浅谈PIM在基站中的影响

有些读者私信我，对PIM相关知识比较感兴趣，今天我就在文章里再具体讲一下PIM对基站的影响。当然没看过以前文章的读者，也不影响对本篇文章的理解，因为在文章里我依然会对PIM相关的基础知识做出解释。

PIM（无源互调）应是每位工程师、技术人员和现场安装人员高度重视的问题。为什么呢？因为它会对典型通信站点的质量和性能造成极大的不良影响。良好的站点设计、良好的安装实践和良好的站点维护可以防止PIM成为一个影响所有人的重大问题。

在本文中，我们将探讨与PIM相关的几个主题，包括PIM的基本定义、对系统的影响、测量技术、实际产生原因以及缓解方法。

1、PIM的基础知识

首先，我们需要理解什么是PIM。PIM是指在一个系统的非线性结点中，两个或多个信号发生非期望的混合，从而产生额外的、不希望的谐波信号。这些信号可能出现在您自己的接收频段内，或者出现在同一站点上另一个运营商的接收频段内。

幸运的是，如果您知道两个主要信号F1和F2的频率，那么这些谐波信号的频率就可以通过数学方法来确定。

信号的混合遵循以下预定顺序：

1f1 ± 2f2 or 2f1 ± 1f2 = 3阶产物

2f1 ± 3f2 or 3f1 ± 2f2 = 5阶产物

3f1 ± 4f2 or 4f1 ± 3f2 = 7阶产物

从上面的公式可以看出，阶数等于f1的倍数加上f2的倍数，因此如所示，2f1 ± 3f2 表示的是五阶（5th order）[如图1所示]。

不同互调产物之间的间隔始终与两个主要信号之间的间隔相同（f1到f2的间隔等于f1到2f1-f2的间隔），并且随着信号阶数的增加，幅度会减小。产物信号的幅度取决于输入信号的幅度；输入信号越高，产物（PIM）信号也越高。

图1 双音信号及交调产物示意图

2、PIM对基站的影响

现在我们已经了解了PIM是什么，接下来需要更进一步，了解它如何影响系统。在单信道无线电系统的时代，PIM不会成为问题，因为需要多个信号才能产生PIM。然而，在当今的大多数无线电系统中，两个或多个不同的载波不仅共享同一个站点，而且同时共享相同的电缆线路和天线系统，无论是在上行链路还是下行链路频段。当下行链路信号在上行链路频段产生PIM时，就会出现问题。这些信号本身虽然水平相对较低，但通常与站点从移动单元接收到的信号水平处于同一量级。

在站点，无线电接收器可能无法区分由PIM产生的不需要信号和来自移动设备的上行链路所需信号。此外，PIM会使站点的噪声基底提高几个分贝，并导致接收器灵敏度降低。这些问题是核心所在。这些影响会严重降低站点的性能，导致容量损失、掉话数量增加和数据错误率上升。

站点容量损失意味着在一个区域内需要更多的基站来维持适当的覆盖范围。掉话和服务质量差可能导致用户流失。

3、PIM在基站中的测量方法

PIM（无源互调）测量通常按照IEC标准62037-2进行。该标准规定应使用两个20W（43dBm）的测试音，但测试音信号的频率将取决于被测系统的具体情况。

如下图所示的标准测试装置包括两个信号源（包括功率放大器和窄带滤波器）、一个求和与定向耦合器模块以及一个频谱分析仪。低PIM负载和测试电缆是必需的附件。

测试过程是将每个信号源设置为特定频率（如图1所示的F1和F2）和功率等级（43dBm），将这两个信号相加并施加到被测设备（Device Under Test，简称DUT）上，然后在频谱分析仪上分析任何反射信号。

除了入射的F1和F2信号外，分析仪上出现的任何其他信号都是由无源互调（PIM）产生的[如图2所示]。

图2 PIM测量方法

PIM（无源互调）信号的强度以dBm为单位进行测量，并与参考源（载波）信号进行比较，以确定PIM值（以dBc为单位）[如图3所示]。例如，如果载波（测试）信号的强度为43 dBm，而测得的PIM信号强度为-90 dBm，则PIM值定义为-133 dBc（即比载波低133 dB）。

图3 PIM测试

IEC标准定义测试音电平的原因之一是，由于产生杂散信号的接点实际上是一个电流流受限的点，因此测试音功率电平越低，PIM（无源互调）就越低，因为通过该接点的电流就越少。反之亦然，载波电平越高，PIM就越高（越差）。这是PIM非线性特性的一部分。一个大致的规律是，载波功率每增加1dB，PIM噪声就会增加2.5dB。

以图3中的示例为例，如果测试音的电平仅为30 dBm，那么PIM（无源互调）的表现会看似好得多；测得的PIM信号可能低至-123 dBm，这表示PIM值为-153 dBc。因此，PIM性能规范必须包含对载波电平的引用，才具有实际意义。关于PIM测试，还有一点需要注意，即通常进行两种类型的测试：一种是在被测设备（DUT）静止时进行的测试，称为静态PIM测试；另一种是在被测设备移动时进行的测试，称为动态PIM测试。

4、PIM产生的原因

到目前为止，我们已经了解了PIM（无源互调）是什么，它的影响，以及量化该问题的方法。接下来，我们需要了解在典型基站中PIM产生的实际原因。我们将从现场安装和制造问题两个方面进行探讨。

5、PIM的现场预防

大多数现场相关的PIM（无源互调）问题的真正元凶都与安装和清洁度有关。为确保PIM性能良好，所有组件的安装都必须正确无误。正确安装意味着所有连接都应施加正确的扭矩，并确保所有连接点没有污染物。现场的清洁度不仅限于传输线，现场的所有塔架和围栏组件都应无腐蚀且维护得当。

确保良好PIM（无源互调）性能的首要任务是正确安装连接器，这需要正确执行多个步骤，并适当关注质量细节。射频（RF）连接器是精密设计和构造的组件，如果期望获得良好的射频性能，则应将其视为精密组件进行处理。

步骤1：正确准备电缆；使用定制的电缆准备工具或质量良好的锯子，确保电缆末端与电缆轴线垂直，切割平整。必须使用优质锯子。合适的锯片应未上漆，齿数多（建议每英寸32齿或更多），如果可能的话，应为直线型，即齿无偏移。高质量的锯片有助于确保导体不受损坏、变形或划伤，并限制切割碎屑的数量。在切割时，尽可能将电缆末端朝下，以减少碎屑进入电缆芯部的量。

步骤2：必须清除所有金属和泡沫碎屑。使用软毛黄铜或尼龙刷子清除所有松散的切割碎屑。有时，额外使用胶带可以去除刷子可能留下的最细小的碎屑。

步骤3：为连接器安装正确准备扩口。使用刀具（或类似工具）将泡沫与外导体完全分离[如图4所示]，并验证泡沫是否围绕中心导体对称[如图5所示]。

图4 准备扩口

图5 对称泡沫

步骤4：将连接器安装到准备好的电缆上，并按照制造商的扭矩规格拧紧连接器。如果连接器拧紧的扭矩值不正确，将不会表现出良好的PIM（无源互调）性能。

步骤5：安装热缩套管可以帮助稳定电缆上的连接器，并且在某些情况下可以改善PIM性能[如图6所示]。系统不同部分之间的所有互连也必须按照正确的规格拧紧，过紧或过松的互连都会损害性能。

图6 热缩套管安装

6、基站组件的制造过程

表现出非线性性能的组件主要有三种基本类型：放大器、二极管以及含有铁磁材料的器件。

几乎所有可能在现场产生PIM（无源互调）的因素都属于二极管类别（或者更具体地说，从电气角度来看，表现出二极管特性的因素）。在传输系统中，属于这一类别的最常见组件是天线、传输线和连接器。让我们简要地看一下这些组件的制造阶段。

在天线中，PIM（无源互调）可能由多种因素引起。其中一些导致PIM的因素包括焊接不良、连接松动、不同金属接合、接触点过多以及相互接触的金属表面之间的氧化。防止天线中产生PIM的最佳方法是采用适当的设计来处理接触点的数量、材料和镀层，以及采用处理焊接问题、连接松动和总装问题的制造控制。

在传输线中，PIM的原因通常与三个具体问题相关。这些问题包括导体或泡沫中残留的金属碎片、焊接质量差以及内外导体之间的热膨胀差异。因此，在制造的各个阶段对内外导体进行适当的清洁至关重要，因为这可以去除任何松动的金属颗粒。在正确的气体环境中进行精密焊接可以确保焊接质量。适当控制粘合剂和导体波纹的尺寸可以限制导体相对于彼此移动所带来的问题。

在连接器中，主要关注的是可能使用了不正确的材料（铁磁材料）、表面镀层是否适当，以及避免连接器在制造后出现松动的金属碎屑。与传输线和天线一样，防止连接器在安装前产生PIM的最佳方法是对其进行适当的设计（包括材料选择）和制造质量控制。

在放大器的情况下，主要通过适当的设计和制造过程以及正确选择功率水平来控制互调产物。

避免铁磁效应主要是在设计特定组件（连接器、天线、浪涌保护器等）或整体站点组件选择时正确选择材料（非铁金属，即不含铁的金属）。