作者：Frank Kearney and Steven Chen

眾所周知，有源元件會在系統(tǒng)中產生非線性。已經開發(fā)了各種技術來提高此類設備在設計和操作階段的性能。很容易忽視無源器件也會引入非線性效應;雖然有時相對較小，但如果不加以糾正，這些非線性會對系統(tǒng)性能產生嚴重影響。

PIM 代表“無源互調”。它表示當兩個或多個信號通過具有非線性特性的無源器件時產生的互調產物。機械部件的相互作用通常會導致非線性元素。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。

無源互調是蜂窩行業(yè)中的一個重大問題，并且極難進行故障排除。在小區(qū)通信系統(tǒng)中，PIM會產生干擾，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的兩個發(fā)射載波通過PIM從基站系統(tǒng)發(fā)射，則它們的互調將導致1900 MHz的分量落入接收頻段。這將影響接收器。此外，2020 MHz的互調項目可能會影響其他系統(tǒng)。

圖1.無源互調，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產生PIM的可能性也相應增加。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問題的嚴重性。

PIM已被強調為服務提供商和設備供應商面臨的一個嚴重問題。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。

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計 PIM、裝配 PIM 和生銹螺栓 PIM。

設計 PIM

已知某些無源元件與其傳輸線相結合，會導致無源互調。因此，在設計系統(tǒng)時，開發(fā)團隊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、雙工器和開關特別容易產生這種影響。設計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來接受更高水平的無源互調。

圖2.組件設計權衡、尺寸、功耗、抑制和 PIM 性能。

如果設計人員確實選擇使用性能較低的組件，則由此產生的較高交調水平可能會回落到接收器的頻帶內，從而導致其脫敏。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憂。這個問題在小型蜂窩無線電設計中尤為重要。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，是因為它了解載波，并且可以在從接收信號中減去交調偽影之前，使用接收器的相關性來確定交調偽影。

當相關性不能再用于確定互調偽影時，算法的限制開始顯現(xiàn)。圖 4 提供了這方面的一個示例。在這種情況下，兩個獨立的發(fā)射器共享同一天線。如果我們假設每條路徑的基帶處理都獨立于另一條路徑，那么該算法不太可能同時了解兩者，因此，它可以在接收器上執(zhí)行的相關/消除受到限制。

圖4.多個源共享同一天線。

復雜性增加了 PIM 挑戰(zhàn)

隨著站點訪問和成本對服務提供商構成挑戰(zhàn)，我們開始看到越來越多的實例，其中單獨的發(fā)射器共享一個寬帶天線。架構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，客戶正在實施復雜但真實的配置;一個分支是 TDD雙頻，另一個是FDD單頻，采用雙工器。信號被組合并共享一個天線。Tx1 和 Tx2 信號之間的交調在從合路器的路徑、傳輸?shù)教炀€的傳輸線以及天線本身中被動發(fā)生。由此產生的交調偽影回落在F的頻帶內DD接收器，Rx2。

圖5.FDD/TDD單天線實現(xiàn)。

圖6顯示了雙頻系統(tǒng)的實際分析。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制偽影。在這種情況下，重點是來自一個頻段（內部）的交調偽像落在另一個頻段的接收頻段內。

圖6.多頻段 PIM 問題。

裝配 PIM

PIM 的第二個分類是我們可以稱之為匯編 PIM。雖然系統(tǒng)在安裝時可能運行良好，但由于天氣或初始安裝不良，性能通常會隨著時間的推移而下降。發(fā)生這種情況時，信號路徑的無源元件（即連接器、電纜、電纜組件、波導組件和組件）通常會開始表現(xiàn)出非線性行為。事實上，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計 PIM 的效果。因此，可以使用相同的PIM測量理論，專門尋找無源互調產物的存在。

裝配 PIM 的典型貢獻者是：

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（電纜的質量和堅固性），

機械堅固性（由于風和振動而彎曲），

電熱感應PIM（由于電導隨溫度變化而變化，以響應具有非恒定包絡的RF信號耗散的時變功率）。

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。雖然可以使用與設計PIM相同的PIM測量技術，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。如果不解決，導致 PIM 的弱點可能會繼續(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，預計用戶不會希望取消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，然后修復或更換該特定元件。

雖然我們可以認為設計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，無源交調發(fā)生在信號離開發(fā)射器天線之后，產生的交調反射回接收器。術語生銹螺栓來自這樣一個事實，即在許多情況下，互調源可以是生銹的金屬物體，例如網狀柵欄、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，而且還產生和輻射互調偽影。互調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，并且其交調產物落在接收頻帶內，則結果將是接收器脫敏。

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現(xiàn)：在改變天線位置的同時監(jiān)控PIM電平。在其他情況下，時間延遲估計也可用于定位源。如果 PIM 電平是靜態(tài)的，則可以使用標準算法消除技術來補償 PIM。然而，在許多情況下，振動、風和機械運動會調節(jié)PIM的貢獻，使消除挑戰(zhàn)更加困難。

PIM 檢測：查找 PIM 源

掃線

可以實現(xiàn)各種掃線技術。線路掃描測量傳輸系統(tǒng)內目標頻段上的信號損耗和反射。不能假設掃線總是能準確地指示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重的傳輸線故障。線路掃描通常分為兩個基本測試：回波損耗和插入損耗。兩者都非常依賴于頻率，并且在指定頻段內都可以有很大差異。回波損耗測量天線系統(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妫敼β首銐虼髸r，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%的信號到達天線，這通常被認為是良好的性能。10 dB的回波損耗表示10%的信號被反射，應視為較差。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果。

時域反射

先進的TDR技術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。這種技術可以使操作員找到PIM的來源并進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生重大影響之前提醒操作員注意故障的早期跡象。時域反射計（TDR）測量信號通過傳輸線產生的反射。TDR儀器通過介質發(fā)送脈沖，并將來自未知傳輸環(huán)境的反射與標準阻抗產生的反射進行比較。簡化的TDR測量模塊設置如圖8所示。

圖8.TDR 設置框圖。

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，但這兩種技術的實現(xiàn)非常不同。FDR 技術使用 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。頻域反射計原理涉及將源信號與來自傳輸線內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信號實際上可以在特定的目標頻率下運行（通常在系統(tǒng)預期工作的范圍內）。

圖 10.FDR原理，掃描頻率回波損耗與距離的關系。

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)生在線路掃描結果未指示任何傳輸線問題的點。因此，每當要為用戶提供解決方案時，都需要更復雜的實現(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線路測試的運行模式與設計PIM消除的模式類似，但算法檢查互調產物的時間延遲估計的情況除外。應該注意的是，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 1：

音調 2：

w1和 w2是頻率;01和 02是初始階段;t0是初始時間。

IMD（例如，下側）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標準（PIM標準是已知產生固定量PIM的設備，用于校準測試設備）。PIM標準的使用為用戶提供了一個參考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)行初始校準后，重建系統(tǒng)并進行系統(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）。

裝配和生銹的螺栓PIM可能是緩慢和漸進的過程;基站可能在初始安裝后高效工作，但隨著時間的推移，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等環(huán)境問題的影響，因此PIM的性質和特性可能是動態(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重的問題，如果不解決，可能會導致整個系統(tǒng)故障。在這種情況下，運營商將希望避免整個系統(tǒng)拆卸的成本，而是有效地找到PIM貢獻者并更換它。

PIM距離（DTP）技術還為基站運營商提供了跟蹤其系統(tǒng)隨時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期間更換薄弱環(huán)節(jié)，從而避免代價高昂的系統(tǒng)停機時間和專門的維修工作。

結論

無源互調并不是什么新鮮事。這是一種已經存在多年的現(xiàn)象，并且已經理解了一段時間。最近，該行業(yè)的兩個明顯變化使其重新成為人們關注的焦點：

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?shù)那闆r下對其進行補償。以前，無線電設計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的情況下，各種發(fā)射器可能共享一個天線，因此很可能存在不需要的PIM效應。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消除算法的性能或實現(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為無線電設計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