《NR基站无源互调问题分析》4000字

NR基站无源互调问题分析综述基站的基本结构基站按照应用场景分为室外基站和室内基站，室内基站一般体积比较小发射功率值相对较小，覆盖范围较小，也称为微基站。它是在楼宇或者居民小区、大型商场、医院等人流密集的地方安装的小型基站，覆盖面积比较少用户数量也比较少。室外基站一般发射功率大、覆盖范围广也称为为宏基站。该基站一般挂靠在大型的铁塔上，它的发射功率非常大可以覆盖方圆几十公里的范围，涉及到用户人数较多。直放站不能单独使用，它需要配合基站一起工作，它用来将基站发射的信号进行放大，发射至当更远的地区。通信技术在飞速发展，各式各样的基站类别层出不穷，基站的外形也在朝着多元化的方向发展。分布式基站逐渐增多应用场景也越来越多。分布式基站是5G基站的新发展方向，该基站具有建造成本低、环境适应性强、工程建设方便的优势。分布式基站与传统基站由很大区别，它将基站的基带部分BBU和射频部分RRU相分离。基站的4G通信技术主要采用MIMO多载波聚合的方式，在NR网络中基站设备需要支持4×4的下行MIMO，2×2的上行MIMO天线，对于N41、N77、N78、N79工作状态都需要4×4的下行[22]。5G网络主要特征：基于云化的网络架构，基于切片的网络服务NR：5G网络的基站，拆分为CU和DU两个部分CU（CentralizedUnit，集中单元），负责处理非实时协议和服务；DU（DistributeUnit，分布单元），负责处理物理层协议和实时服务AAU（ActiveAntennaUnit，有源天线单元），BBU的部分物理层处理功能与原RRU及无源天线合并为AAU。传统的基站GSM基站、WCDMA基站、LTE基站等基站的发射天线一般为双天线发射或者四天线发射，当基站发射两个或多于两个载波基带信号时会出现除基带信号外的无源互调产物，尤其是在二阶互调、三阶互调和五阶互调的频段愈加显著。5GNR基站采用32射频端口或64射频端口的阵列式一体化天线，天线间隔为半波长，天线发射功率更大，占用频带更宽，在基站发射载波时产生的无源互调形成干扰，影响着基站正常工作。本文将对NR基站在其大功率发射时对整机进行PIM失真信号的研究，定位无源互调（PIM）产物的位置，分析产生的原因，进行整改抑制使其满足坏境的要求，降低由于PIM产物带来的影响。同时搭建针对NR基站整机PIM测试（而非单独的无源器件）的测试系统。图3-1为当前NR基站外观图。图3-1NR基站外观图下表3-1为NR基站的基本参数。表3-1AAU基本参数信息尺寸（高×宽×高）795mm×395mm×220mm重量（Kg）40频段（MHz）模块1：3400-3600MHz;模块2：3600-3800MHz;输出功率（W）200W散热NaturalCooling工作温度（°c）-40°c-+55°c；载波配置单载波：100M/80M/60W/40W双载波：2×100M；2×40M工作电源（DC）-36V~-57V随着LTE的基站的广泛应用和NR基站的大力部署，基站的发射天线也在发生着变化，从传统的杆状天线到板状结构到一体化结构。对于基站天线的基本性能研究越来越多，低PIM作为基站天线特性的一个重要参数。同时，现在各个通信运营商对无源互调的危害了解越来越多，对PIM认识也更加深刻，对于基站发射天线的PIM性能要求也越来越高。基站大多工作在户外需要经历严寒酷暑和风吹雨打的冲击，在自然环境变化中不受到外界影响仍然能够正常工作。基站使用环境决定着其性能指标的要求越来越高，基站需要经过环境的测试，高低温冲击测试、淋雨试验、盐雾试验、温湿度测试、震动测试等。这些试验模拟基站天线在自然环境中天线PIM值的稳定性。ITU公布的草案《关于IMT-2020无线电接口技术性能最低要求》中要求：峰值速率：下行不得低于20Gbit/s，上行不低于10Gbit/s；峰值频谱效率：下行不得低于30bit/Hz，上行不低于15bit/Hz；带宽：最少支持100MHz的聚合带宽宽度5G频谱分为6GHz以下和6GHz以上两个频段，分别命名为FR1和FR2。FR1:频率范围为450MHz-6000MHz；最大信道带宽为100MHz；FR2:频率范围为24.25GHz-52.6GHz；最大信道带宽为400MHz。传统基站PIM测试法标准中对于单个无源器件的PIM失真信号有推荐方法，但对于基站设备作为一个整体时进行PIM失真信号测试尚没有明确的标准规范和测试方法。在实际应用中射频工程师一般采用分段排除法和敲击法进行试验。还有就是利用近场探头的方式进行测试。敲击法就是对基站产品测试出现问题时，采用皮锤或者小型工具，进行敲打基站设备的表面或者按照一定的顺序进行基站设备接地线、电源线、Alarm线接口处，射频端口接口处进行轻轻敲打，认为造成基站微微震动，此时另一人采用接收机或者频谱分析仪进行信号读取。频谱分析仪设置为“Clear”状态，设置分辨率带宽、视频带宽和扫描时间。当一位工程师敲击基站某个位置时，另一位工程师进行数据读取，与敲击前的数值进行比较，比较是否发生变化，初步判定出现问题的大概位置。该种方法存在很大的弊端，每位工程师敲击的力度不同，或者敲击点位置也不同，可能导致频谱分析仪读值把持不变或者变化太大，而且该方法不具有可复现性。同时对于NR基站，采用阵列式一体化天线，该基站外科为塑料壳，无法承受较大的敲击力度，敲击力度太小可能没有发生任何变化。该方法很难重现原有测试结果，导致系统测试稳定性不好，会增大测试时认为误差，不利于试验需要。同时若PIM失真信号很微弱，就需对PIM失真测量系统进行方法改进，确保频谱分析仪或接收机的动态范围与灵敏度足够大，此时可在频谱分析仪前端添加低噪声放大器，以增加试验时接收系统的动态范围提升接收灵敏度。近场探头测试法另外应用较多测试方法为采用近场探头法，通过近场的探头连接频谱仪直接读取基站设备某一位置处的测试结果。目前针对电磁干扰（EMI）一般分为远场法和近场法两种方法进行测试。远场法包括电波暗室测试法（3m测试距离、10米测试距离等）和开阔场地法[23]，采用远场法便于准确测量被测量设备的电磁辐射信号。针对部分产品当测试出现不合格时，基于产品的问题位置快速定位进行被测设备（EUT）的预测试和诊断测试有一定的帮助。近场法测试时基本测试系统包括近场系列探头、前置低噪声预防大器和接收设备，接收设备可以是高精度的频谱分析仪或接收机亦或是手持便携式的频谱分析仪。该方法测试时测试系统包括：近场探头（有多个）、前置低噪声预放大器和手持便携式频谱分析仪，便于试验过程中手持进行操作，同时采用近场法可以减少试验空间资源，在较小的空间内就可以进行近场的探测预测或排查问题。试验时基站应在屏蔽室内进行，减少外界电磁环境对被测量设备的干扰和影响。r=λ2π上公式中，r为场源到测试位置的距离；λ为电磁场的波长；当试验时场源从近场逐渐向远场变化过程中，该场强变化是在逐渐变化的过程，远场与近场进行边界条件划分也不是绝对不变的。上式（3-1）作为近场和原厂划分时，仅适用于较小的物体。试验时调试NR基站设备，使基站工作在正常的工作状态下进行NR基站近场探测。在手持设备输入口出连接低噪声预防大器，根据实际测量位置进行更换场强探头。近场探头测试法试验图3-2所示。图3-2近场测试手持终端试验时先调试NR基站设备，调试基站使其进入正常工作状态，NR基站工作在N77信道，工作主频为两载波频率分别为3420MHz和3590MH，带宽为20MHz，NR基站发射功率为80W，即为49dBm。试验时在NR基站的发射板上用低PIM的负载进行代替发射天线，该负载将吸收到大部分基站发射能量。使基站工作在正常的工作状态下进行NR基站近场探测。在手持设备输入口出连接低噪声预防大器，根据实际测量位置进行更换场强探头。对于基站最直观的检测方法就是近场探头读取法，试验时将近场探头接近基站的某一部位，将近场探头沿着基站天线接口处线缆由远及近进行移动，移动的同时观察频谱仪上的数值变化，初步判定噪声的方位和来源。但这种测试方法不准确，经常出现难以定位产生信号根源的情况。实际测试时，采用近场探头读取几组测试结果，每次测试结构偏差较大。当近场探头越靠近NR基站设备测试值越大，当近场探头远离NR基站设备测试值变小。使用探头的位置，选用不同的探头在同一位置处测试结果也不尽数相同。该种方法不能作为准确的测量方法。虽然近场探头直接读取测试结果不够精确，可以辅助进行后期的PIM失真整改测试。此方法得到的数据不是比较严格，但能够在工程应用中提供大概的参考位置。探索NR基站整机PIM失真测试法移动基站设备包括电源模块、射频模块、辐射单元、天线、滤波单元等结构单元，涉及到很多无源器件，包括普通无源组件和低无源组件，包括多工器、低互调双工器、滤波器、耦合器、衰减器、低互调负载、同轴电缆和波导等。基站发射天线为无源器件不包含有源电路中的电子器件。传统基站发射天线数量通常是两个、四个或者八个。当基站发射的基频信号为两载波信号时往往由于互调产生新的干扰信号，造成通信容量的降低。5GNR基站机构特殊，往往采取阵列式一体化天线，天线间距离短且天线数量多（一般为32口或为64口天线）。在传统基站进行PIM失真信号测试时，都是将其无源器件拆离后单独进行测试。该方法存在一个弊端，单独的无源器件进行PIM失真测试可能性能比较好，但当其与其他器件组成基站设备时，由于材料的非线性和接触非线性导致再次出现PIM失真信号。无源互调诱发因素有很多引起原因也很复杂，主要包括为接触的非线性和材料的非线性。材料的非线性是由材料本身或者材料工艺导致的，如器件表面接触不良好存在锈点；或者器件接触表面发生相对滑动和磨损；固定器件的螺丝出现松动。在进行基站无源互调测试时，需要做到测试使用的电缆和适配器满足低PIM的特性。吸波载波的负载满足低PIM的特性；电缆之间连接头干净无杂质，可以用无水酒精擦拭电缆的链接处，在链接时电缆处拧紧不松动，并且本着连接器和电缆能少用则少用的原则，减少对试验的影响。基站滤波器、排线、表面金属盖等对于PIM的影响。在基站表面板结合处粘贴铜箔等导电材料。对IEC62037测试法解读如下，信号发生器输出功率经过放大器进行放大处理，再将大信号加载进入无源器件，通过空间反射进行PIM信号的接收处理。如图3-3所示。NR基站发射