基站中的無源交調(diào)(PIM)效應
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，以及針對這一效應的影響和解決方案。
1 引言
有源器件會在系統(tǒng)中產(chǎn)生非線性效應。對此，人們已開發(fā)出多種技術(shù)來改善此類器件在設計和運行階段的性能。容易忽視的是，無源器件也可能引入非線性效應，雖然有時相對較小，但若不加以校正，這些非線性效應可能會嚴重影響系統(tǒng)性能。
PIM(無源交調(diào))是指兩個或更多信號通過一個具有非線性特性的無源器件傳輸時產(chǎn)生的交調(diào)產(chǎn)物。機械連接部分的相互作用一般會引起非線性效應，這在兩種不同金屬的接合處尤為明顯。例如，松動的電纜連接、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，則其交調(diào)會產(chǎn)生一個位于1900MHz的分量，該分量落入了接收頻段，這會影響接收機。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”。
對服務提供商和設備供應商而言，PIM是一個突出的問題。檢測并盡可能解決該問題，可提高系統(tǒng)可靠性并降低運行成本。
2 PIM分類
初步調(diào)查顯示，PIM可分為以下三類：設計引入PIM、裝配PIM和銹體PIM。
2.1 設計引入PIM
某些無源器件與其傳輸線路一起會產(chǎn)生PIM，因此，當設計系統(tǒng)時，開發(fā)團隊應根據(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。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(diào)可能會落回到接收機頻段內(nèi)，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。在小型蜂窩無線電設計中，此問題尤其重要。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)性來確定交調(diào)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(diào)偽像時，該算法的局限性便開始浮現(xiàn)。圖4顯示了一個實例，在該例中，兩個不同的發(fā)射機共享一根天線。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(zhí)行的相關(guān)性和抵消處理會受限。
2.1.1 PIM挑戰(zhàn)的復雜性
站點訪問和成本給服務提供商帶來了挑戰(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。在這個例子中，客戶試圖實現(xiàn)一個復雜但現(xiàn)實的配置。一個分支是TDD雙頻，另一分支是FDD單頻，采用一個雙工器。信號匯合起來，共享單根天線。Tx1和Tx2信號之間的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接收機頻段Rx2。
圖6所示為對一個雙頻系統(tǒng)的實際分析。在這個例子中，我們需要考慮三階以上的PIM偽像。這種情況下，重點關(guān)注從一個頻段(內(nèi)部)落到另一個接收機頻段內(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作，但經(jīng)過一段時間后，由于天氣或初次安裝質(zhì)量糟糕，其性能常常會下降。發(fā)生這種情況時，信號路徑中的無源元件(連接器、電纜、電纜組件、波導組件和元器件等)通常會開始表現(xiàn)出非線性行為。事實上，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計引入PIM相似，因此，可以使用同樣的PIM測量理論，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)、機械魯棒性(風和振動引起撓曲)和電熱感應PIM(原因是非恒定包絡的RF信號消耗的功率隨時間而變化，引起溫度改變，進而導致電導率發(fā)生變化)。
