1. 摘要

 

在1999年，國際電聯(lián)技術(shù)委員會發(fā)布了一個應(yīng)用于射頻組件及系統(tǒng)中無源互調(diào)測試的62037標(biāo)準(zhǔn)，在未來12年中，無線技術(shù)將從以提供語音的2G系統(tǒng)發(fā)展到以高速數(shù)據(jù)為主的4G 系統(tǒng)。這些4 G系統(tǒng)需要新的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與寬帶調(diào)制方案,才能達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)容量的需求。本文綜述了IEX62037標(biāo)準(zhǔn)對系統(tǒng)組件，子系統(tǒng)及當(dāng)今電信基礎(chǔ)設(shè)施的適用性以及從技術(shù)方面解釋是否有必要將PIM 測試功率電平從20W 增加到40W。

 

PIM表示"無源交調(diào)"：它代表兩個或更多信號通過一個具非線性特性的無源器件傳輸時產(chǎn)生的交調(diào)產(chǎn)物。機(jī)械連接部分的相互作用一般會引起非線性效應(yīng)，這在兩種不同金屬的接合處尤為明顯。實例包括：松動的電纜連接、不干凈的連接器、性能糟糕的雙工器或老化的天線等。

 

無源交調(diào)在蜂窩通信行業(yè)是一個重大問題，而且非常難以排解。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)生它的蜂窩以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1930 MHz至1990 MHz，上行鏈路范圍是1850 MHz至1910 MHz。若有兩個分別位于1940 MHz和1980 MHz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1900 MHz的分量，該分量落入了接收頻段，這會影響接收機(jī)。此外，位于2020 MHz的交調(diào)可能影響其他系統(tǒng)。

 

無源交調(diào)，落到接收機(jī)頻段

 

某些無源器件與其傳輸線路一起會產(chǎn)生無源交調(diào)。因此，當(dāng)設(shè)計系統(tǒng)時，開發(fā)團(tuán)隊?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)計人員若能接受較高水平的無源交調(diào)，那么可以選擇成本較低、尺寸較小或性能較低的器件。

 

器件設(shè)計權(quán)衡：尺寸、功耗、抑制和PIM性能

 

2：為什么要進(jìn)行PIM 測試

 

當(dāng)兩個、或多個射頻信號在非線性交界處時，在射頻通道中會產(chǎn)生無源互調(diào)干擾。這些干擾信號與原始的射頻輸入信號相調(diào)制產(chǎn)生新的干擾信號，如果新的干擾信號落入網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的接收頻帶內(nèi)，抬升底噪會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)速率及服務(wù)質(zhì)量下降。PIM 多是由不一致的金屬接觸點在傳輸高強(qiáng)度電流時造成的，如傳輸線，射頻元件或外部系統(tǒng)中的主波束天線覆蓋區(qū)域。PIM 干擾源的常見來源如下：

 

1. 被污染或射頻表面氧化

2. 射頻連接頭扭曲

3. 射頻元件受到?jīng)_擊和振動導(dǎo)致內(nèi)部螺絲或鉚釘松動

4. 射頻連接器內(nèi)部的金屬薄片或元件碎屑

5. 因不當(dāng)工具或不正確的組裝程序造成射頻終端損壞。

6. 基站天線對著金屬板片或生銹的通風(fēng)管

 

 

無源互調(diào)測試是通過使用射頻傳輸信號和高度敏感的接收器來檢測和測量并發(fā)這些問題的所在。PIM 測試可以用來檢測射頻元件，子系統(tǒng)及移動網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能，可以識別出靠傳統(tǒng)方式如外觀檢查及參數(shù)測量不能發(fā)現(xiàn)的問題，如機(jī)械性能，材料，工藝等問題。

 

3：國際電聯(lián)技術(shù)管理委員會

 

在早期的商業(yè)電信中，很容易理解，根據(jù)其它通信系統(tǒng)和大多數(shù)特別是衛(wèi)星通信，因為 PIM 能產(chǎn)生干擾故影響其性能。認(rèn)識到這些問題以后，移動運(yùn)營商和零部件供應(yīng)商（生產(chǎn)天線，跳線，接頭，濾波器，避雷器等等）認(rèn)識到需找到低PIM 解決方案。但是，關(guān)于低PIM 指導(dǎo)方針的資料很少。

 

隨著議器的發(fā)展，世界各地的零部件制造商開始對其產(chǎn)品性能指定不同的或不一致的PIM參數(shù)，一些制造商只對實驗室的產(chǎn)品進(jìn)行互調(diào)測試就聲稱是低PIM 產(chǎn)品，其它廠商則是對不同的部件進(jìn)行了PIM 測試來核實是設(shè)計的問題還是組裝的問題。被認(rèn)證的高階PIM 產(chǎn)品，如IM5 或IM7 是根據(jù)最終用戶帶寬來操作的，最后，一些制造商指定最差PIM 要進(jìn)行動態(tài)測試，最好的PIM 值要進(jìn)行靜態(tài)測試。

此類任意或隨意的態(tài)度，使他們不可能對產(chǎn)品和性能進(jìn)行比較，為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，IEC 委員會46工作組6 創(chuàng)建了一個關(guān)于PIM 測試的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這個工作小組由設(shè)備制造廠商，零部件制造廠商，高校和國際標(biāo)準(zhǔn)組織組成。

 

4: 發(fā)展中推薦的測試標(biāo)準(zhǔn)

 

剛開始，在工作組中從學(xué)術(shù)，實用的或政治上進(jìn)行了很多爭論。這些爭論包括使用什么方式，多大功率，什么樣的互調(diào)產(chǎn)品需要測量，怎么樣重復(fù)測試及動態(tài)測試的意義和PIM 測試是或是必要的，因為只有高階互調(diào)會落在移動運(yùn)營商的接收頻帶內(nèi)。經(jīng)過大量的分析，試驗和討論，終于在1999 年IEC 制定并發(fā)布62037 標(biāo)準(zhǔn)。該規(guī)范對PIM測試定義了技術(shù)要求，在試驗裝置及一致性方面提供了建議。如下兩個主要原始規(guī)范：

 

• 移動通信系統(tǒng)PIM 測試應(yīng)使用同樣的功率電平2*20W三階IM 產(chǎn)品通常代表了最壞情況，因此測量設(shè)備IM3 的值。對于IEC-62307 的更新版本在2012 年5 月發(fā)布，更多的介紹了對天線，連接器，電纜，電纜組件，濾波器的測試。這個新版本包含了相同的基本建議及規(guī)范，測試IM3 使用2*20W測試標(biāo)準(zhǔn)并為PIM 測試添加了第三個關(guān)鍵需求：

 

• 被測設(shè)備應(yīng)該受到影響即進(jìn)行動態(tài)PIM 測試在1996 年，布拉德和里克哈特曼開發(fā)了操作簡單Summitek 議器（現(xiàn)在的凱鐳思）并為IEC 規(guī)范提供了完整的PIM 測試解決方案。布拉德和里克哈特曼參加了原先的工作小組，他們發(fā)明的PIM 分析議已經(jīng)變成了事實上的世界標(biāo)準(zhǔn)議器來執(zhí)行這個測試。

 

 

5：高載波功率測試的問題

 

新進(jìn)入 PIM 測試設(shè)備生產(chǎn)商的企業(yè)聲稱無源互調(diào)測試應(yīng)該使用 40W的功率，而不是 IEC先前推薦的 20W功率，用高功率能檢測出用 20W 測試時發(fā)現(xiàn)不了的問題，所以建議應(yīng)該用 40W功率級別測試，它同時也是世界范圍內(nèi)現(xiàn)網(wǎng) BTS載波運(yùn)行級別。

 

為了確定這些爭論的正確性，首先，考慮 PIM測試應(yīng)該代表實際 BTS的級別。在下面的表格中可以看到， PIM測試參數(shù)分別從一個基站的空中接口，載波數(shù)，功率電平方面進(jìn)行了驗證。相反，在一個非線性射頻通道中，用不同的測試參數(shù)來定義測量方法精確的。在下面的文件中可以看到，對于射頻元件及供應(yīng)商產(chǎn)品的測試 20W是足夠了。

 

 

如果測試目標(biāo)是模擬實際環(huán)境中的基站，則需要使用100W（而不是40W）的測試設(shè)備來代替基站的實際發(fā)射水準(zhǔn)，且測試設(shè)備需要能傳輸GSM ,寬帶CDMA 或LTE 波形，而不是單獨的連續(xù)波。因此會造成測試設(shè)備更大，更重，更貴且對測試人員會造成更大的安全風(fēng)險。另外這種設(shè)備每隔幾年都要進(jìn)行更換才能跟上不斷變化的無線行業(yè)（2G,3G,4G 等等），對測試裝備行業(yè)是一個好消息，但對于射頻制造廠商及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商來說，則需要被迫不斷的投資額外的資本支出來跟上不斷變化的測試規(guī)范。這正是IEC 工作組早在1999 年面臨的同樣問題，他們面臨的挑戰(zhàn)是建立一個適合解決此類問題，而不是反復(fù)變化的測試標(biāo)準(zhǔn)，IEC 研究小組分析了這個問題（幾年以上）和制定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測試規(guī)范。

 

為了處理這份聲明，需要使用更高的測試功率而不是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)20W .同于要分析PIM 的不同表現(xiàn)形式，就需要增加測試功率以及對系統(tǒng)整體進(jìn)行測試而不是單獨測試各個組件。產(chǎn)生PIM 的大小依賴于材料的物理特性。從下面的數(shù)據(jù)來看，可以得出結(jié)論。Spinner PIM標(biāo)準(zhǔn)(生產(chǎn)使用二極管的結(jié)構(gòu))創(chuàng)造了最高水平的PIM,波紋電纜(采用固體銅導(dǎo)體在焊接連接)產(chǎn)生的最低級別PIM在任何給定的測試功耗。

 

 

另外一個值得注意的是，當(dāng)測試功率從2W 變化到40W 的區(qū)間內(nèi)，PIM 變化等級也是不同的，理論是線性范圍內(nèi)測試功率增加1dB 三階互調(diào)干擾值增加3dB。但在實踐中，這種變化速率是很底的，其實產(chǎn)生PIM 材料的物理特性而變化的，在上述例子中，PIM 值變化介于1.4dB 至2.9dB 之間。如預(yù)期的一樣，仍然是一個全方位的功率范圍測試。這意味著，如果我們知道PIM 產(chǎn)生的等級，根據(jù)材料物理特性選擇測試功率電平和我們知道的PIM 變化曲線圖，我們就能準(zhǔn)確的估計在不同的測試功率條件產(chǎn)生的PIM 的幅度。使用這方面的知識，我們可以看到，隨著功率的增加就沒有什么新的或不希望的結(jié)果顯示。相同條件下在40W 比20WPIM 等級要大，但它是一個可預(yù)測的數(shù)值。

 

為了驗證用40W 能看到在20W 測試時看不到的問題這份聲明的真實性，，以下兩個條件中的一個必須是真實的：

 

1. 測試議器沒有足夠的接收機(jī)靈敏度，相對PIM 信號信噪比要低10dB。

 

2. PIM 水平的提高相對于測試功率增加而言不是非線性。

 

今天制造的高品質(zhì)PIM 測試議，其典型底噪值水平在-130 dB.由于IM3 要求的測試水平是工廠測試達(dá)到-150dBc (-107dBm)，實地測試達(dá)到-140dBc (-97dBm)。典型的信號信噪比達(dá)到23 至33 dB.這意味著PIM 信號電平超過10 dB 的最小信號的測量精度所需的信噪比強(qiáng)20 到200 倍，增加測試功率對測量精度沒有好處，反而增加了對測試人員的人身安全風(fēng)險系數(shù)。

 

本文提出的數(shù)據(jù)表明，隨著測試功率的增加IM3 是線性增加的，這對大多數(shù)射頻元件和典型的基站來說是真實的，類似的結(jié)果也被其它研究者分別通過不同的功率和頻率所證明。

 

6: 動態(tài)測試的重要性

 

重要的是要強(qiáng)調(diào)，所有PIM 測試的因素都是重要的且必須整體考濾，以確定該系統(tǒng)測試的質(zhì)量，單獨考濾測試功率并不能保證系統(tǒng)無故障，無論測試時使用的功率是多少。

 

 

為了解釋動態(tài)測試的重要性，使用20W 測試功率，在射頻連接線和系統(tǒng)內(nèi)部插入金屬片對其進(jìn)行了測試，只進(jìn)行靜態(tài)測試PIM 性能很好，當(dāng)連接件輕輕一動（即動態(tài)測試）PIM 值從圖中清楚的看到躍升了50 dB，從而說明問題的存在。

 

動態(tài)測試可以標(biāo)識出松散的金屬連接及接觸表面的缺陷而導(dǎo)致的在高功率條件產(chǎn)生的干擾。如果沒有動態(tài)測試，這些問題可能就不會被發(fā)現(xiàn)，直到風(fēng)吹，塔振動或溫度變化而導(dǎo)致這些問題出現(xiàn)。

 

 

最近，測試設(shè)備制造商新的PIM 測試標(biāo)準(zhǔn)是40W 而不是20W 且不再需要進(jìn)行動態(tài)測試。如果這是真的那肯定是很好的，但不幸的是，這一主張是錯誤的。單獨依靠增加測試功率電平等級而不進(jìn)行動態(tài)測試就來檢測系統(tǒng)問題是不行的，運(yùn)用機(jī)械外力即動態(tài)測試PIM 是唯一的出路，以確保該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。要是那樣可行的話，IEC 工作小組就不會花10 年時間來研究RF 元件進(jìn)行微調(diào)PIM 測試要求，如跳線電纜組件，射頻連接器，濾波器和天線。在新近發(fā)布的IEC 62037PIM 測試規(guī)范版本中可以看到。

 

7:概要

 

現(xiàn)行的PIM 測試標(biāo)準(zhǔn)是由尊敬的工程師，科學(xué)家和商業(yè)電信市場管理者共同主持開發(fā)的，他們通過一個漫長的分析，測量和辯論的過程來制定的。由原始設(shè)備制造商，零部件制造商，標(biāo)準(zhǔn)組織和唯一提供PIM 測試解決方案儀器公司Summitek 共同參加制定的。

 

產(chǎn)生的測試標(biāo)準(zhǔn)已在全球使用超過十年以上。零部件制造商，原始設(shè)備制造商和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商已經(jīng)建立了約2×20W 的測試互調(diào)測量，同時采用動態(tài)刺激驗證他們的質(zhì)量程序和性能要求。如連接器內(nèi)的金屬薄片的例子所示，動態(tài)刺激，是為查明隱性故障在靜態(tài)條件下不可見的PIM 測試過程的關(guān)鍵組成部分。

 

這份文件表明，沒有技術(shù)理由來支撐測試功率要用40W（或高或低）來進(jìn)行PIM 測試，該規(guī)范在1999 年經(jīng)IEC 首次發(fā)布原始的，充分考濾后的建議就再也沒有改變過。

 

 

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