基站中的無(wú)源交調(PIM)效應

作者 / Frank Kearney Steven Chen ADI公司

摘要：本文介紹了基站中的無(wú)源交調效應，以及針對這一效應的影響和解決方案。

1 引言

　　有源器件會(huì )在系統中產(chǎn)生非線(xiàn)性效應。對此，人們已開(kāi)發(fā)出多種技術(shù)來(lái)改善此類(lèi)器件在設計和運行階段的性能。容易忽視的是，無(wú)源器件也可能引入非線(xiàn)性效應，雖然有時(shí)相對較小，但若不加以校正，這些非線(xiàn)性效應可能會(huì )嚴重影響系統性能。

　　PIM(無(wú)源交調)是指兩個(gè)或更多信號通過(guò)一個(gè)具有非線(xiàn)性特性的無(wú)源器件傳輸時(shí)產(chǎn)生的交調產(chǎn)物。機械連接部分的相互作用一般會(huì )引起非線(xiàn)性效應，這在兩種不同金屬的接合處尤為明顯。例如，松動(dòng)的電纜連接、不干凈的連接器、性能糟糕的雙工器、老化的天線(xiàn)等。

　　PIM在蜂窩通信行業(yè)是一個(gè)重大問(wèn)題，而且非常難排解。在蜂窩通信系統中，PIM可能引起干擾，降低接收機靈敏度，甚至完全阻塞通信。這種干擾可能影響產(chǎn)生它的蜂窩及附近的其他接收機。例如，在LTE頻段2中，下行鏈路范圍是1930MHz至1990MHz，上行鏈路范圍是1850 MHz至1910MHz。若有兩個(gè)分別位于1940MHz和1980MHz的發(fā)射載波從具有PIM的基站系統發(fā)射信號，則其交調會(huì )產(chǎn)生一個(gè)位于1900MHz的分量，該分量落入了接收頻段，這會(huì )影響接收機。此外，位于2020MHz的交調可能影響其他系統。

　　隨著(zhù)頻譜變得越來(lái)越擁擠，并且天線(xiàn)共享方案變得越來(lái)越普遍，不同載波的交調產(chǎn)生PIM的可能性也在增加。利用頻率規劃避免PIM的傳統方法變得越來(lái)越不可行。除此以外，CDMA/OFDM等新型數字調制方案的采用意味著(zhù)通信系統的峰值功率也在提高，使PIM問(wèn)題“雪上加霜”。

　　對服務(wù)提供商和設備供應商而言，PIM是一個(gè)突出的問(wèn)題。檢測并盡可能解決該問(wèn)題，可提高系統可靠性并降低運行成本。

2 PIM分類(lèi)

　　初步調查顯示，PIM可分為以下三類(lèi)：設計引入PIM、裝配PIM和銹體PIM。

2.1 設計引入PIM

　　某些無(wú)源器件與其傳輸線(xiàn)路一起會(huì )產(chǎn)生PIM，因此，當設計系統時(shí)，開(kāi)發(fā)團隊應根據器件制造商給出的規格，選擇PIM最小或處于可接受水平的無(wú)源元件。環(huán)行器、雙工器和開(kāi)關(guān)特別容易產(chǎn)生PIM效應。設計人員若能接受較高水平的PIM，就可以選擇成本較低、尺寸較小和性能較低的器件。

　　如果設計人員真的選擇性能較低的器件，則相應的較高水平交調可能會(huì )落回到接收機頻段內，導致接收機降敏。而在這種情況下，不良頻譜輻射或功率效率損失可能不如PIM導致接收機降敏那樣令人關(guān)注。在小型蜂窩無(wú)線(xiàn)電設計中，此問(wèn)題尤其重要。ADI公司目前正在研發(fā)可從接收信號中檢測、模擬、消除(抵消)雙工器等靜態(tài)無(wú)源元件PIM的技術(shù)(如圖3)。

　　該算法之所以有效，是因為它知曉載波信息，并且可以使用接收機相關(guān)性來(lái)確定交調偽像，然后從收到的信號中消除。

　　當不再能利用相關(guān)性確定交調偽像時(shí)，該算法的局限性便開(kāi)始浮現。圖4顯示了一個(gè)實(shí)例，在該例中，兩個(gè)不同的發(fā)射機共享一根天線(xiàn)。如果假設每條路徑的基帶處理是彼此獨立的，那么算法便不太可能知曉二者信息，因此，接收機執行的相關(guān)性和抵消處理會(huì )受限。

2.1.1 PIM挑戰的復雜性

　　站點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)和成本給服務(wù)提供商帶來(lái)了挑戰，我們開(kāi)始發(fā)現越來(lái)越多的事例存在不同發(fā)射機共享單根寬帶天線(xiàn)。其架構可以是各種頻段和格式的混合：TDD + FDD;TDD：F + A + D，FDD：B3等。圖5顯示了這種配置的概貌。在這個(gè)例子中，客戶(hù)試圖實(shí)現一個(gè)復雜但現實(shí)的配置。一個(gè)分支是TDD雙頻，另一分支是FDD單頻，采用一個(gè)雙工器。信號匯合起來(lái)，共享單根天線(xiàn)。Tx1和Tx2信號之間的PIM發(fā)生在合并器的路徑中、到天線(xiàn)的傳輸線(xiàn)路中和天線(xiàn)本身。所得的交調偽像落回到FDD接收機頻段Rx2。

　　圖6所示為對一個(gè)雙頻系統的實(shí)際分析。在這個(gè)例子中，我們需要考慮三階以上的PIM偽像。這種情況下，重點(diǎn)關(guān)注從一個(gè)頻段(內部)落到另一個(gè)接收機頻段內的交調偽像。

2.2 裝配PIM

　　我們把第二類(lèi)PIM稱(chēng)為裝配PIM。雖然系統在安裝后可以令人滿(mǎn)意地運作，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，由于天氣或初次安裝質(zhì)量糟糕，其性能常常會(huì )下降。發(fā)生這種情況時(shí)，信號路徑中的無(wú)源元件(連接器、電纜、電纜組件、波導組件和元器件等)通常會(huì )開(kāi)始表現出非線(xiàn)性行為。事實(shí)上，某些主要的PIM現象就是由連接器、連接甚至天線(xiàn)本身的饋線(xiàn)引起的。所產(chǎn)生的影響可能與上面討論的設計引入PIM相似，因此，可以使用同樣的PIM測量理論，該理論專(zhuān)門(mén)用于尋找無(wú)源交調產(chǎn)物的存在。

　　引起裝配PIM的典型因素有連接器適配接口(通常是N型或DIN7/16)和電纜附件(電纜/連接器接合的機械穩定性)。其中，電纜附件包括材料(建議使用黃銅和銅，鐵磁材料有非線(xiàn)性特性)、清潔度(塵土污染或水汽)、電纜因素(電纜的質(zhì)量和魯棒性)、機械魯棒性(風(fēng)和振動(dòng)引起撓曲)和電熱感應PIM(原因是非恒定包絡(luò )的RF信號消耗的功率隨時(shí)間而變化，引起溫度改變，進(jìn)而導致電導率發(fā)生變化)。