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)應用于射頻組件及系統中無(wú)源互調測試的62037標準，在未來(lái)12年中，無(wú)線(xiàn)技術(shù)將從以提供語(yǔ)音的2G系統發(fā)展到以高速數據為主的4G 系統。這些4 G系統需要新的網(wǎng)絡(luò )體系結構與寬帶調制方案,才能達到提高網(wǎng)絡(luò )容量的需求。本文綜述了IEX62037標準對系統組件，子系統及當今電信基礎設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(wú)源交調"：它代表兩個(gè)或更多信號通過(guò)一個(gè)具非線(xiàn)性特性的無(wú)源器件傳輸時(shí)產(chǎn)生的交調產(chǎn)物。機械連接部分的相互作用一般會(huì )引起非線(xiàn)性效應，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(xiàn)等。

 

無(wú)源交調在蜂窩通信行業(yè)是一個(gè)重大問(wèn)題，而且非常難以排解。在蜂窩通信系統中，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)生它的蜂窩以及附近的其他接收機。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的基站系統發(fā)射信號，則其交調會(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。此外，位于2020 MHz的交調可能影響其他系統。

 

無(wú)源交調，落到接收機頻段

 

某些無(wú)源器件與其傳輸線(xiàn)路一起會(huì )產(chǎn)生無(wú)源交調。因此，當設計系統時(shí)，開(kāi)發(fā)團隊應根據器件制造商給出的規格，選擇PIM最小或處于可接受水平的無(wú)源元件。環(huán)行器、雙工器和開(kāi)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無(wú)源交調，那么可以選擇成本較低、尺寸較小或性能較低的器件。

 

器件設計權衡：尺寸、功耗、抑制和PIM性能

 

2：為什么要進(jìn)行PIM 測試

 

當兩個(gè)、或多個(gè)射頻信號在非線(xiàn)性交界處時(shí)，在射頻通道中會(huì )產(chǎn)生無(wú)源互調干擾。這些干擾信號與原始的射頻輸入信號相調制產(chǎn)生新的干擾信號，如果新的干擾信號落入網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商的接收頻帶內，抬升底噪會(huì )導致網(wǎng)絡(luò )數據速率及服務(wù)質(zhì)量下降。PIM 多是由不一致的金屬接觸點(diǎn)在傳輸高強度電流時(shí)造成的，如傳輸線(xiàn)，射頻元件或外部系統中的主波束天線(xiàn)覆蓋區域。PIM 干擾源的常見(jiàn)來(lái)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)導致內部螺絲或鉚釘松動(dòng)

4. 射頻連接器內部的金屬薄片或元件碎屑

5. 因不當工具或不正確的組裝程序造成射頻終端損壞。

6. 基站天線(xiàn)對著(zhù)金屬板片或生銹的通風(fēng)管

 

 

無(wú)源互調測試是通過(guò)使用射頻傳輸信號和高度敏感的接收器來(lái)檢測和測量并發(fā)這些問(wèn)題的所在。PIM 測試可以用來(lái)檢測射頻元件，子系統及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )系統的性能，可以識別出靠傳統方式如外觀(guān)檢查及參數測量不能發(fā)現的問(wèn)題，如機械性能，材料，工藝等問(wèn)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，根據其它通信系統和大多數特別是衛星通信，因為 PIM 能產(chǎn)生干擾故影響其性能。認識到這些問(wèn)題以后，移動(dòng)運營(yíng)商和零部件供應商（生產(chǎn)天線(xiàn)，跳線(xiàn)，接頭，濾波器，避雷器等等）認識到需找到低PIM 解決方案。但是，關(guān)于低PIM 指導方針的資料很少。

 

隨著(zhù)議器的發(fā)展，世界各地的零部件制造商開(kāi)始對其產(chǎn)品性能指定不同的或不一致的PIM參數，一些制造商只對實(shí)驗室的產(chǎn)品進(jìn)行互調測試就聲稱(chēng)是低PIM 產(chǎn)品，其它廠(chǎng)商則是對不同的部件進(jìn)行了PIM 測試來(lái)核實(shí)是設計的問(wèn)題還是組裝的問(wèn)題。被認證的高階PIM 產(chǎn)品，如IM5 或IM7 是根據最終用戶(hù)帶寬來(lái)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(lèi)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，為統一標準，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)標準。這個(gè)工作小組由設備制造廠(chǎng)商，零部件制造廠(chǎng)商，高校和國際標準組織組成。

 

4: 發(fā)展中推薦的測試標準

 

剛開(kāi)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，什么樣的互調產(chǎn)品需要測量，怎么樣重復測試及動(dòng)態(tài)測試的意義和PIM 測試是或是必要的，因為只有高階互調會(huì )落在移動(dòng)運營(yíng)商的接收頻帶內。經(jīng)過(guò)大量的分析，試驗和討論，終于在1999 年IEC 制定并發(fā)布62037 標準。該規范對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(gè)主要原始規范：

 

• 移動(dòng)通信系統PIM 測試應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(xiàn)，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范，測試IM3 使用2*20W測試標準并為PIM 測試添加了第三個(gè)關(guān)鍵需求：

 

• 被測設備應該受到影響即進(jìn)行動(dòng)態(tài)PIM 測試在1996 年，布拉德和里克哈特曼開(kāi)發(fā)了操作簡(jiǎn)單Summitek 議器（現在的凱鐳思）并為IEC 規范提供了完整的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)上的世界標準議器來(lái)執行這個(gè)測試。

 

 

5：高載波功率測試的問(wèn)題

 

新進(jìn)入 PIM 測試設備生產(chǎn)商的企業(yè)聲稱(chēng)無(wú)源互調測試應該使用 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)現不了的問(wèn)題，所以建議應該用 40W功率級別測試，它同時(shí)也是世界范圍內現網(wǎng) BTS載波運行級別。

 

為了確定這些爭論的正確性，首先，考慮 PIM測試應該代表實(shí)際 BTS的級別。在下面的表格中可以看到， PIM測試參數分別從一個(gè)基站的空中接口，載波數，功率電平方面進(jìn)行了驗證。相反，在一個(gè)非線(xiàn)性射頻通道中，用不同的測試參數來(lái)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商產(chǎn)品的測試 20W是足夠了。

 

 

如果測試目標是模擬實(shí)際環(huán)境中的基站，則需要使用100W（而不是40W）的測試設備來(lái)代替基站的實(shí)際發(fā)射水準，且測試設備需要能傳輸GSM ,寬帶CDMA 或LTE 波形，而不是單獨的連續波。因此會(huì )造成測試設備更大，更重，更貴且對測試人員會(huì )造成更大的安全風(fēng)險。另外這種設備每隔幾年都要進(jìn)行更換才能跟上不斷變化的無(wú)線(xiàn)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(chǎng)商及網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商來(lái)說(shuō)，則需要被迫不斷的投資額外的資本支出來(lái)跟上不斷變化的測試規范。這正是IEC 工作組早在1999 年面臨的同樣問(wèn)題，他們面臨的挑戰是建立一個(gè)適合解決此類(lèi)問(wèn)題，而不是反復變化的測試標準，IEC 研究小組分析了這個(gè)問(wèn)題（幾年以上）和制定了行業(yè)標準測試規范。

 

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)標準20W .同于要分析PIM 的不同表現形式，就需要增加測試功率以及對系統整體進(jìn)行測試而不是單獨測試各個(gè)組件。產(chǎn)生PIM 的大小依賴(lài)于材料的物理特性。從下面的數據來(lái)看，可以得出結論。Spinner PIM標準(生產(chǎn)使用二極管的結構)創(chuàng )造了最高水平的PIM,波紋電纜(采用固體銅導體在焊接連接)產(chǎn)生的最低級別PIM在任何給定的測試功耗。

 

 

另外一個(gè)值得注意的是，當測試功率從2W 變化到40W 的區間內，PIM 變化等級也是不同的，理論是線(xiàn)性范圍內測試功率增加1dB 三階互調干擾值增加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。如預期的一樣，仍然是一個(gè)全方位的功率范圍測試。這意味著(zhù)，如果我們知道PIM 產(chǎn)生的等級，根據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(xiàn)圖，我們就能準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(zhù)功率的增加就沒(méi)有什么新的或不希望的結果顯示。相同條件下在40W 比20WPIM 等級要大，但它是一個(gè)可預測的數值。

 

為了驗證用40W 能看到在20W 測試時(shí)看不到的問(wèn)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(méi)有足夠的接收機靈敏度，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(xiàn)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(chǎng)測試達到-150dBc (-107dBm)，實(shí)地測試達到-140dBc (-97dBm)。典型的信號信噪比達到23 至33 dB.這意味著(zhù)PIM 信號電平超過(guò)10 dB 的最小信號的測量精度所需的信噪比強20 到200 倍，增加測試功率對測量精度沒(méi)有好處，反而增加了對測試人員的人身安全風(fēng)險系數。

 

本文提出的數據表明，隨著(zhù)測試功率的增加IM3 是線(xiàn)性增加的，這對大多數射頻元件和典型的基站來(lái)說(shuō)是真實(shí)的，類(lèi)似的結果也被其它研究者分別通過(guò)不同的功率和頻率所證明。

 

6: 動(dòng)態(tài)測試的重要性

 

重要的是要強調，所有PIM 測試的因素都是重要的且必須整體考濾，以確定該系統測試的質(zhì)量，單獨考濾測試功率并不能保證系統無(wú)故障，無(wú)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(xiàn)和系統內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(shuō)明問(wèn)題的存在。

 

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

 

 

最近，測試設備制造商新的PIM 測試標準是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，這一主張是錯誤的。單獨依靠增加測試功率電平等級而不進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試就來(lái)檢測系統問(wèn)題是不行的，運用機械外力即動(dòng)態(tài)測試PIM 是唯一的出路，以確保該系統是穩定的。要是那樣可行的話(huà)，IEC 工作小組就不會(huì )花10 年時(shí)間來(lái)研究RF 元件進(jìn)行微調PIM 測試要求，如跳線(xiàn)電纜組件，射頻連接器，濾波器和天線(xiàn)。在新近發(fā)布的IEC 62037PIM 測試規范版本中可以看到。

 

7:概要

 

現行的PIM 測試標準是由尊敬的工程師，科學(xué)家和商業(yè)電信市場(chǎng)管理者共同主持開(kāi)發(fā)的，他們通過(guò)一個(gè)漫長(cháng)的分析，測量和辯論的過(guò)程來(lái)制定的。由原始設備制造商，零部件制造商，標準組織和唯一提供PIM 測試解決方案儀器公司Summitek 共同參加制定的。

 

產(chǎn)生的測試標準已在全球使用超過(guò)十年以上。零部件制造商，原始設備制造商和網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商已經(jīng)建立了約2×20W 的測試互調測量，同時(shí)采用動(dòng)態(tài)刺激驗證他們的質(zhì)量程序和性能要求。如連接器內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(jiàn)的PIM 測試過(guò)程的關(guān)鍵組成部分。

 

這份文件表明，沒(méi)有技術(shù)理由來(lái)支撐測試功率要用40W（或高或低）來(lái)進(jìn)行PIM 測試，該規范在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(méi)有改變過(guò)。

 

 

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