Passive Intermodulation

Warum Passive Intermodulation (PIM) und PIM-Testing immer wichtiger wird

Die moderne Kommunikation findet immer mehr drahtlos statt, an die Stelle von Desktop-PCs treten Tablets und Smartphones, die mit schnellen Mobilfunk-Standards wie LTE ausgestattet sind. Geschäftspartner sollen erreichbar sein oder persönliche Kontakte wollen gepflegt werden, Warenbestände auch unterwegs zugänglich sein. Für die Nutzer ist daher ein ungestörter, ununterbrochener Empfang essenziell.

Doch mit höheren Datenraten in einem begrenzten Frequenzband wird die Empfindlichkeit bzw. das Signal-Rausch-Verhältnis immer wichtiger. Passive Intermodulation kann erheblich zum Grundrauschen im Kommunikationsband und damit zu verringerter Empfindlichkeit beitragen.

Intermodulation ist ein Phänomen, welches durch nichtlineare Übertragungskennlinien unter 2-Ton-Anregung verursacht wird. Dabei treten Mischfrequenzen nach folgendem Bildungsgesetz auf:

Fmisch = ±m*F1 ±n*F2      (m, n: ganze Zahlen, F2 > F1)

Die Ordnung der Intermodulation ergibt sich aus der Summe der Indices: m=1, n=2 ⇒ Ordnungs=3 (IMD3).

Von besonderer Bedeutung sind hierbei die ungerad-zahligen Ordnungen, da die entstehenden Mischfrequenzen (insbesondere 2*F1 – F2) in die unmittelbare Nähe der Ausgangsfrequenzen (oder dem zugehörigen Uplink-Band) fallen und sich durch Filterung nicht unterdrücken lassen. Beispiel GSM850:

  Downlink (Basisstation → Mobiltelefon):             869MHz – 894MHz      
  Uplink (Mobiltelefon → Basistation):              824MHz – 849MHz      


Die Intermodulation 3. Ordnung (IMD3) für die Trägerfrequenzen F1=869MHz und F2=894MHz erzeugt Fmisch=844MHz und fällt somit in das Uplink-Band, wo es die Empfindlichkeit (und somit Sprach und Daten-Qualität) erheblich beeinflusst. IMD5 ist hier nicht relevant, da es bereits ausserhalb des Uplink-Bandes liegt. Das inverse Mischprodukt (2*F2 – F1 = 919MHz) muss natürlich ebenfalls beachtet werden, es könnte in ein anderes Frequenzband fallen.

IMD3

Im Allgemeinen sind die höheren IMD-Produkte (7. Ordnung und höher) unbedeutend, da die entstehende Leistung mit höherer Ordnung abnimmt. Allerdings nimmt auch die Leistung mit dem Pegel der Ausgangs- Frequenzen zu:

Ein Anstieg der Leistung von F1 und F2 um 1dB hat (theoretisch) einen Anstieg des IMD3-Produktes von 3dB zur Folge, IMD5 steigt um 5dB usw. In der Praxis beobachtet man etwas geringere Anstiegsraten.

Auch die Bandbreite des Mischsignals nimmt mit der IM-Ordnung zu. Das IMD3-Produkt hat die dreifache Bandbreite wie das ursprüngliche Sende-Signal.

Ursachen von PIM

Passive Intermodulation in Kabeln und Verbindern wird häufig verursacht durch Korrosion, Verschmutzung, nicht fachgerechter Montage von Stecker und Buchsen und auch durch mindere Qualität bei den Materialien. Daneben spielen auch die Materialien ein Rolle, ferro-magnetische Metalle (Hysterese) oder Ferrite (Zirkulatoren, Isolatoren) haben ebenfalls nichtlineares Verhalten und tragen so zu Intermodulations-Problemen bei.

Auf atomarer Ebene ist auch die best-polierte Kontaktfläche ein Gebirge, der Kontakt zwischen zwei Konnektor-Flächen ist auch bei hohem Anpressdruck eine große Zahl von Punktkontakten. Diese Metall-Metall-Kontakte verhalten sich stark nicht-linear (ähnlich wie Dioden-Kontakte) und tragen ebenfalls zu PIM bei.

Eingeschlossene Feuchtigkeit trägt erheblich zu Korrosion in Verbindungen bei. Auch wenn es verführerisch ist, Staub etc aus einem Verbinder “herauszupusten”: Atemluft ist gesättigt mit Wasser und wird auf lange Sicht die Verbindung verschlechtern. Trockene Druckluft (aus Sprühdosen) ist die bessere Wahl.

Ebenso verbietet sich das Berühren der Kontaktflächen mit den Fingern. Feuchtigkeit, Hautschuppen, usw. verursachen ebenfalls Korrosion.

Daneben stellen “externe” Korrosionsflächen eine weitere Quelle von PIM dar. Metallzäune oder ähnliche Objekte in der Nachbarschaft der Sendequelle können (durch rostige Kontaktflächen) ebenfalls PIM verursachen, daher ist auch bei der Planung der Anlagen auf die nähere Umgebung zu achten.

Wie wird PIM charakterisiert?

Praxis-Tests werden häufig mit 20Watt (≙ +43dBm) Trägersignalen ausgeführt. Soll eine Empfängerempfindlichkeit von -110dBm erfüllt sein, so darf das IMD3-Signal also nicht stärker sein. Der Abstand beträgt somit 153dBc.

PIM-Testsysteme

Zur praktischen Bestimmung von passiver IM bietet rflight mehrere Testsysteme an, die für verschiedene Anwendungsgebiete optimiert wurden:

NTPIMS-XXXX: Auto-switching S-Parameter & PIM-parameter Test-System

  • Freq Coverage: DD800, CDMA800, EGSM900, DCS1800, PCS1900, WCDMA2100, LTE2600
  • System IMD3 better than -165dBc, meeting the test requirements for dual ports base station antenna
  • Test port power rate: 2 channel carrier wave signal, min. +33dBm to max. +43dBm
  • Multi protections and inspection functions
  • Flexible combinations, to achieve multi-frequency-band automatic test through switch matrix
  • Capable for test of IMD3, 5, 7, 9, 11
  • Automatic testing of S parameter through RF switch matrix
  • Periodic calibration through software to ensure testing accuracy
  • effective heat radiation, high reliability
  • capable to present written test report
  • Software control for easy test mode switching: frequency, frequency sweep, transmit and reflection tests

NTPIM-XXXXD: Desktop-Test-System für Labor

  • Freq Coverage: 700BAND, CDMA800, EGSM900, GSM9OO, DCS1809, TD-SCDMA1800, PCS1900, TD-SCDMA2000, WCDMA2100, LTE2600
  • System IMD3 accuracy is over -168dBc, capable to test various passive components
  • Test port power rate: 2 channel carrier wave signal. min. +30dBm to max. +46dBm (+50dBm at customer request)
  • Multi protections and inspection functions
  • Flexible combinations, to achieve single freq. band for full freq. band test at lowest cost
  • Capable for test of IMD3, 5. 7, 9
  • Low Self Intermodulation and high accuracy
  • Effective heat radiation, high reliability
  • Capable to present written test report
  • Software control for easy test mode switching: frequency, frequency sweep, transmit and reflection tests
  • Outstanding cost-effectiveness

NTPIM-XXXXE: Outdoor-Testsystem für Fehlersuche und Wartungsarbeiten an Mobilfunk-Basisstationen

  • Frequency Coverage: CDMA800, GSM900, DCS1800, TD-SCDMA2000, UMTS2100, LTE2600
  • System IMD3 test accuracy is min ~168dBc, capable to test various passive base station antennas
  • Test port power rate: 2 channel carrier wave signal, min. +30dBm to max. +46dBm
  • Multi protections and inspection functions
  • Capable for test of IMD3, 5, 7 signals
  • High accuracy, good repeatability
  • Effective heat radiation, high reliability
  • Outstanding cost-effectiveness
  • High test speed, easy to operate