基站中的無源交調(diào)(PIM)效應(yīng)

　　溫度變化大、空氣帶有鹽分/受污染或存在過大振動的環(huán)境往往會加重PIM問題。雖然可以使用與針對設(shè)計引入PIM相同的PIM測量技術(shù)，但可以認(rèn)為，裝配PIM的存在表明系統(tǒng)的性能和可靠性均有所降低。若不加以解決，引起PIM的缺陷因素可能會變本加厲，直至整個傳輸路徑發(fā)生故障。對裝配PIM采用PIM抵消方法更像是掩蓋問題而非解決問題。

　　因此，此類情況下，用戶可能并不希望抵消PIM，而是希望得知PIM的存在，以便消除根本原因。為此，首先需要確定PIM是從系統(tǒng)何處引入的，然后修理或更換特定元件。

　　我們可以認(rèn)為設(shè)計引入PIM是可量化且穩(wěn)定的，但上面所述的裝配PIM是不穩(wěn)定的。它可能存在于一組范圍非常窄的條件下，其幅度變化可能超過100 dB。單次離線掃描可能無法捕捉到此類事例;理想情況下，傳輸線路診斷需要與PIM事件協(xié)同進行。

2.3 天線之外的PIM(銹體PIM)

　　PIM并不局限于有線傳輸路徑，也可能發(fā)生在天線之外。該效應(yīng)也被稱為“銹體PIM”。這種情況下，無源交調(diào)發(fā)生在信號離開發(fā)射機天線之后，所產(chǎn)生的交調(diào)反射回接收機中。“銹體”這一說法來源于這樣一個事實：很多情況下，交調(diào)源可能是生銹的金屬物件，例如鐵絲網(wǎng)、倉庫或排水管。

　　金屬物件會引起反射。但在這些情況下，金屬物件不僅會反射收到的信號，而且會產(chǎn)生并輻射交調(diào)偽像。交調(diào)的發(fā)生同在有線信號路徑中一樣，即發(fā)生在兩種不同金屬或異質(zhì)材料的接合處。電磁波產(chǎn)生的表面電流會混合并再輻射(參見圖7)。再輻射信號的幅度一般非常低。然而，如果輻射物件(生銹鐵絲網(wǎng)、倉庫或下水管等)靠近基站接收機，而且交調(diào)產(chǎn)物落在接收機頻段內(nèi)，將造成接收機降敏。

　　某些情況下，PIM源可通過天線定位來檢測：一邊改變天線位置，一邊監(jiān)測PIM水平。此外，也可以利用時間延遲估計來定位PIM源。如果PIM水平穩(wěn)定，則可以利用標(biāo)準(zhǔn)算法抵消技術(shù)來補償PIM。但更多情況下，PIM貢獻受到振動、風(fēng)和機械運動的影響，使得抵消非常難以進行。

3 PIM檢測：定位PIM源

3.1 線路掃描

　　可以實施多種線路掃描技術(shù)。線路掃描測量傳輸系統(tǒng)在目標(biāo)頻段上的信號損耗和反射。我們不能認(rèn)為線路掃描總是會精確指示PIM的可能原因。線路掃描更像是一種診斷工具，可幫助識別傳輸線路上的問題。早期裝配問題可能表現(xiàn)為PIM;若不加以解決，這些裝配問題可能會升級，引起更為嚴(yán)重的傳輸線路故障。線路掃描通常分為兩個基本測試：回波損耗和插入損耗。二者均與頻率有很大關(guān)系，且在指定頻段內(nèi)均可能變化很大?；夭〒p耗衡量天線系統(tǒng)的功率傳輸效率。務(wù)必使反射回到發(fā)射機的功率最小。任何反射功率都可能使發(fā)射信號失真;若反射回的功率足夠大，甚至?xí)p壞發(fā)射機。20 dB的回波損耗值表示1%的發(fā)射信號被反射回發(fā)射機，99%到達天線——通常認(rèn)為這是相當(dāng)好的性能。10 dB的回波損耗表示10%的信號被反射，表明性能不理想。如果回波損耗測量值為0 dB，則100%的功率被反射，這很可能是開路或短路導(dǎo)致的。

3.2 時域反射

　　可以利用高級TDR技術(shù)來提供一個最優(yōu)系統(tǒng)的參考映射，以及確定傳輸路徑上開始發(fā)生損耗的確切位置。通過這種技術(shù)，操作員可以定位PIM源，從而有針對性地、高效率地予以修復(fù)。傳輸線路映射還能提醒操作員注意一些早期故障跡象，防止其嚴(yán)重影響性能。時域發(fā)射法(TDR)測量信號經(jīng)過傳輸線路所產(chǎn)生的反射。TDR儀器讓一個脈沖通過介質(zhì)，然后將未知傳輸環(huán)境產(chǎn)生的反射與標(biāo)準(zhǔn)阻抗產(chǎn)生的反射進行比較。圖8顯示了一個簡化TDR測量設(shè)置框圖。

　　圖9顯示了一個TDR傳輸線路映射實例。

3.3 頻域反射

　　雖然TDR和FDR的工作原理均是沿著傳輸線路發(fā)送激勵信號并分析反射，但這兩種技術(shù)的實現(xiàn)方法非常不同。FDR技術(shù)采用RF信號掃描，而不是TDR所用的直流脈沖。另外，F(xiàn)DR要比TDR靈敏得多，能以更高的精度定位系統(tǒng)性能故障或降低的地方。頻域反射法原理涉及源信號和反射信號(來自傳輸線路中的故障和其他反射特性)的矢量相加。TDR采用非常短的直流脈沖作為激勵信號，其本身就能覆蓋非常寬的帶寬，而FDR掃描RF信號實際上是在特定目標(biāo)頻率(通常在系統(tǒng)的預(yù)期工作范圍內(nèi))運行。

3.4 PIM定位

　　必須注意，雖然線路掃描可以指示阻抗不匹配，從而指示傳輸線路PIM源，但PIM和傳輸線路阻抗不匹配可以是互斥的。PIM非線性可能出現(xiàn)在線路掃描結(jié)果未指示任何傳輸線路問題的地方。因此，若要給用戶提供一種解決方案，要求不僅能指示PIM存在，而且能準(zhǔn)確識別傳輸線路上何處發(fā)生該問題，就需要采用更復(fù)雜的實施方案。

　　綜合PIM線路測試的工作模式與針對設(shè)計引入PIM抵消所述的模式相似，不同之處是算法檢查交調(diào)產(chǎn)物時間延遲估計的情況不同。應(yīng)當(dāng)注意，這些情況中的優(yōu)先事項并非PIM偽像的抵消，而是定位傳輸線路上何處發(fā)生交調(diào)。該概念也被稱為“PIM定位”(DTP)。例如，在一個雙音測試中，

　　信號音1：

　　信號音2：

　　w1和w2為頻率; θ1和θ2為初始相位;t0為初始時間。

　　IMD(例如低端)將為：

　　很多現(xiàn)有解決方案要求用戶中斷傳輸路徑，插入一個PIM標(biāo)準(zhǔn)裝置(它能產(chǎn)生固定量的PIM，用來校準(zhǔn)測試設(shè)備)。使用PIM標(biāo)準(zhǔn)裝置可為用戶提供一個基準(zhǔn)IMD，它在傳輸路徑的特定位置/距離處并具有已知相位。圖11(a)顯示了概況。IMD相位θ32(如圖11所示)用作基準(zhǔn)位置0。

　　一旦完成初始校準(zhǔn)，便重構(gòu)系統(tǒng)并測量系統(tǒng)PIM，如圖11(b)所示。θ32和θ'32之間的相位差可用來計算到PIM的距離。

　　其中，D為到PIM的距離，S為波傳播速度(取決于傳輸介質(zhì))。

　　裝配和銹體PIM可能是一個慢速遞增的過程;完成安裝后初期，基站可以高效率工作，但經(jīng)過一段時間后，此類PIM現(xiàn)象可能會開始變得突出。振動或風(fēng)等環(huán)境因素可能會影響PIM水平，故PIM的性質(zhì)和特點是動態(tài)起伏不定的。掩蓋或抵消PIM不僅可能很困難，而且可能被認(rèn)為掩蓋了更為嚴(yán)重的問題，若不加以解決，可能引發(fā)整體系統(tǒng)故障。這種情況下，運營商會希望避免系統(tǒng)整體停機的相關(guān)成本，快速定位引起PIM的器件并予以更換。

　　PIM定位技術(shù)(DTP)還為基站運營商提供了這樣一種可能性：跟蹤系統(tǒng)性能隨時間而降低的情況，提前發(fā)現(xiàn)潛在問題。有了這些信息，便可在計劃維修期間更換薄弱點，避免代價巨大的系統(tǒng)停機和專門維修工作。

4 結(jié)論

　　PIM現(xiàn)象已經(jīng)存在多年，為人所知也有段時間了。近年來，業(yè)界的兩種不同變化又把它拉回人們的視野：

　　第一，高級算法現(xiàn)在可通過一種智能方式來檢測和定位PIM，并且能酌情予以補償。以前的無線電設(shè)計人員必須選擇能夠滿足特定PIM性能要求的器件，但在PIM抵消算法的幫助下，他們現(xiàn)在有了更大的選擇自由。他們能夠選擇企及更高的性能，或者用成本較低且尺寸較小的器件實現(xiàn)相同的性能水平。抵消算法通過數(shù)字化方式輔助硬件元件。

　　第二，隨著基站塔的密度和多樣性爆炸式增長，我們面臨著特殊系統(tǒng)設(shè)置(例如天線共享)帶來的全新挑戰(zhàn)。算法抵消取決于對主要傳輸信號的了解。在塔上空間寶貴的情況下，不同發(fā)射機可能共享單根天線，導(dǎo)致出現(xiàn)不良PIM效應(yīng)的可能性大大增加。這種情況下，算法可能知道發(fā)射機路徑某些部分的信息，并且可以有效工作。而在發(fā)射路徑某些部分信息未知的情況下，第一代高級PIM抵消算法的性能或?qū)崿F(xiàn)可能會受限。

　　隨著基站設(shè)備領(lǐng)域的挑戰(zhàn)難度不斷加大，PIM檢測和抵消算法在短期內(nèi)預(yù)計能給無線電設(shè)計人員帶來相當(dāng)大的好處和優(yōu)勢，但要求開發(fā)工作跟上未來挑戰(zhàn)的步伐。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第6期第25頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。