基站中的無源交調(diào)(PIM)效應(yīng)

作者 / Frank Kearney Steven Chen ADI公司

摘要：本文介紹了基站中的無源交調(diào)效應(yīng)，以及針對(duì)這一效應(yīng)的影響和解決方案。

1 引言

　　有源器件會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生非線性效應(yīng)。對(duì)此，人們已開發(fā)出多種技術(shù)來改善此類器件在設(shè)計(jì)和運(yùn)行階段的性能。容易忽視的是，無源器件也可能引入非線性效應(yīng)，雖然有時(shí)相對(duì)較小，但若不加以校正，這些非線性效應(yīng)可能會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。

　　PIM(無源交調(diào))是指兩個(gè)或更多信號(hào)通過一個(gè)具有非線性特性的無源器件傳輸時(shí)產(chǎn)生的交調(diào)產(chǎn)物。機(jī)械連接部分的相互作用一般會(huì)引起非線性效應(yīng)，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、老化的天線等。

　　PIM在蜂窩通信行業(yè)是一個(gè)重大問題，而且非常難排解。在蜂窩通信系統(tǒng)中，PIM可能引起干擾，降低接收機(jī)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(jī)。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(tǒng)發(fā)射信號(hào)，則其交調(diào)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(jī)。此外，位于2020MHz的交調(diào)可能影響其他系統(tǒng)。

　　隨著頻譜變得越來越擁擠，并且天線共享方案變得越來越普遍，不同載波的交調(diào)產(chǎn)生PIM的可能性也在增加。利用頻率規(guī)劃避免PIM的傳統(tǒng)方法變得越來越不可行。除此以外，CDMA/OFDM等新型數(shù)字調(diào)制方案的采用意味著通信系統(tǒng)的峰值功率也在提高，使PIM問題“雪上加霜”。

　　對(duì)服務(wù)提供商和設(shè)備供應(yīng)商而言，PIM是一個(gè)突出的問題。檢測(cè)并盡可能解決該問題，可提高系統(tǒng)可靠性并降低運(yùn)行成本。

2 PIM分類

　　初步調(diào)查顯示，PIM可分為以下三類：設(shè)計(jì)引入PIM、裝配PIM和銹體PIM。

2.1 設(shè)計(jì)引入PIM

　　某些無源器件與其傳輸線路一起會(huì)產(chǎn)生PIM，因此，當(dāng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，開發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)根據(jù)器件制造商給出的規(guī)格，選擇PIM最小或處于可接受水平的無源元件。環(huán)行器、雙工器和開關(guān)特別容易產(chǎn)生PIM效應(yīng)。設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)人員真的選擇性能較低的器件，則相應(yīng)的較高水平交調(diào)可能會(huì)落回到接收機(jī)頻段內(nèi)，導(dǎo)致接收機(jī)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(dǎo)致接收機(jī)降敏那樣令人關(guān)注。在小型蜂窩無線電設(shè)計(jì)中，此問題尤其重要。ADI公司目前正在研發(fā)可從接收信號(hào)中檢測(cè)、模擬、消除(抵消)雙工器等靜態(tài)無源元件PIM的技術(shù)(如圖3)。

　　該算法之所以有效，是因?yàn)樗獣暂d波信息，并且可以使用接收機(jī)相關(guān)性來確定交調(diào)偽像，然后從收到的信號(hào)中消除。

　　當(dāng)不再能利用相關(guān)性確定交調(diào)偽像時(shí)，該算法的局限性便開始浮現(xiàn)。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(jī)共享一根天線。如果假設(shè)每條路徑的基帶處理是彼此獨(dú)立的，那么算法便不太可能知曉二者信息，因此，接收機(jī)執(zhí)行的相關(guān)性和抵消處理會(huì)受限。

2.1.1 PIM挑戰(zhàn)的復(fù)雜性

　　站點(diǎn)訪問和成本給服務(wù)提供商帶來了挑戰(zhàn)，我們開始發(fā)現(xiàn)越來越多的事例存在不同發(fā)射機(jī)共享單根寬帶天線。其架構(gòu)可以是各種頻段和格式的混合：TDD + FDD;TDD：F + A + D，F(xiàn)DD：B3等。圖5顯示了這種配置的概貌。在這個(gè)例子中，客戶試圖實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜但現(xiàn)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(hào)匯合起來，共享單根天線。Tx1和Tx2信號(hào)之間的PIM發(fā)生在合并器的路徑中、到天線的傳輸線路中和天線本身。所得的交調(diào)偽像落回到FDD接收機(jī)頻段Rx2。

　　圖6所示為對(duì)一個(gè)雙頻系統(tǒng)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(nèi)部)落到另一個(gè)接收機(jī)頻段內(nèi)的交調(diào)偽像。

2.2 裝配PIM

　　我們把第二類PIM稱為裝配PIM。雖然系統(tǒng)在安裝后可以令人滿意地運(yùn)作，但經(jīng)過一段時(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(hào)路徑中的無源元件(連接器、電纜、電纜組件、波導(dǎo)組件和元器件等)通常會(huì)開始表現(xiàn)出非線性行為。事實(shí)上，某些主要的PIM現(xiàn)象就是由連接器、連接甚至天線本身的饋線引起的。所產(chǎn)生的影響可能與上面討論的設(shè)計(jì)引入PIM相似，因此，可以使用同樣的PIM測(cè)量理論，該理論專門用于尋找無源交調(diào)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(jī)械穩(wěn)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(jī)械魯棒性(風(fēng)和振動(dòng)引起撓曲)和電熱感應(yīng)PIM(原因是非恒定包絡(luò)的RF信號(hào)消耗的功率隨時(shí)間而變化，引起溫度改變，進(jìn)而導(dǎo)致電導(dǎo)率發(fā)生變化)。