD，该IMD在沿发射器路径的特定位置/距离处具有已知相位。图11（a）提供了概述。IMD阶段032如图 11 所示，用作位置零的参考。

图 11.到 PIM 的距离。

执行初始校准后，重建系统并进行系统PIM测量，如图11（b）所示。θ 之间的相位差32和 θ'32可用于计算到 PIM 的距离。

其中D是到PIM的距离，S是波传播速度（取决于传输介质）。

装配和生锈的螺栓PIM可能是缓慢和渐进的过程;基站可能在初始安装后高效工作，但随着时间的推移，这些类型的PIM现象可能会开始变得更加明显。由于PIM的水平可能会受到振动或风等环境问题的影响，因此PIM的性质和特性可能是动态和波动的。屏蔽或取消 PIM 可能不仅困难，还可能被视为掩盖更严重的问题，如果不解决，可能会导致整个系统故障。在这种情况下，运营商将希望避免整个系统拆卸的成本，而是有效地找到PIM贡献者并更换它。

PIM距离（DTP）技术还为基站运营商提供了跟踪其系统随时间推移的退化情况的可能性，并提前突出显示可能出现的问题。这些知识允许在定期维护期间更换薄弱环节，从而避免代价高昂的系统停机时间和专门的维修工作。

结论

无源互调并不是什么新鲜事。这是一种已经存在多年的现象，并且已经理解了一段时间。最近，该行业的两个明显变化使其重新成为人们关注的焦点：

首先，高级算法现在提供了一种智能方法来检测PIM的存在/位置，并在适当的情况下对其进行补偿。以前，无线电设计人员必须选择满足特定PIM性能要求的组件，而在PIM消除算法的帮助下，他们现在获得了新的自由度。他们有能力推动更高的性能，或者，如果他们应该选择，保持相同的性能水平，但成本更低，硬件组件更小。取消算法以数字方式辅助硬件元素。

其次，随着基站塔的密度和多样性的爆炸式增长，我们看到由特定系统设置（例如共享天线）引起的一系列全新挑战。算法消除取决于对主要传输信号的了解。在塔上的空间具有溢价的情况下，各种发射器可能共享一个天线，因此很可能存在不需要的PIM效应。在这种情况下，算法可能知道发射器路径的某些部分，并且可以有效地工作。在传输路径的所有部分都未知的情况下，第一代高级PIM消除算法的性能或实现可能会受到限制。

随着基站安装的挑战不断增加，PIM检测和消除算法有望在短期内为无线电设计人员带来巨大的收益和优势，但需要开发工作来跟上未来的挑战。

审核编辑：郭婷