1. 摘要

 

在1999年，國際電聯(lián)技術(shù)委員會(huì)發(fā)布了一個(gè)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(gè)或更多信號(hào)通過一個(gè)具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。實(shí)例包括：松動(dòng)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(gè)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(gè)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(hào)，則其交調(diào)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)位于1900 MHz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(huì)產(chǎn)生無源交調(diào)。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(jì)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(gè)、或多個(gè)射頻信號(hào)在非線性交界處時(shí)，在射頻通道中會(huì)產(chǎn)生無源互調(diào)干擾。這些干擾信號(hào)與原始的射頻輸入信號(hào)相調(diào)制產(chǎn)生新的干擾信號(hào)，如果新的干擾信號(hào)落入網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的接收頻帶內(nèi)，抬升底噪會(huì)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(diǎn)在傳輸高強(qiáng)度電流時(shí)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(dòng)導(dǎo)致內(nèi)部螺絲或鉚釘松動(dòng)

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(hào)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能，可以識(shí)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(huì)

 

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?yàn)?PIM 能產(chǎn)生干擾故影響其性能。認(rèn)識(shí)到這些問題以后，移動(dòng)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)是設(shè)計(jì)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(dòng)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(huì)46工作組6 創(chuàng)建了一個(gè)關(guān)于PIM 測試的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)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(shí)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(dòng)態(tài)測試的意義和PIM 測試是或是必要的，因?yàn)橹挥懈唠A互調(diào)會(huì)落在移動(dòng)運(yùn)營商的接收頻帶內(nèi)。經(jīng)過大量的分析，試驗(yàn)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(yàn)裝置及一致性方面提供了建議。如下兩個(gè)主要原始規(guī)范：

 

• 移動(dòng)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(gè)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(gè)關(guān)鍵需求：

 

• 被測設(shè)備應(yīng)該受到影響即進(jìn)行動(dòng)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(shí)上的世界標(biāo)準(zhǔn)議器來執(zhí)行這個(gè)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(shí)發(fā)現(xiàn)不了的問題，所以建議應(yīng)該用 40W功率級(jí)別測試，它同時(shí)也是世界范圍內(nèi)現(xiàn)網(wǎng) BTS載波運(yùn)行級(jí)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(shí)際 BTS的級(jí)別。在下面的表格中可以看到， PIM測試參數(shù)分別從一個(gè)基站的空中接口，載波數(shù)，功率電平方面進(jìn)行了驗(yàn)證。相反，在一個(gè)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(shí)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(shí)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(dú)的連續(xù)波。因此會(huì)造成測試設(shè)備更大，更重，更貴且對測試人員會(huì)造成更大的安全風(fēng)險(xiǎn)。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(gè)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(gè)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(gè)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(dú)測試各個(gè)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(jí)別PIM在任何給定的測試功耗。

 

 

另外一個(gè)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(jí)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(shí)踐中，這種變化速率是很底的，其實(shí)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(gè)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(jí)，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(jì)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(shí)，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(jí)要大，但它是一個(gè)可預(yù)測的數(shù)值。

 

為了驗(yàn)證用40W 能看到在20W 測試時(shí)看不到的問題這份聲明的真實(shí)性，，以下兩個(gè)條件中的一個(gè)必須是真實(shí)的：

 

1. 測試議器沒有足夠的接收機(jī)靈敏度，相對PIM 信號(hào)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(shí)地測試達(dá)到-140dBc (-97dBm)。典型的信號(hào)信噪比達(dá)到23 至33 dB.這意味著PIM 信號(hào)電平超過10 dB 的最小信號(hào)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(xiǎn)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(shí)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(dòng)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(dú)考濾測試功率并不能保證系統(tǒng)無故障，無論測試時(shí)使用的功率是多少。

 

 

為了解釋動(dòng)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(dòng)（即動(dòng)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(dòng)態(tài)測試可以標(biāo)識(shí)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(dòng)態(tài)測試，這些問題可能就不會(huì)被發(fā)現(xiàn)，直到風(fēng)吹，塔振動(dòng)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(dòng)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(cuò)誤的。單獨(dú)依靠增加測試功率電平等級(jí)而不進(jìn)行動(dòng)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(dòng)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(huì)花10 年時(shí)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(gè)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(shí)采用動(dòng)態(tài)刺激驗(yàn)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(dòng)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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