《NR基站整机PIM测试系统研究》7500字

NR基站整机PIM测试系统研究综述目录TOC\o"1-2"\h\u241091.1验证电波暗室环境稳定性 148501.2电波暗室内建立测试模型 33851.3电波暗室内空间杂散校准 4272451.4搭建测试系统验证背景噪声 7164641.5NR基站PIM失真测试 10验证电波暗室环境稳定性由于无源互调失真信号相比发射载波信号小很多，很容易受到外界复杂的电磁环境干扰。同时，在暗室内进行测试可以避免外界其他大功率信号的干扰，使测试环境更理想化，便于试验的有序开展。因此，无源互调失真信号测试可在暗室内进行，并且暗室内整体环境也应满足低PIM的要求。当暗室满足测试环境稳定时再进行PIM失真信号测试。在试验前先进行暗室低PIM性能的验证。验证的设计方案如下：在暗室内放置一个发射天线和接收天线，测量两天线之间的距离为3m，发射天线和接收天线等高距离暗室水平地面距离为1.5m，发射天线和接收天线处于过转台中心的中轴线上，用激光定位仪确保发射天线和接收天线以正对。根据弗利斯（Friis）传输公式可知，当发射和接收天线相距d，并且以最大增益方向对准校准时，场地衰减SA可简化为：SA=其中：Pr:接收天线接收功率（dBm）；Pt:发射天线输入功率（dBm）；Gt:发射天线相对于全向天线的增益（dBi）；Gr:接收天线相对于全向天线的增益（dBi）；d：发射和接收天线的距离（m）；f:频率（Hz）。经过公式变换运算可得：SA+G=−G此时，已知发射天线和接收天线的增益便可进行算出场地衰减值。试验时先通过信号源进行信号输出，输出信号经过功率放大器进行信号的放大处理，用功率计通过定向耦合器进行信号监视，调节信号源输出，使发射正向功率为43dBm。考虑到发射功率较大，在接收天线后端加上10dB衰减器处理，避免频谱分析仪处于饱和状态，记录此时频谱仪读取结果Pr1。保持接收天线、接收线缆等接收系统不变，进行基站环境的搭建。除非另有新规定，基站工作时的配置、安装、布置和运行应与典型的应用情况相一致。试验时先安装被测设备，将基站挂在木质抱杆上，该基站发射天线紧紧扣基站发射板上属于一体化基站。将基站放在暗室内转台中心，调节基站发射天线的中心点使之距离水平参考接地平面距离为1.5m，调节基站位置使其正对接收天线且与接收天线之间水平距离为3m。连接基站设备的电源，将基站电源线正负极分别接至转台底部的正负极接线桩，同时将基站机壳处的接地线与暗室内地线相连接。基站由直流源进行供电，设置直流源输出端口给被测设备供电。试验时所有的辅助设备和测试床都放在暗室外，辅助设备和测试机柜上监控设备通过暗室底部的波导孔用光纤进行连接。此时，调试基站使其进入正常工作状态，NR基站工作在LTEBand14信道，工作主频为763MHz，带宽为10MHz，基站发射功率为20W，即为43dBm。Pt2=此时进行设置频谱分析仪，在频谱分析仪的offset位置处设置场地衰减值SA的补偿值，然后进行一体化基站信号的测量，如图4-1所示。图4-1SVSWR布置示意图由图4-1可以看出，测试基站工作中心频率为763MHz，实际测试带宽为9.015MHz（考虑基站信号两侧边带信号时带宽发射带宽应为10MHz），实际测试到基站发射功率值为41.25dBm。通过对基站实际工作时进行监控发现基站发射功率在43dBm左右进行微小范围的波动而非一直稳定在该发射功率值。同时由于基站实际布置时高度的测量，距离接收天线的距离测量可能存在测量误差，导致实际测试结果比基站实际发射小。再进行基站位置上微调重新测试时，测试功率值为42.02dBm，与理论发射值误差在1dB以内，则判定暗室内测试系统稳定，该基站实际发射信号未受到其他干扰。电波暗室内建立测试模型NR基站在电波暗室进行PIM失真测试试验，先确定几个测试模型（该模型是指进行规范化的步骤操作，确保每次试验时暗室内环境一致性良好），有助于减少测试人为操作误差，有助于规范化操作提升测试的稳定性和可复现性。这些模型包括基站布置方式、基站设备与辅助设备之间链接方式、采用力矩扳手进行射频电缆与连接器连接等。在室外的铁塔和信号塔上随处可见基站挂靠在信号塔上，信号塔往往几十米高，基站挂靠时一般采用垂直安装具有一定的下倾角，这样将可以使基站发出信号能够更广泛地传输周围小区用户，使信号的覆盖面积更大。基站设备一般采用挂靠式样垂直安装，挂靠式安装一般分为机械式和电子控制式。机械式下倾角就是基站依靠背面的天线支架的角度进行调节，适当调整与垂直方向上的夹角范围，在进行下倾角调整时需要关闭发射信号，需要维修人员爬上铁塔进行人为操作进行手动的调整，直至符合要求，这样费事费力效率也不高。电子式下倾角的调整就是指基站的发射天线保持不变的状态，通过特定的操作来调节发射天线的相位，使发射天线的相位发生变化进而改变合成的电场强度，导致天线的主瓣发生一定的偏离。电子式下倾角调节可以采用远程控制的方式进行，不需要人工爬到铁塔手动操作，提高基站的运行效率。无论是机械式下倾角调节还是电子式下倾角调节，都是建立在基站进行远距离信号传输的基础上。实际测试时基站也采用挂靠式垂直安装，由于在暗室内测量距离较近（3m距离或者10m距离相对于实际应用时的百米级别甚至千米级别距离来讲距离非常短约为1/100），此时进行基站安装时不必进行下倾角的调整。即基站依旧采用挂靠垂直式安装挂在定制的非金属抱杆上，基站底端垂直于暗室水平参考地面，基站发射天线所在的平面正对接收天线。这样安装方式有助于基站PIM失真试验准确确量与接收天线之间的测试距离，同时也有助于确保基站发射载波信号的稳定性和试验的可复现性。试验时NR基站在暗室内，其他辅助设备都需在暗室外放置。NR基站与辅助设备之间一般通过光纤进行通信连接。准备好试验所需的光纤，通过电波暗室内墙壁上预留的波导进行穿线将波导口的缝隙用导电铜编织带堵上，光纤一端位于电波暗室外另一端留在暗室测试静区（转台底部），试验时将按照光纤序号进行基站和辅助设备的连接。对于需要使用网线进行控制的基站产品，不可将网线直接通过波导进行穿线，应该使用一对光纤收发器，在暗室内部放置一个转换器，网线端口连接NR基站，光纤通过电波暗室预留的波导孔穿出，在暗室外部放置一光纤收发器，网口连接辅助设备，避免网线直接穿入电波暗室内部带来外界耦合信号的干扰。影响PIM失真的原因包括接触的非线性。当系统中的接头较多时，如果连接器与器件彼此之间力矩太小或连接不匹配时会产生PIM失真。在基站进行多次试验操作过程中很难做到无源器件之间的接口适配、扭矩完全一样。对于测试系统，包括接收天线、衰减器、带通滤波器、低通滤波器、低噪声预放大器、连接器等器件进行连接时使用型号相符的力矩扳手。力矩扳手可以使器件之间的扭矩值保持一致，达到设定的力矩时会进行报警提醒。电波暗室内空间杂散校准在4.1节中介绍了辐射功率的替代法试验的原理，对于已知的频率和发射功率的基站信号可用替代法进行试验，即采用信号源及功率放大器进行发射信号。由于基站发射功率和采用信号源输出功率都是43dBm，且都是在单一频点进行的替代法试验。考虑到无源互调失真的信号比较微弱且发生频率具有未知性，决定对测试频率范围（30MHz-6GHz）进行预校准法校准空间损耗，提前校准好和试验场景一致的电波暗室内部空间损耗，将校准的空间损耗补偿进入测试系统。同时，也校准接收天线端口至频率分析仪（接收机）之间的滤波器和低噪声预防大器的插入损耗、射频线缆的路径损耗，补偿进入测试系统。当NR基站进行工作产生PIM失真信号时可以进行信号捕捉，将空间损耗值和插入损耗以及路径损耗代入，即可测试出此时PIM失真信号功率值。计算公式如下：EIRP=P其中：P:接收天线接收功率（dBm）；Lt:滤波器+低噪声预放大器的插入损耗（dB）；Lr:测试系统接收天线和测量接收频谱仪之间射频线缆的路径损耗（dB）；LA：电波暗室内部的自由空间损耗（dB）；Gr1：校准时天线相对于全向天线的增益（dBi）；试验时采用高增益的天线作为接收天线，接收天线与校准时天线完全相同。接收天线增益为Gr，此时Gr1与Gr相等。电波暗室内空间损耗与场地衰减关系如下：LA由公式（4-4）和（4-5）可得：EIRP=P即测试结果等于频谱分析仪（接收机）的测量结果、射频线缆路径损耗、滤波器和低噪声预放大器的插入损耗、电波暗室场地衰减值和发射天线增益（校准证书校准报告查阅）之和。将测试结果计算得出就是此时NR基站设备对应某一频率上的无源互调失真测试信号值。对于天线增益一般通过dBi和dBd两种表示方式，dBi是接收天线相对于等效全向天线的增益，dBd是接收天线相对于偶极子天线的增益，计量校准时一般给出增益值单位为dBi，并且dBi和dBd两种表示方式之间可以进行换算：GdBi结合公式（4-6）和（4-6）即可计算出NR基站无源互调信号的发射值。发射天线和接收天线都分为垂直极化和水平极化方向，在进行校准时需要校准两个极化方向上的电波暗室损耗值，并且确保发射天线和接收天线的极化方式相同。对于接收系统中射频线缆在实际应用时选择衰减值较小的低PIM失真的线缆；对于带通滤波器、高通滤波器和低通滤波器应选择低PIM失真的滤波器并尽量减少无源器件之间连接器的数量，使用力矩扳手适度拧紧。对于低噪声预放大器，选择增益值较高、预防大器平坦度较好的预放大器，可以将微弱的测试信号进行放大处理；对于接收机或频谱分析仪应采用精度高的动态范围较大的设备进行。当试验所需的仪表和各种器件准备完成后进行电波暗室内空间损耗的实际校准工作。试验需要信号发生器或者矢量网络分析仪、同轴射频线缆、一对10dB衰减器、发射天线、接收天线和接收机（频谱分析仪）以及连接器，试验过程如下：1)采用矢量网络分析仪S21的模式进行校准。将矢量网络分析仪放置在电波暗室外，矢量网络分析仪端口1和端口2两个端口分别连接射频同轴线缆，该两条射频线经过电波暗室波导连接进电波暗室内部，在该射频线缆穿入电波暗室的端口分别接上一个10dB衰减器，再用连接器将两个衰减器连接起来，形成一个闭合回路。通过软件控制矢量分析仪按照一定的步进方式进行设定频率范围的整个通路的线缆衰减值测量，测试结果为Vdirect。2)取下连接两个10dB衰减器的连接器，与矢量网络分析仪发射端口相连接的同轴线（带有10dB衰减器）与发射天线相连；与矢量网络分析仪接收端口相连的同轴线（带有10dB衰减器）与接收天线相连。将发射天线置于转台中心，其高度调节为150cm，接收天线置于天线塔上高度设置为150cm，发射天线和接收天线极化方向相同处于同一轴线上，测试距离为3米，如图4-2所示。通过软件控制矢量分析仪按照之前的步进方式进行设定频率范围的空间损耗衰减值测量，测试结果为Vtest。图4-2电波暗室空间损耗校准布置图3)对测试频率范围内的数据进行计算，根据空间损耗校准原理可知，场地衰减值SA等于Vdirect与Vtest1的差值。查阅发射天线和接收天线的校准证书得到两天线的增益Gt和Gr，则可计算出该天线极化方向下的电波暗室场地空间损耗LA1。4)采用同样的校准方法，更换发射天线和接收天线的极化方向，确保天线与线缆之间的连接适配不松动。然后通过网络分析仪按照设定的频率步进进行校准，测试结果为Vtest2。根据发射天线和接收天线的增益Gt和Gr，则可计算出该极化方向下的电波暗室场地空间损耗LA2。搭建测试系统验证背景噪声当电波暗室内的空间损耗校准完成后，进行接收天线到频谱分析仪之间的射频线缆的路径损耗、滤波器和预放大器的插入损耗等校准工作。为防止基站的工作频率载波功率过大导致接收机饱和，同时为了更好地进行PIM失真信号测量，需要对载波信号进行处理。本文以带通带阻滤波器为例进行滤波器的插入损耗校准。本次试验时基站工作频率在LTEBand14频段，基站工作频率下行频率范围为758MHz-768MHz。进行滤波器校准时，采用信号发生器和接收机进行信号的发射和接收。为了提高校准时精度，滤波器校准采用参考法分两步骤进行。首先将两根低PIM失真的射频线分别连接信号发生器和接收机，两根线缆另一端用连接器进行连接，进行参考线缆的校准。设置测试软件信号输出功率为0dBm，关掉信号发生器的调制方式；设置接收机分辨率带宽，关掉接收机内置衰减和内置增益，按照一定的步进方式校准参考线缆。S1然后将连接器拆下把滤波器串联接入两根射频线缆之间。连接信号发生器射频线缆另一端连接至带阻滤波器的输入端口，在带阻滤波器的带通输出端口处端接低PIM的负载进行载波信号的吸收；连接接收机的射频线缆另一端接入带阻滤波器的带阻输出端口。软件中信号的设置保持不变，进行滤波器的校准。S1由公式（4-8）和（4-9）计算即可计算出滤波器的插入损耗值：Lt建立相应的滤波器插入损耗数据表，校准结束后保存结果，图示化展示滤波器校准插入损耗值，如图4-3所示。图4-3带通带阻滤波器的损耗值从图上可以看出，该滤波器的信号隔离度性能良好，在758MHz-768MHz范围衰减值达到82dB，滤波器在其他频率范围插入损耗值较小且具有良好的平坦度。按照参考校准法依次进行高通滤波器、预放大器、接收线缆等损耗的校准，将校准数据进行保存，加载进入测试软件。本次试验测试频段为500MHz-6GHz，采用混合天线VULB9163和型号3115的喇叭天线进行测试。在500MHz-1GHz使用VULB9163，在1GHz-6GHz使用喇叭天线3115。然后进行硬件系统的搭建，接收天线后端接入带通滤波器的输入端口用力矩扳手拧紧保持不松动，滤波器带阻输出端口连接低PIM失真的负载进行载波信号的吸收，滤波器带通输出端口连接低噪声预放大器，低噪声预放大器输入端口接口类型是SMA接头，用力矩扳手进行拧紧避免用力太大损坏接口，低噪声预放大器输出端连接低PIM失真的射频线缆，该射频线缆与接收机相连，射频线缆长度越短越好。电波暗室内布置图如图4-4所示，完成电波暗室内PIM失真测试系统搭建后进行环境噪声的测试。图4-4电波暗室内测试系统布置图用软件进行测试，在测试软件里依次对接收机、测试转台、天线塔等设备进行参数设置。在试验频段500MHz-1GHz范围时接收机的分辨率带宽为100KHz、视频带宽为300KHz，设置接收机检波方式为RMS，设置接收机扫描点数和测试时间等，设置转台进行连续选旋转，天线固定在1.5m的高度。将控制仪表的各种参数设置完成，将之前校准的空间损耗、线缆路径损耗、滤波器和低噪声预放大器的插入损耗加载进入软件。接收天线的设置如图4-5所示。经过调研了解得知目前基站设备的主频工作频率都在400MHz以上，本次PIM失真信号研究的起始频率为500MHz，考虑到目前基站设备的工作中心频率都在6GHz以下，终止频率为6GHz。毫米波范畴的基站应用较少，后期可继续进行研究。图4-5接收天线软件中设置参数对软件进行参数的设置，设置完成后先进行电波暗室内环境背景噪声的测试，采用SWEEP的扫描方式进行测试，研究目前的测试系统的背景噪声。如图4-6和图4-7所示，分别是采用目前测试系统可进行测试500MHz-1GHz、1GHz-6GHz、频段的背景噪声大小。图4-6电波暗室500MHz-1GHz背景噪声图4-7电波暗室1GHz-6GHz背景噪声上图4-6和图4-7分别是采用低PIM失真的器件在电波暗室内部进行环境背景噪声的测试。通过数表可以清楚反馈出当前背景噪声比较低，如果有无源互调信号产生基本可以观察捕捉到，再此基础上进行试验。NR基站PIM失真测试在电波暗室内接收系统搭建好以后进行暗室稳定性验证，即采用信号发生器发射一个信号，在接收端进行测量，比较通过计算得出的结果和真实发射信号的差异。试验时用信号发生器发射频率为5.2GHz，发射功率值为-49.5dBm。实际通过测试系统测试计算发射在5.2GHz处的信号功率为-50.255dBm，与真实值之间差值为0.755dBm，则认为暗室内部环境稳定。试验时先安装被测设备，将基站挂在木质抱杆上，该基站发射天线为32个并且紧紧扣基站发射板上属于一体化基站。将基站放在暗室内转台中心，调节基站发射天线的中心点使之距离水平参考接地平面距离为1.5m，调节基站位置使其正对接收天线。连接基站设备的电源，将基站电源线正负极分别接至转台底部的正负极接线桩，同时将基站机壳处的接地线与暗室内地线相连接。基站由直流源进行供电，设置直流源输出端口给被测设备供电。试验时所有的辅助设备和测试床都放在暗室外，辅助设备和测试机柜上监控设备通过暗室底部的波导孔用光纤进行连接。此时，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。试验布置图如图4-8所示（该拍摄角度时测试转台为180度）。图4-8NR基站PIM失真测试布置图NR基站的天线尺寸较大，试验时要确保接收天线的3dB波瓣宽度能够覆盖被测设备，试验时设置接收天线进行升降以尽可能接收到NR基站的各个位置处的发射功率值，接收机模式设置为最大保持模式。设置测试转台转速，使NR基站在试验时保持360度的方向进行均匀转动。试验时为30MHz-1GHz和1GHz-3GHz和3GHz-6GHz三个频段范围进行，图4-9所示的是NR基站在3GHz-6GHz频段范围内接收天线极化方向为水平极化状态时测试结果。图4-9NR基站PIM失真测试结果图由图4-9可以看出NR基站在低PIM的负载吸收掉大部分发射能量后还有