淺談PIM在基站中的影響

有些讀者私信我，對PIM相關知識比較感興趣，今天我就在文章里再具體講一下PIM對基站的影響。當然沒看過以前文章的讀者，也不影響對本篇文章的理解，因為在文章里我依然會對PIM相關的基礎知識做出解釋。

PIM（無源互調(diào)）應是每位工程師、技術人員和現(xiàn)場安裝人員高度重視的問題。為什么呢？因為它會對典型通信站點的質(zhì)量和性能造成極大的不良影響。良好的站點設計、良好的安裝實踐和良好的站點維護可以防止PIM成為一個影響所有人的重大問題。

在本文中，我們將探討與PIM相關的幾個主題，包括PIM的基本定義、對系統(tǒng)的影響、測量技術、實際產(chǎn)生原因以及緩解方法。

1、PIM的基礎知識

首先，我們需要理解什么是PIM。PIM是指在一個系統(tǒng)的非線性結點中，兩個或多個信號發(fā)生非期望的混合，從而產(chǎn)生額外的、不希望的諧波信號。這些信號可能出現(xiàn)在您自己的接收頻段內(nèi)，或者出現(xiàn)在同一站點上另一個運營商的接收頻段內(nèi)。

幸運的是，如果您知道兩個主要信號F1和F2的頻率，那么這些諧波信號的頻率就可以通過數(shù)學方法來確定。

信號的混合遵循以下預定順序：

1f1 ± 2f2 or 2f1 ± 1f2 = 3階產(chǎn)物

2f1 ± 3f2 or 3f1 ± 2f2 = 5階產(chǎn)物

3f1 ± 4f2 or 4f1 ± 3f2 = 7階產(chǎn)物

從上面的公式可以看出，階數(shù)等于f1的倍數(shù)加上f2的倍數(shù)，因此如所示，2f1 ± 3f2 表示的是五階（5th order）[如圖1所示]。

不同互調(diào)產(chǎn)物之間的間隔始終與兩個主要信號之間的間隔相同（f1到f2的間隔等于f1到2f1-f2的間隔），并且隨著信號階數(shù)的增加，幅度會減小。產(chǎn)物信號的幅度取決于輸入信號的幅度；輸入信號越高，產(chǎn)物（PIM）信號也越高。

圖1 雙音信號及交調(diào)產(chǎn)物示意圖

2、PIM對基站的影響

現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了PIM是什么，接下來需要更進一步，了解它如何影響系統(tǒng)。在單信道無線電系統(tǒng)的時代，PIM不會成為問題，因為需要多個信號才能產(chǎn)生PIM。然而，在當今的大多數(shù)無線電系統(tǒng)中，兩個或多個不同的載波不僅共享同一個站點，而且同時共享相同的電纜線路和天線系統(tǒng)，無論是在上行鏈路還是下行鏈路頻段。當下行鏈路信號在上行鏈路頻段產(chǎn)生PIM時，就會出現(xiàn)問題。這些信號本身雖然水平相對較低，但通常與站點從移動單元接收到的信號水平處于同一量級。

在站點，無線電接收器可能無法區(qū)分由PIM產(chǎn)生的不需要信號和來自移動設備的上行鏈路所需信號。此外，PIM會使站點的噪聲基底提高幾個分貝，并導致接收器靈敏度降低。這些問題是核心所在。這些影響會嚴重降低站點的性能，導致容量損失、掉話數(shù)量增加和數(shù)據(jù)錯誤率上升。

站點容量損失意味著在一個區(qū)域內(nèi)需要更多的基站來維持適當?shù)母采w范圍。掉話和服務質(zhì)量差可能導致用戶流失。

3、PIM在基站中的測量方法

PIM（無源互調(diào)）測量通常按照IEC標準62037-2進行。該標準規(guī)定應使用兩個20W（43dBm）的測試音，但測試音信號的頻率將取決于被測系統(tǒng)的具體情況。

如下圖所示的標準測試裝置包括兩個信號源（包括功率放大器和窄帶濾波器）、一個求和與定向耦合器模塊以及一個頻譜分析儀。低PIM負載和測試電纜是必需的附件。

測試過程是將每個信號源設置為特定頻率（如圖1所示的F1和F2）和功率等級（43dBm），將這兩個信號相加并施加到被測設備（Device Under Test，簡稱DUT）上，然后在頻譜分析儀上分析任何反射信號。

除了入射的F1和F2信號外，分析儀上出現(xiàn)的任何其他信號都是由無源互調(diào)（PIM）產(chǎn)生的[如圖2所示]。

圖2 PIM測量方法

PIM（無源互調(diào)）信號的強度以dBm為單位進行測量，并與參考源（載波）信號進行比較，以確定PIM值（以dBc為單位）[如圖3所示]。例如，如果載波（測試）信號的強度為43 dBm，而測得的PIM信號強度為-90 dBm，則PIM值定義為-133 dBc（即比載波低133 dB）。

圖3 PIM測試

IEC標準定義測試音電平的原因之一是，由于產(chǎn)生雜散信號的接點實際上是一個電流流受限的點，因此測試音功率電平越低，PIM（無源互調(diào)）就越低，因為通過該接點的電流就越少。反之亦然，載波電平越高，PIM就越高（越差）。這是PIM非線性特性的一部分。一個大致的規(guī)律是，載波功率每增加1dB，PIM噪聲就會增加2.5dB。

以圖3中的示例為例，如果測試音的電平僅為30 dBm，那么PIM（無源互調(diào)）的表現(xiàn)會看似好得多；測得的PIM信號可能低至-123 dBm，這表示PIM值為-153 dBc。因此，PIM性能規(guī)范必須包含對載波電平的引用，才具有實際意義。關于PIM測試，還有一點需要注意，即通常進行兩種類型的測試：一種是在被測設備（DUT）靜止時進行的測試，稱為靜態(tài)PIM測試；另一種是在被測設備移動時進行的測試，稱為動態(tài)PIM測試。

4、PIM產(chǎn)生的原因

到目前為止，我們已經(jīng)了解了PIM（無源互調(diào)）是什么，它的影響，以及量化該問題的方法。接下來，我們需要了解在典型基站中PIM產(chǎn)生的實際原因。我們將從現(xiàn)場安裝和制造問題兩個方面進行探討。

5、PIM的現(xiàn)場預防

大多數(shù)現(xiàn)場相關的PIM（無源互調(diào)）問題的真正元兇都與安裝和清潔度有關。為確保PIM性能良好，所有組件的安裝都必須正確無誤。正確安裝意味著所有連接都應施加正確的扭矩，并確保所有連接點沒有污染物?，F(xiàn)場的清潔度不僅限于傳輸線，現(xiàn)場的所有塔架和圍欄組件都應無腐蝕且維護得當。

確保良好PIM（無源互調(diào)）性能的首要任務是正確安裝連接器，這需要正確執(zhí)行多個步驟，并適當關注質(zhì)量細節(jié)。射頻（RF）連接器是精密設計和構造的組件，如果期望獲得良好的射頻性能，則應將其視為精密組件進行處理。

步驟1：正確準備電纜；使用定制的電纜準備工具或質(zhì)量良好的鋸子，確保電纜末端與電纜軸線垂直，切割平整。必須使用優(yōu)質(zhì)鋸子。合適的鋸片應未上漆，齒數(shù)多（建議每英寸32齒或更多），如果可能的話，應為直線型，即齒無偏移。高質(zhì)量的鋸片有助于確保導體不受損壞、變形或劃傷，并限制切割碎屑的數(shù)量。在切割時，盡可能將電纜末端朝下，以減少碎屑進入電纜芯部的量。

步驟2：必須清除所有金屬和泡沫碎屑。使用軟毛黃銅或尼龍刷子清除所有松散的切割碎屑。有時，額外使用膠帶可以去除刷子可能留下的最細小的碎屑。

步驟3：為連接器安裝正確準備擴口。使用刀具（或類似工具）將泡沫與外導體完全分離[如圖4所示]，并驗證泡沫是否圍繞中心導體對稱[如圖5所示]。

圖4 準備擴口

圖5 對稱泡沫

步驟4：將連接器安裝到準備好的電纜上，并按照制造商的扭矩規(guī)格擰緊連接器。如果連接器擰緊的扭矩值不正確，將不會表現(xiàn)出良好的PIM（無源互調(diào)）性能。

步驟5：安裝熱縮套管可以幫助穩(wěn)定電纜上的連接器，并且在某些情況下可以改善PIM性能[如圖6所示]。系統(tǒng)不同部分之間的所有互連也必須按照正確的規(guī)格擰緊，過緊或過松的互連都會損害性能。

圖6 熱縮套管安裝

6、基站組件的制造過程

表現(xiàn)出非線性性能的組件主要有三種基本類型：放大器、二極管以及含有鐵磁材料的器件。

幾乎所有可能在現(xiàn)場產(chǎn)生PIM（無源互調(diào)）的因素都屬于二極管類別（或者更具體地說，從電氣角度來看，表現(xiàn)出二極管特性的因素）。在傳輸系統(tǒng)中，屬于這一類別的最常見組件是天線、傳輸線和連接器。讓我們簡要地看一下這些組件的制造階段。

在天線中，PIM（無源互調(diào)）可能由多種因素引起。其中一些導致PIM的因素包括焊接不良、連接松動、不同金屬接合、接觸點過多以及相互接觸的金屬表面之間的氧化。防止天線中產(chǎn)生PIM的最佳方法是采用適當?shù)脑O計來處理接觸點的數(shù)量、材料和鍍層，以及采用處理焊接問題、連接松動和總裝問題的制造控制。

在傳輸線中，PIM的原因通常與三個具體問題相關。這些問題包括導體或泡沫中殘留的金屬碎片、焊接質(zhì)量差以及內(nèi)外導體之間的熱膨脹差異。因此，在制造的各個階段對內(nèi)外導體進行適當?shù)那鍧嵵陵P重要，因為這可以去除任何松動的金屬顆粒。在正確的氣體環(huán)境中進行精密焊接可以確保焊接質(zhì)量。適當控制粘合劑和導體波紋的尺寸可以限制導體相對于彼此移動所帶來的問題。

在連接器中，主要關注的是可能使用了不正確的材料（鐵磁材料）、表面鍍層是否適當，以及避免連接器在制造后出現(xiàn)松動的金屬碎屑。與傳輸線和天線一樣，防止連接器在安裝前產(chǎn)生PIM的最佳方法是對其進行適當?shù)脑O計（包括材料選擇）和制造質(zhì)量控制。

在放大器的情況下，主要通過適當?shù)脑O計和制造過程以及正確選擇功率水平來控制互調(diào)產(chǎn)物。

避免鐵磁效應主要是在設計特定組件（連接器、天線、浪涌保護器等）或整體站點組件選擇時正確選擇材料（非鐵金屬，即不含鐵的金屬）。

7、結論

本文探討了與PIM（無源互調(diào)）相關的問題、原因及解決方案。PIM可能對現(xiàn)代通信系統(tǒng)的正常運行造成巨大困擾，但其實本不必如此。通過正確選擇材料，并在整個站點設計和建設過程中遵循正確程序，可以控制PIM，從而消除其作為導致性能不佳的因素。