探讨基站的无源互调问题及其故障定位

无源互调(Passive Intermodulation， PIM)是一种发生在无源器件上的互调失真，比如滤波器，合路器，浪涌保护器，线缆，连接头，天线等。这些器件通常被认为是线性的，但是他们受到高功率信号激励时会产生杂散信号。基站的无源互调问题已经成为干扰网络性能的最前沿问题，近年来越来越受到关注，怎样定位与排查基站的无源互调故障也是令基站维护者困扰倍增。本文从无源互调的基本概念入手，解释为什么无源互调干扰越来越受到重视，然后具体阐述基站现场的无源互调测试与定位解决方案，最后分享用安立公司PIM Master在基站现场测试中的一些典型案例与结果分析。

一、什么是无源互调(Passive Intermodulation， PIM)？

无源互调(PIM)是一种发生在无源器件上的互调失真，比如滤波器，合路器，浪涌保护器，线缆，连接头，天线等。这些器件通常被认为是线性的，但是他们受到高功率信号激励时会产生杂散信号。

无源互调(PIM)显示一系列由两个或多个强射频信号在非线性器件(比如松散或腐蚀的连接头，或附近生锈物)中混频产生的不需要的信号， 无源互调(PIM)现象又称为"环境二极管效应"或"锈门栓效应"。

下面这组方程可以精确描述两个载波F1，F2的无源互调产物频率：
IM_n+m = nF1 – mF2
IM_n+m = nF2 – mF1

F1 和 F2 是发射载波频率，常数 n 和 m是正整数。当提到无源互调产物时， n + m 的和称为互调阶数。如果m等于2，n等于1，则它们的和 (2+1=3) 称为3阶交调 即 IM3。

典型的， 3阶互调产物是最强的可能落在接收频段内对接收信号造成危害的互调产物，因为无源互调产物的幅度随着阶数的增高而变低，高阶的互调产物一般情况下不会强道直接导致频率问题，但是他们通常会是导致近邻的频段噪底电平上升的原因。

一旦这些上升的噪底电平落入接收频段，他们便进入到基站接收信号范围内（有时候通过低噪放），会对基站信号接收造成影响。

要认识到，从调制信号引起的互调信号比从基波信号引起的互调信号的带宽要宽。因此，互调产物可以有非常宽的频带，占用好几个通频带。

二、为什么无源互调问题越来越受关注？

移动通信高速数据通信的发展增加了蜂窝系统内的网络业务量，也在一定程度上影响了网络性能。随着额外新增的的移动通信发射机和调制信号添加到既有的或新的基站，统计到的基站性能可能大幅变化，这可能会导致基站性能变差、扇区性能恶化或者覆盖率降低等等。

无源互调问题近来已经成为网络性能的最前沿问题，基于以下一系列原因或几个原因的组合：

•  越来越高的射频功率
•  相同的天线阵上多个频段的系统
•  满负荷的多载波系统
•  高负荷的高密度/业务量基站
•  宽带接收滤波器
•  复用天线阵
•  越来越宽的信号带宽5MHz， 10MHz， 20 MHz等
•  体系架构老化–主要是腐蚀的或松的连接头
•  由周围环境导致的环境二极管效应
•  由干湿天气条件造成的间歇、时断时续的环境二极管效应
•  邻基站产生无源交通

天线的腐蚀锈浊可能导致无源互调现象

天馈线系统的各个组件可能成为导致互调的主要潜在源

一个现场的无源互调测量应当是一个线性度测量和建筑质量测量的综合。这就是为什么必须要在现场测量无源互调的原因。

三、无源互调现场测试与定位方案：

为了测试基站的接收机干扰是否受到两个或者多个发射频率的无源互调干扰，安立公司开发专用于测量无源互调的无源互调分析仪PIM Master^TM。安立公司针对移动通信CDMA频段，E-GSM频段，PCS和AWS频段推出了其第一代高性能无源互调测试系列解决方案PIM Master^TM ，包括MW8208A，MW8209A和MW8219A，分别覆盖中国移动，中国联通和中国电信运营频段的无源互调测试。

安立公司具有40瓦发射功率和已获得专利的无源互调故障点定位(Distance-to-PIM^TM)技术的PIM Master^TM是专为现场查找无源互调问题、快速定位无源互调问题的而设计的方案。

安立公司开发并发明的精确定位无源互调故障源的技术，称为无源互调故障点定位(Distance-to-PIM^TM，即DTP)，已获得美国专利，为安立无源互调分析仪PIM Master^TM的特色功能。工程维护人员不用再浪费时间敲击铁塔试图定位无源互调故障源，如果无源互调来自于天线系统或者周围环境也不用再犹豫不决，在几秒钟内，无源互调故障点定位(Distance-to-PIM^TM)技术可以测量天线系统内和天线系统外的所以的静态无源互调故障问题的相对幅度大小和故障。只有无源互调故障点定位(Distance-to-PIM^TM)技术才能发现的无源互调故障包括: 污染了的连接头，腐蚀的连接头，扭矩过大的连接头，存在微观电弧的连接头，天线系统外的无源互调问题。无源互调故障点定位测试相对于传统的无源互调测试来说提供了更多的洞察力，这些获得的定位信息可以加速问题源的修复，控制问题源的修复成本，帮助制定精确的预算计划等等。比较不同时间PIM的测试值变化，可以观察器件是否随着老化而性能恶化，这可以使得PIM源在升级为导致掉话或阻塞的故障之前被修正。

无源互调是对功率敏感的。现今基站发射塔承载的功率越来越大，PIM Master对此专门为测量无源互调量身设计了2 x 40 瓦的射频功率特色功能， 能发现更多的传统20瓦无源互调测试仪发现不了的无源互调问题。无源互调问题对功率敏感且可能是间歇时断时续的，无源互调问题刚刚开始出现并表征的时候经常就是这样的情况。这可能是由于轻微的腐蚀，高业务量的负荷，或者天气条件的变化导致了环境半导体等。使用高的功率电平经常可以使时断时续的故障变得可以观察。高的功率电平对发现多载波天线系统中的故障来说是必要的，对于发现连接头中的在显微镜下看到的缝隙形成的微观电弧也是必要的。

安立无源互调测试方案能完成测量功能可列举如下：

(1)无源互调测试：发射信号的3阶， 5阶， 和7阶互调产物绝对幅度和相对幅度

(2)噪底电平：基站的接收噪底电平

(3)无源互调故障点定位：系统内和系统外的多个无源互调问题故障源一次性定位(距离和相对幅度)

(4)配套的安立手持高性能仪表为可完成频谱测量、基站信号质量监测、各种通信制式的信号解调/射频测量/空中接口测量功能、基站系统内部单元故障排查、基站系统外部干扰排查与干扰定位、室内与室外信号覆盖、多信道扫描、基站功率监测等功能。

四、典型测试案例与结果分析：

以下案例均来自于安立无源互调分析仪PIM Master在客户外场测试中的实际现场测试结果。

1.线缆腐蚀受损引起的无源互调问题定位

在某基站外场的实际测试中，检查某根馈线，其PIM值为-62.6dB如下：

采取安立专利特色功能DTP进行无源互调定位，定位在约22米，结果如下：

此处位于基站塔上，工程维护人员至约22米处寻找故障，发现如下线缆腐蚀破损，此故障系施工质量造成的线缆外皮划痕，由于日晒雨淋腐蚀造成了线缆内部受损，造成的故障。

类似的线缆腐蚀受损问题，由于在基站塔上，如果不采取安立极具特色功能的无源互调故障定位技术手段，采取纯敲击人工手段，几乎不可能定位和排查到。工程维护人员不用再浪费时间敲击铁塔试图定位无源互调故障源，只有无源互调故障点定位(Distance-to-PIM^TM)技术才能发现的静态无源互调故障包括: 污染了的连接头，腐蚀的连接头，扭矩过大的连接头，存在微观电弧的连接头，天线系统外的无源互调问题。无源互调故障点定位测试相对于传统的无源互调测试来说提供了更多的洞察力，这些获得的定位信息可以加速问题源的修复，控制问题源的修复成本，帮助制定精确的预算计划等等。

2. 天馈系统中无源器件质量不合格造成的无源互调问题定位

在某基站外场的实际测试中，检查某根馈线，其PIM值为-76.8dB如下：

采取安立专利特色功能DTP进行无源互调定位，定位在约7.8米，结果如下：

此处位于馈线和掉线的连接处上，工程维护人员至约7.8米处寻找故障，发现如下避雷器，拆除该避雷器后，发现故障消失，如下。

类似的无源器件质量问题导致的无源互调故障还很多，在我们的实际现场测试中，存在有无源互调故障的器件有功分器、避雷器、3dB电桥、双工器等等。这些器件的老化或者质量问题是实际基站无源互调故障的潜在来源，比较不同时间PIM的测试值变化，可以观察器件是否随着老化而性能恶化，这可以使得PIM源在升级为导致掉话或阻塞的故障之前被修正。

3. 天馈系统中各种连接接头造成的无源互调问题定位及测量功率的大小

在某基站外场的实际测试中，检查扇区1的某根馈线，若用20W功率测试其PIM值得到-85.8dBm，如下

但用40W功率进行测试，PIM值为-69.1dBm， 如下

采用DTP定位，结果又发现约2.84米处有故障，如下，遂到约2.84米处（连接馈线的接头处）检查故障，发现该接头存在锈蚀现象，如下：

更换接头后，再次测试，故障消失。

在本案例中还需特别注意，由于一开始是采用20W功率测试，检测出来PIM值为-85.8dBm，看似正常；但其实由于未能采用基站真实的40W发射功率测量，因此测试出来的结果不真实。那么测量无源互调到底要采用多大的输入功率呢？或者说多大的输入功率能满足对 基站测试的要求呢？从应用的角度，测试仪表的输入功率应与被测实际应用的环境(即基站发射功率)相一致，即取实际应用中基站可能通过的最大功率，才可能测量得实际应用中真实的无源互调值。

类似的连接器接头问题导致的无源互调故障在实际现场测试环境中存在很多，有的是连接头扭矩不对，有的是连接头质量问题，有的是连接头松动，还有的是连接头存在打滑等，无源互调故障点定位(Distance-to-PIM^TM)技术能准确定位发现连接头不好的情况造成的无源互调故障，便于调整连接头的连接状况或者更换连接头。这些连接头的老化或者质量问题是实际基站无源互调故障的潜在来源，很多连接头的故障来源于不好的施工质量或者天长日久的松动及老化，比较不同时间PIM的测试值变化，可以观察连接头是否随着老化而性能恶化或者是否随着时间而松动。这可以使得PIM源在升级为导致掉话或阻塞的故障之前被修正。

五、小结：

安立无源互调测试解决方案具有以下独特的特色：

1. 具有20瓦到40 瓦的射频发射能力，可根据实际情况调节发射功率。使用高的功率电平经常可以使时断时续的故障变得可以观察。高的功率电平对发现多载波天线系统中的故障来说是必要的，这可以使得PIM源在升级为导致掉话或阻塞的故障之前被修正。

2. 无源互调故障点定位(Distance-to-PIM^TM)技术，能够定位无源互调故障定位和相对幅度以及系统内部和外部的无源互调故障。无源互调故障点定位(Distance-to-PIM^TM)技术在运营商的现场测试中已经被广泛的应用并取得了良好的结果，无源互调故障点定位测量结果显示了天线系统内无源互调问题的定位，也显示了天线外系统外部无源互调源的距离。这在从现场无源互调测试中获得的信息质量来说已经取得了了难以置信的进步了。

3. 安立PIM Master^TM可由安立手持式仪表系列控制，在完成PIM干扰排查的同时建议先用手持仪表排除基站系统内外部干扰，安立高性能手持仪表可完成频谱测量、基站信号质量监测、各种通信制式的信号解调/射频测量/空中接口测量功能、基站系统内部单元故障排查、基站系统外部干扰排查与干扰定位、室内与室外信号覆盖、多信道扫描、基站功率监测等功能，这些是已经被证实在基站现场测量中屡次获得成功的现场应用功能。

安立公司的具有40瓦发射功率和已获得专利的无源互调故障点定位(Distance-to-PIM^TM)技术的PIM Master^TM是现今查找无源互调问题、快速定位无源互调问题及解决基站现场干扰问题的最佳解决方案之一。

作者：朱轶智，市场部高级工程师，安立公司