基站的无源互调(PIM)效应:理解挑战和解决方案

众所周知，有源组件将在系统中产生非线性。已经开发了各种技术来改善在设计和操作阶段的这种装置的性能。

人们很容易忽视无源器件也会引入非线性效应;虽然这些非线性有时相对较小，但如果不加以修正，可能会对系统性能产生严重影响。

PIM是“无源互调”的缩写。它表示两个或多个信号通过具有非线性特性的无源器件传输时产生的互调乘积。机械部件之间的相互作用通常会产生非线性元素。这在两种不同金属的结合处尤其明显。例如:松散的电缆连接，肮脏的连接器，性能差的双工器，或老化的天线。

无源互调是一个重要的问题，在蜂窝产业，它是极其困难的故障排除。在小区通信系统中，PIM会产生干扰，降低接收机的灵敏度，甚至可能完全抑制通信。这种干扰可以影响产生它的蜂窝，以及附近的其他接收器。例如:LTE频段2，下行指定1930 ~ 1990 MHz，上行指定1850 ~ 1910 MHz。如果两个发射载波，位于1940 MHz和1980 MHz，从带有PIM的基站系统发射，它们的互调将导致一个1900 MHz的组件，这将落入接收频带。这将影响到接收者。此外，2020兆赫时的互调项可能会影响其他系统。

图1所示。无源互调，落回接收频带。

随着频谱变得更加拥挤并且天线共享方案变得更加常见，因此在不同载波的互调中，PIM产生的可能性相应增加。使用频率规划以避免PIM的传统方式几乎是不可能的。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增加，增加了PIM问题的严重性。

PIM被强调为服务提供商和设备供应商的严重问题。在可能的情况下，解决问题的检测和解决问题增加了增加的系统可靠性和减少操作成本。在本文中，我们试图审查PIM的来源和原因以及建议检测和解决它的技术。

PIM分类

我们的初步观察表明，PIM具有三种独特的类型，每个类型具有不同的特性，每个特性都需要不同的解决方案。我们选择将这些类型分类为Design PIM，装配PIM和Rusty Bolt Pim。

设计PIM.

已知某些无源元件与其传输线组合有助于被动互调。因此，在设计系统时，开发团队将选择具有MINTOMENT MATORAMER指定的PIM的最小或可接受的PIM的被动元素。循环器，双工器和交换机特别容易发生效果。设计人员可以选择通过选择较低的成本，更小的尺寸或更低的性能选项来接受更高级别的被动互调。

图2。元件设计权衡、尺寸、功率、排斥和PIM性能。

如果设计人员选择使用较低的性能组件，所得到的更高级别的互调级别可能会返回接收器的频带并导致脱敏。重要的是要注意，在这些情况下，不需要的光谱排放或电力效率的损失可能不如PIM在接收器上的脱敏效果。该问题在小型电池无线电设计中具有特别重要的意义。ADI目前处于高级开发阶段，由此可以检测由诸如双工器等静态无源元件的PIM从接收信号检测，建模和减去（取消）（参见图3）。

图3. PIM生成和取消算法。

该算法能够工作是因为它知道载波，并且可以在接收端使用相关来确定互调伪影，然后再从接收信号中减去它。

当相关性不能再用来确定互调制伪影时，算法的局限性开始显现。图4提供了一个示例。在这种情况下，两个不同的发射机共用同一个天线。如果我们假设每条路径的基带处理是独立于另一条路径的，那么算法不太可能同时知道这两种路径，因此，它在接收端执行的相关/抵消受到限制。

图4。共用同一天线的多个信号源。

复杂性增加了PIM的挑战

作为现场访问和成本挑战服务提供商，我们开始看到越来越多的情况，其中单独的发射机共享单个宽带天线。架构可以是乐队和格式的混合：t_DD+ F._DD;T._DD: f + a + d_DD：B3等图5提供了这种配置的概述。在这种情况下，客户正在实现复杂但实际配置;一个分支是t_DD另一个是F_DD单频带，雇佣双工。这些信号被组合在一起，共用一个天线。Tx1和Tx2信号之间的互调被动地发生在从合并器的路径中，在传输线到天线中，在天线本身中。所产生的互调伪波回落到F波段内_DD接收器,Rx2。

图5。FDD/TDD单天线实现。

图6显示了一个双频系统的实际分析。注意，在这种情况下，我们需要考虑的远不止三阶无源调制效应。在这种情况下，重点是从一个波段(内部)落入另一个接收波段的互调伪影。

图6。多波段PIM问题。

组装PIM

PIM的第二类是我们可以称为装配PIM的东西。虽然系统在安装时可以令人满意地运行，但由于天气或初始安装不良，性能往往会随着时间的推移而下降。当这种情况发生时，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，一些PIM的主要出现是由连接器、连接甚至是天线本身的馈线引起的。所产生的效果可以类似于设计PIM，如前所述。因此，同样的PIM测量理论可以用来专门寻找无源互调产品的存在。

装配PIM的典型贡献者是：

• 连接器配合界面（通常为N或DIN7 / DIN16），
• 电缆附件（电缆/连接器结的机械稳定性），
• 建议材料（黄铜和铜，铁磁材料显示非线性特征），
• 清洁度（污垢或水分污染），
• 电缆注意事项(电缆的质量和坚固性)，
• 机械稳健性（由于风和振动而弯曲），
• 电热诱导PIM(由于电导随温度变化而变化，响应非恒定包络的射频信号耗散的时变功率)。

宽温度变化，盐空气/污染空气或过度振动的环境往往会加剧PIM。虽然可以使用相同的PIM测量技术作为设计PIM，但是在性能和​​可靠性方面，组装PIM的存在可以被认为是系统劣化的指示。如果未解析，导致PIM的弱点可以继续升级，直到发生完整的传输路径故障。使用PIM取消组装PIM的方法可能被认为是掩蔽问题，而不是解决它。

在这种情况下，预计用户不希望取消PIM，而是希望通知其存在，目的是纠正其根本原因。消除来自于首先确定PIM在系统中的何处被引入，然后修理或替换该特定的元件。

然而，我们可以认为设计PIM是可量化的和稳定的，装配PIM，如前所述，是不稳定的。它可能存在于一组非常狭窄的条件下，它的振幅变化可以超过100分贝。一次脱机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。

天线外(生锈螺栓)

PIM不限于有线传输路径，但也可能发生在天线之外。效果也称为生锈的螺栓PIM。在这种情况下，在信号使发射器天线留下反射到接收器中的所得的互调后，发生被动互调。术语生锈螺栓来自许多情况，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，谷仓或甚至排水管。

由金属物体引起的反射是可以预料的。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。这种互调的发生与有线信号通路中发生的一样，即位于两种不同金属或不同材料的连接处。电磁波产生混合并再辐射的表面电流(见图7)。再辐射信号的振幅通常很低。然而，如果辐射元件(生锈的栅栏、谷仓或落水管)靠近基站的接收机，如果其互调产品在接收频带内，结果将是接收机脱敏。

图7.超出天线或生锈的螺栓PIM。

在某些情况下，PIM源的检测可以通过天线定位来实现:当天线位置改变时，PIM水平被监视。在其他情况下，时延估计也可以用来定位源。如果PIM级别是静态的，那么可以使用标准算法取消技术来补偿PIM。然而，在许多情况下，振动、风和机械运动可以调节PIM的贡献，使取消挑战更加困难。

PIM检测：定位PIM的来源

线条扫地

可以实现各种扫线技术。线路扫频测量传输系统在感兴趣的频带内的信号损耗和反射。不能假定扫线总是能准确地指出PIM的可能原因。线路扫描更多地被认为是一种诊断工具，有助于识别输电线路路径上的问题。早期的装配问题可以表现为PIM;如果不解决，这些装配问题可能升级为更严重的输电线路故障。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，并且都可以在特定的频带内变化很大。回波损耗是衡量天线系统功率传输效率的指标。至关重要的是，最小的功率反射回发射机。 Any reflected power can distort the transmitted signal and, when powerful enough, cause damage to the transmitter. A return loss figure of 20 dB indicates that 1% of the transmitted signal is being reflected back to the transmitter and 99% is reaching the antenna—this is generally considered good performance. A return loss of 10 dB indicates that 10% of the signal is being reflected and should be considered poor. If the return loss measured 0 dB, 100% of the power would be reflected, and this would likely be the result of an open or short circuit.

时域反射

高级TDR技术可用于首先提供最佳系统的参考图和第二用于确定沿传输路径损伤的何处开始发生。这种技术可以允许操作者定位PIM的来源并进行有针对性和有效的维修。传输线映射还可以提醒运营商在开始对性能产生重大影响之前提前失败的迹象。时域反射区（TDR）测量由通过传输线路行进的信号产生的反射。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TDR测量块设置如图8所示。

图8. TDR安装框图。

图9提供了TDR传输线映射的示例。

图9. TDR映射传播线。

频域反射

虽然TDR和FDR都依赖于发送刺激的原理，但在传输线上分析反射，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DC脉冲。FDR也比TDR更敏感，并且可以以更高的精度定位系统性能的故障或降级。频域反射区原理涉及源信号的向量添加，其中来自传输线内的故障和其他反射特性的反射信号。虽然TDR使用非常短的直流脉冲，但固有地覆盖非常大的带宽作为刺激，但FDR Shept RF信号实际上可以以特定的感兴趣的频率运行（通常在系统预期运行的范围内）。

图10. FDR原理，扫描频率回报损耗与距离。

到PIM的距离

重要的是要注意，在线扫描可以指示阻抗不匹配，因此，传输线PIM，PIM和传输线阻抗不匹配可以相互排斥。PIM非线性可能发生在线扫描结果不表示任何传输线路问题的点。因此，每当要提供不仅指示PIM的存在的解决方案时，需要提供更复杂的实现，但也允许它们允许它们沿着传输线路出现的传输线路路径来识别。

综合PIM线路测试的工作模式类似于设计PIM消除所描述的模式，除了算法检查互调产品的时延估计的情况。应该注意的是，在这些实例中，优先级不是取消PIM工件，而是确定沿传输路径发生互调的位置。这个概念也称为到PIM的距离(DTP)。例如，在双音测试中:

语气1:

音调2：

w₁和W.₂频率;0₁和0.₂是初始阶段;T.₀是初始时间。IMD(例如下边)将是:

许多现有的解决方案要求用户断开传输路径并插入一个PIM标准(PIM标准是已知生成固定数量的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沿发射机路径的特定位置/距离具有已知相位。图11(a)提供了一个概述。IMD阶段0₃₂，如图11所示，用作对位置零的参考。

图11.到PIM的距离。

初始标定完成后，系统进行重建，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可以用来计算到PIM的距离。

其中D为到PIM的距离，S为波的传播速度(与传播介质有关)。

装配和生锈的螺栓PIM可以缓慢和增量过程;基站可以在初始安装之后有效地工作，但随着时间的推移，这些类型的PIM现象可能开始变得更加明显。由于PIM的水平可能受到振动或风的环境问题，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，也可以被视为屏蔽更严重的问题，即可能是未解决的，导致总系统故障。在这种情况下，运营商将避免总系统的成本拆除，而是有效地定位PIM贡献者并更换它。

与PIM (DTP)的距离也为基站运营商提供了跟踪系统退化的可能性，并提前指出可能出现的问题。该知识允许在计划维护期间替换弱点，从而避免昂贵的系统停机和专门的维修工作。

结论

被动互调并不是什么新鲜事。这是一个已经存在多年的现象，也已经被理解了一段时间。最近，游戏行业发生了两种明显的变化，使其重新成为人们关注的焦点:

首先，先进的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。虽然以前无线电设计者必须选择满足特定PIM性能要求的组件，但在PIM取消算法的帮助下，他们现在获得了一个新的自由度。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，但以更低的成本和更小的硬件组件。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性增长，我们看到了由特定系统设置引起的一系列全新挑战，比如共享天线。算法消去依赖于对原始传输信号的了解。在发射塔空间较大的情况下，不同的发射机可能共用一个天线，这使得不必要的PIM效应很可能存在。在这种情况下，算法可能具有发射机路径的某些部分的知识，并可能有效地工作。在传输路径并非所有部分都已知的情况下，第一代先进PIM消去算法的性能或实现可能受到限制。

由于基站装置的挑战继续增长，因此可以预期PIM检测和取消算法，以便在短期内为无线电设计人员提供大量的收益和优势，但需要开发工作以跟上未来的挑战。

本文最初发表于模拟对话。您可以查看更多技术文章在他们的网站上。

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