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12-2015

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Messtechnik

Messtechnik PIM-Messungen im Labor und im Feld Passive Intermodulation (PIM) bereitet Betreibern von Kommunikationsnetzen wachsende Probleme. Sie müssen einerseits mit beschränkten Bandbreiten auskommen und gleichzeitig ihren Kunden höchste Datenqualität bieten. Signalverschlechterung durch PIM reduziert die verfügbare Bandbreite und kann die Übertragungsqualität mobiler Netze deutlich beeinträchtigen. PIM- Analyzer spielen daher eine wichtige Rolle bei der Bekämpfung des PIM-Problems im Feld, aber auch in Entwicklungslabors. Unter Verwendung des Artikels: „About PIM: Forward – Reverse – Residual” Wolfgang Damm AWT global Bild 1: Elektrisches Modell der PIM-Quelle in einem HF-System PIM ist eine unerwünschte Signalverzerrung, die vom nichtlinearen Verhalten passiver Komponenten im HF-Pfad von Telekommunikationssystemen verursacht wird. PIM tritt auf, wenn diese Systeme von zwei oder mehr Signalen simultan durchlaufen werden. Multi-Carrier-Systeme sind die Norm bei heutigen internen DAS-Installationen. PIM kann nicht nur die Signalqualität beeinträchtigen, sondern auch die Systemleistung so schwerwiegend beeinflussen, dass sogar Anrufe verloren gehen. Moderne Kommunikationsnetze werden wie nie zuvor von Nutzern herausgefordert, die große Datenvolumen für ihre Smartphones und Tablets verlangen. Um das höchste Niveau in Hinblick auf die Bereichsabdeckung, Leistung und Zuverlässigkeit aufrecht erhalten zu können, müssen daher alle Quellen für Interferenz beseitigt werden. PIM kann von verschiedenen Quellen verursacht werden, u.a.: • Verbindungen von Metallen mit unterschiedlichen elektrischen Merkmalen • Korrodierten Komponenten und Strukturen • Ferromagnetischen Metallen wie Eisen, Nickel und Stahl • unregelmäßigen Kontaktbereichen, die einen nicht konsistenten Fluss von Elektronen verursachen und dadurch inhomogene elektrische Felder erzeugen • Funkenentladungen, die von unter Spannung stehenden Verbindungs- und Trennungsvorgängen verursacht wurden und dadurch „Krater“ auf den Anschluss-Flächen produziert haben, die zu chemischen Reaktionen führen. • „Rostiger Bolzen“-Effekte: Diese PIM wird im HF-Pfad zwischen Sende- und Empfangs-Antenne erzeugt. Die Notwendigkeit, PIM-Auswirkungen zu reduzieren, macht das Testen auf passive Intermodulation in Komponenten und zellularen Installationen zu einer ständigen Pflicht. Dies ist für Systeme, die mehr als einen Träger gemeinsam benutzen, besonders wichtig. Vorwärts- und Rückwärts-PIM Wenn das PIM-Niveau in Telekommunikationseinrichtungen zu hoch ist, wird die Ursache oft bei Komponenten und Verbindungen gefunden. Stauboder Metallpartikel auf den Steckflächen, zerkratzte Oberflächenvergütungen oder verschiedene Metalle können PIM herbeiführen. Bild 1a zeigt eine Verbindung zwischen zwei Speise kabeln. Wenn die Verbindung PIM verursacht, gilt das elektrische Modell in Bild 1b. Die HF-Quelle stellt die PIM-Quelle in den Steckverbindern dar, die Signale mit einer niedrigen Leistung und einer Frequenz erzeugt, die mit dem Intermodulationssignal übereinstimmen. Der Generator speist das IM-Signal so in die Speisekabel ein, dass es sich in beiden Richtungen ausbreitet: in Richtung des Systemausgangs (Antenne) und des Systemeingangs (Empfänger). PIM in Richtung der Antenne wird als Vorwärts-PIM, PIM in Richtung des Empfängers als reflektierte oder Rückwärts-PIM bezeichnet. Der Empfänger der Basisstation wird während der PIM- 50 hf-praxis 12/2015

Messtechnik Bild 2: Blockdiagramm eines Single- und eines Dual-Port-PIM- Analyzers Tests durch den Empfänger des PIM-Analyzers ersetzt. Ankommende HF-Signale sind natürlich sehr schwach und können in der Größe von -117 dBm liegen. Es wird nicht viel Energie benötigt, um mit diesen Signalen zu interferieren. Wenn reflektierte PIM sich mit diesen ankommenden Up-link-Signalen mischt, werden die Signale verzerrt, und die Qualität der Mobilfunkverbindungen fällt deutlich ab. So wird PIM gemessen Viele passive HF-Komponenten, wie z.B. Dämpfungsglieder, lassen sich in beiden Richtungen ohne Unterschied verwenden. Messungen von Vorwärts- und Rückwärts-PIM können leicht unterschiedliche Ergebnisse zeigen. Deshalb sollten PIM-Angaben auf den Datenblättern der Hersteller sowohl die Vorwärtsals auch die Rückwärts-PIM- Charakteristiken einschließen. Der internationale Standard für PIM-Messungen ist IEC 62037. Nur PIM-Tester, die diesem Standard vollständig entsprechen, garantieren, dass die Messungen auf sinnvolle, vergleichbare und wiederholbare Art und Weise durchgeführt werden. PIM-Analysegeräte sind wichtige Werkzeuge sowohl für R&D-Ingenieure im Labor als auch für Messungen im Feld. Analyzer für im Feld tätige Techniker beispielsweise sind normalerweise Single-Port-Anschlusssysteme, während Dual-Port-Analyzer vorwiegend im Labor und in der Produktion eingesetzt werden. Dual-Port-Analyzer sollten nicht mit Dual-Band-Analyzern verwechselt werden. Diese sind für zwei Frequenzbänder ausgelegt, während die Dual-Port- Analysatoren zwei Anschlüsse für Rückwärts- und Vorwärts- PIM-Messungen haben. Single- und Dual-Port-Analyzer teilen sich den größten Teil ihrer Architektur (Bild 2). Beide enthalten zwei variable, unabhängige HF-Generatoren, die zwei Hochleistungverstärker (HPAs) treiben. Die erzeugten Signale sind hinsichtlich Frequenz und Pegel variabel. Die Generatoren können auf jede Frequenz in ihrem speziellen Band eingestellt werden, für das sie konzipiert sind. Ein Ultralow-PIM-Combiner addiert die Verstärkersignale und leitet die kombinierten Träger zum TX- Port eines Duplexers. Der Duplexer muss für sehr hohe Entkopplung zwischen dem Highpower-Tx-Port und dem für sehr schwache Signale ausgelegten RX-Port sorgen. Je höher die Entkopplung dieses Duplexers ist, um so größer wird der dynamische Bereich des PIM-Testsystems. Der Ausgang des Duplexers ist im Prinzip der Rückwärts-PIM-Port des Analyzers. Mit der Ausnahme von Antennen und Lasten erfordern alle DUTs externe Abschlüsse um PIM-Messungen durchführen zu können. Antennen strahlen die gesendete HF-Leistung direkt in die Luft ab, Lasten wandeln sie in Wärme um. Jedes Testkabel und jede Last, die für PIM-Tests verwendet werden, muss deutlich bessere PIM-Werte aufweisen als das jeweilige Testobjekt (DUT), um genaue Messungen zu ermöglichen. PIM-Signale, die am Analysatorport ankommen, werden zum RX-Anschluss des Duplexers geleitet. Die Duplexer-Frequenz korreliert mit dem Empfangsbereich des drahtlosen Systems. Ein hochempfindlicher Empfänger misst dann die Leistung des Intermodulationssignals. Dual-Port-Analyzer bestehen aus allen diesen Elementen, enthalten aber noch zusätzlich: • einen zweiten Duplexer, identisch mit dem ersten • einen zusätzlichen internen Abschluss mit hoher Belastbarkeit und niedriger PIM • einen Schalter mit sehr guten Intermodulationseigenschaften Der zweite Port ist mit dem zweiten Duplexer verbunden, der einen abgeschlossenen Tx-Port hat. Da ein interner Abschluss vorhanden ist, benötigen Dualport-Analyzer keine externen Lasten, um 2-Port-DUTs abzuschließen. Der Rx-Port des zweiten Duplexers misst die Vorwärts-PIM-Leistung. Ein Low-PIM-Schalter schaltet zwischen den Rück- und Vorwärts- PIM-Messungen um. Feldtechniker arbeiten meist mit Single-Port-Analyzern (Bild 3). Während der PIM-Messungen werden System-PAs und Empfänger der HF-Systeme abgetrennt und stattdessen der PIM- Analyzer angeschlossen. Er erzeugt nun zwei CW-Töne mit hoher Leistung im Sendebereich des gemessenen Systems. Es ist wichtig, mit genügend HF-Leistung während der PIM-Mes- Bild 3: Tragbarer PIM-Analyzer mit einer konstanten Ausgangsleistung von 2x 20 W, entsprechend der PIM-Spezifikation IEC62037 hf-praxis 12/2015 51

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