Feilsøkning på passiv Intermodulasjonsproblemer ute i felt

Passiv intermodulasjon, såkalt PIM, er et stort problem innen all trådløs- og mobil industri. Denne typer tester har vært utført gjennom de siste 15 årene i OEM-industrien. Når en ny mobilinstallasjon sender nye modulasjonsformater, installeres i et nytt antenneanlegg eller sammen med tidligere modulasjonsformater, så opplever man svært ofte at ytelsen totalt sett endres drastisk. I verste fall vil dette resultere i tap av antall mobilkanaler og redusert dekning. Dette er grunnen til at PIM-tester nå, mer enn før, er nødvendig under en feltinstallasjon.

Hva er PIM?
PIM er en form for intermodulasjonsforstyrrelser som oppstår i komponenter som vi vanligvis betegner som lineære, som kabler, kontakter, og antenner. Vi vet av erfaring at lineære komponenter ofte kan generere støysignaler på grunn av den høye RF effekten.

Ute i felten vil PIM-tester være et viktig verktøy for å sjekke linearitet og kvalitet på komponentene i en basestasjon.

PIM viser seg oftest som uønskede signaler forårsaket av miksing av to eller flere sterke RF-signaler i en ikke-lineær komponent som kan være løse eller korroderte kontakter, eller i objekter nær basestasjonen som er belagt av rust. Andre kjente navn på PIM er diodeeffekt eller rusten skrue-effekt.
Denne enkle oppstillingen kan forutsi PIM-frekvenser for to bærebølger:

NF1 – MF2
NF2 – MF1

F1 og F2 er bærebølgefrekvenser og konstantene N og M er positive ulike tall. Når vi snakker om PIM-produkter så kalles N + M produktsummen, slik at om M er 2 og N er 1 så vil resultatet bli 3, et 3 ordens produkt. Typisk vil 3 ordens produktet være det sterkeste signalet som forårsaker mest skade, fulgt av 5 og 7 ordens produkter som også kan forårsake stor skade. Da PIM amplituden blir mindre med økende orden vil det være slik at disse høyere produktene ikke gir direkte frekvens problemer men de er likevel med på å øke støy gulvet vesentlig.

Når dette økende støygulvet sendes inn i sender frekvens båndet, Rx båndet, så vil det direkte påvirke ytelsen til basestasjonen. Ofte vil en antenne forsterker ytterligere øke problemene.

En vanlig PIM-test vil nesten alltid konsentrere seg om 3. ordens forstyrrelser da disse er de mest forutsigbare. Likevel kan problemer forårsaket av 5. og 7. ordens produkter gi like mye redusert ytelse i en basestasjoninstallasjon.

Intermodulasjon IM, fra modulerte signaler
Intermodulasjon fra bærefrekvenssignaler (CW) som kan genereres fra en PIM-tester viser seg som enkel frekvens, CW produkter. Når vi fokuserer på PIM skapt av modulerte bærefrekvenser (en type feil vi lett ser på et aktivt signal) er det viktig å være klar over at intermodulasjon generert av modulerte signaler ofte tar mer båndbredde enn de opprinnelige signalene. Hvis for eksempel de opprinnelige signalene er 1MHz brede så vil et tredje ordens produkt ha en båndbredde på 3MHz, femte ordens vil ha 5 MHz båndbredde osv. PIM-produkter kan være svært brede og dekke store frekvensbånd.

Ved dekning av såkalte Spread Spectrum signaler (UMTS, LTE etc) i en basestasjon så vil miksingen av frekvenser (pga at det alltid er en viss ulineariteter i alle transmisjonslinjer) av for eksempel en trekanals UMTS transmisjon med et 10MHz LTE signal bli en ren katastrofe. I teorien vil disse to signalene kunne generere et 3. ordens produkt med en båndbredde på over 30MHz, og da har vi ikke tatt med 5. og 7. ordensproduktene som også vil bidra. Dette er et interessant eksempel da en signalbredde på opptil 100MHz + støy vil kunne genereres og måles.

PIM Beregning, eksempler
Her viser vi 2 PIM-eksempler: Ett fra 850MHz båndet og ett fra 1900MHz båndet.

I det første eksempelet ser vi av figuren at 1750MHz er et av 3 ordens produkter som vil falle inn i AWS-1 basestasjonens mottakerbånd. Hvis de viste 1940MHz og 2130MHz bærefrekvenskildene ligger nær hverandre eller kanskje er montert i samme antennemast vil ethvert korrosjonspunkt eller for eksempel en løs kontakt i installasjonen kunne generere en kraftig 3. ordens passiv intermodulasjon på 1710MHz som igjen vil kunne forårsake lav mottakerfølsomhet eller blokkering av mottakeren. Det er verdt å nevne at PIM produkter ikke trenger å ligge på uplink-kanalene for å gi problemer. De trenger bare å ligge med frekvens innenfor mottakerens inngangsfilterfrekvens som ofte kan være et bredbånds filter.

PIM Beregning, eksempler
Her viser vi to PIM-eksempler: Ett fra 850MHz-båndet og ett fra 1900MHz-båndet.

I det første eksempelet ser vi av figuren at 1750MHz er et av 3. ordens produkter som vil falle inn i AWS-1 basestasjonens mottakerbånd. Hvis de viste 1940MHz- og 2130MHz bærefrekvenskildene ligger nær hverandre eller kanskje er montert i samme antennemast vil ethvert korrosjonspunkt eller for eksempel en løs kontakt i installasjonen kunne generere en kraftig 3. ordens passiv intermodulasjon på 1710MHz som igjen vil kunne forårsake lav mottakerfølsomhet eller blokkering av mottakeren. Det er og verdt å nevne at PIM produkter ikke trenger å ligge på uplink-kanalene for å gi problemer. De trenger bare å ligge med frekvens innenfor mottakerens inngangsfilterfrekvens som ofte er et bredbåndsfilter.

Et PIM eksempel fra det mye brukte 900 MHz-båndet tar for seg to GSM bærebølger, en på 935MHz og en på 960MHz. I dette tilfellet vil 910MHz 3. ordensproduktet ligge i basestasjonens mottakerbånd.
Tre eller flere bærebølger
Beregningene og eksemplene hittil har tatt for seg fenomener ved to bærebølger. Dette er ofte ikke hele sannheten. Ved en basestasjon må man ta høyde for, ikke bare intern bærebølgeproblematikk, men også signaler fra nærliggende senderpunkter samtidig. Disse signalene kan finne veien tilbake til senderdelen av en nærliggende basestasjon, finne ulineare komponenter, blande seg med andre bærefrekvenser og lage PIM. Disse effektene oppstår raskt hvis flere og ulike modulasjonsformer benyttes. Dette er ganske åpenbare effekter når man vet at mobilsystemer ofte benytter bånd som ligger relativt tett inntil hverandre.

Når tre eller flere bærebølger er involvert blir beregningene raskt mer kompliserte. Da trenger man et godt verktøy for å finne disse PIM problemene.
Hvilke problemer finnes?
De problemene man etter hvert vil finne på et anlegg vil ikke alltid være relatert til PIM eller eksempelvis ulineariteter som mikrobøy og klem på kabler. Likevel kan en PIM-tester finne problemkilden. Dagens standard på PIM-testing benytter seg av to definerte bærefrekvenser og en beregnet PIM-frekvens som vises på en spektrumanalysator eller en enkel mottaker.
Den viktigste grunnen til at vi benytter PIM-testere for å lete etter mulige feilkilder av ulike slag er at dette i dag er det mest egnede verktøyet. Brukere kan finne mange feilkilder med et standard verktøy.

Et standard PIM-testsystem kan ikke måle S-parametre. Dette betyr at en vanlig PIM-tester ikke vil avdekke brudd og kortslutninger hvis ikke disse punktene gir ikke-lineare refleksjoner. En returtapsmåling som angir feil vil ikke kunne avsløres med et PIM-testsett. Det er viktig å være klar over at PIM-testing ikke erstatter tradisjonelle målemetoder på et antenneanlegg. Begge testtypene er like viktige og erstatter ikke hverandre.

Komponenter i et antenneanlegg vil alltid få redusert ytelse over tid. Alt fra et dårlig mekanisk design til en dårlig installasjon sammen med bidrag som alltid er der, nemlig fukt, vil senke ytelsen over tid.

Vi kan enkelt kategorisere de to målemetoder som utfyller hverandre, impedansrelaterte og linearitetsrelaterte målinger.
Impedansrelaterte målinger
En impedansrelatert feil kan lett finnes med en sweep-test. Små impedansvariasjoner vil kunne finnes som høye returtapsverdier. En basestasjon vil også vanligvis gi SWR-alarmer når returtapsverdiene er høye.
Et antennekabelstrekk som er skadet vil ikke kunne avsløres med en PIM-tester da lineariteten antakelig er akseptabel. PIM-testeren vil heller ikke kunne utføre en returtapsmåling. Installatøren må gjøre en sweep-måling for å finne skaden i antennekabelen.

Inntil nylig var SWR- og sweep-målinger den eneste veien for å kvalitetsteste en antenne- og kabelinstallasjon på et anlegg. I framtida vil nok en kombinasjon av sweep-målinger og PIM-relaterte målinger bli et krav. Ved stadig økende datahastigheter, mange ulike modulasjonsformer og svært trange frekvensbånd vil muligheten for intermodulasjonsproblematikk øke. Begge målemetoder er viktige og man kan si de utfyller hverandre og møter de stadig større utfordringene innen moderne trådløse anlegg med hensyn til feilsøking og kvalitetskontroll.
Last- og linearitetsrelaterte feilkilder
En feil relatert til belastning er den type feil som oppstår under påtrykk av effekt. En sweep-test vil ikke finne slike feil da signalet som benyttes i feilsøkningen er for svakt.

Et godt eksempel på lastrelaterte feil er et korrodert bilbatteri. Batteriet er ladet, og radioen virker perfekt, men batteriterminalen (plusskontakten) blir resistiv under belastning og motoren lar seg ikke rotere og vil neppe starte!
Basestasjoner gir de samme problemene som bilbatteriet. En last oppfører seg iblant annerledes ved påtrykk av effekt og gir økt lastverdi og igjen refleksjoner.

Trafikkmengden gjennom et anlegg betyr også mye. Et lite trafikkert anlegg vil vanligvis ikke ha de samme problemer som et tilnærmet overbelastet anlegg.

Hvis vedlikehold- og servicepersonell har brukt mye tid og energi på å oppgradere et anlegg uten noe særlig kapasitetsgevins, er ofte PIM-test veien å gå. Her ligger det som regel mye å hente på kapasitetssiden.

Det er også lurt å vurdere sannsynligheten for feil. Hvor ofte trenger man å bytte en filtermodul på en basestasjon? Antakelig svært sjelden. I løpet av de siste årene har det ofte vært vanlig i feilsøkningen å bytte komponenter på mistanke, uten å ha noe håndfast bevis på at det er komponenten som gir en åpenbar feil. Som vi kjenner til fra det amerikanske markedet er det ikke uvanlig at et anlegg har kostet opp mot hundre tusen dollar i delebytte, uten å gi noe spesiell kapasitetsgevinst. Ytelsen er minimalt forbedret. En PIM-test burde vært det først skritt å ta.

Det er også vanskelig å vise om en basestasjonreparasjon har vært vellykket. En re-kalibrering på basestasjonen gjort over tid vil gi svar gjennom statistiske data.

Et annet område som er viktig å fokusere på er et økende støygulv på mottakersiden. Dette gir klart dårligere kapasitet, og en PIM-test vil vise at en ekstern interferenskilde ofte er synderen.

En basestasjon kan også bli lurt av støygulv-nivåer. Noen basestasjoner måler støygulvet over tid, la oss si noen timer eller dager og kommer opp med en målt verdi, for eksempel -110dBm. Hvis denne verdien ikke er reel, vil basestasjonen kalibrere seg etter feil premisser og både forsterkerverdier og effektnivåer blir feil!

PIM-testing er ofte komplisert, så det beste rådet er å starte med et lite antall anlegg og analysere dataene for hvert anlegg over tid. Dette vil skaffe servicepersonell en meget viktig erfaring.
Husk at et økende støygulv på flere mottakerveier oftest er forårsaket av noe eksternt som forstyrrer antennesystemet.

Hvis en basestasjon fungerer dårlig i tørt vær men samtidig optimalt i fuktig vær kan PIM være årsaken. Inspiser rustne objekter som for eksempel klimaanleggskanaler, tak etc rundt basestasjonen. Dette er en vanlig kilde til PIM-feil og gir redusert mottakerfølsomhet.
Å finne PIM-fenomener i et system
Det er meget vesentlig å ha, og å benytte de rette termineringene når du gjør en PIM-test. Også bruk av gode momentnøkler er viktig for best mulig kvalitet på målingene. Rensing med alkohol på kontaktgjenger og kontaktflater er også viktig. Fett og skitt kan ødelegge gode målinger.
Videre er det meget viktig å isolere den defekte forbindelsen eller komponenten systematisk og metodisk.

Dette igjen vil lede til en PIM-test på den resterende delen av et anlegg som mistenkes for feil. Til slutt gjøres en PIM-test av det komplette antenne- og kabelsystemet. Alle kontakter må sjekkes for rett moment, renhet, rust og fukt. Dette bør være første bud for all feilsøking på antenne- og kabelanlegg.

Spesielle hensyn må ofte tas når man gjør PIM-testing. Hver eneste gang en kontakt settes sammen og skrus til vil den degraderes noe. Mange feil oppstår nettopp i letingen etter feil. Av og på, sammensetning og demontering, alt dette sliter på kontaktflater og vil gi muligheter for PIM. Spesielt antennekabler og kontakten på antennen er utsatt. Mange demonteringer her vil lett gi feil i koplingspunktet da dette er et svakt punkt på de fleste antenner.

Videre vil vi rette søkelyset på DIN kontakter som 7/16 og forseglingen av disse utendørs. De skades lett hvis ikke forseglingen byttes ved demontering og montering. Husk at kun håndkraft er tilstrekkelig for å gi en god nok kontakt for en enkel test. Ved bruk av rens og momentnøkler samt rett forsegling elimineres feilkilden.

Med en gang et system er rent for PIM-fenomener er det viktig å inspisere og montere de rette forseglinger av kontaktpunkter. Husk også at dine testkabler ikke skal ha noen forsegling og at de må inspiseres og holdes rene til enhver tid ved montering og test. Selv små metallpartikler kan gjøre dine innkoplinger til et feilkildepunkt. Rens godt, gjerne med alkohol og trykkluft.

N-Type kontakter er ikke anbefalt for innkopling ved PIM-tester. Opprinnelig ble ikke N-kontakten laget for å fungerer i et multippel bærebølge antennesystem med høye effekter. Det er en god kontakttype og har uten tvil fungert optimalt i de fleste installasjoner over mange år. Imidlertid er N-kontakten, og da spesielt overflaten på indre del av N-male kontakten, svært lett å ødelegge hvis den trekkes for hardt til. N-kontakten ble opprinnelig designet av Paul Neill på Bell Lab tidlig i 1940-årene og er vanligvis spesifisert kun for å tåle noen hundre watt. Imidlertid kan N-kontakter av god kvalitet fungere svært bra i PIM-tester. men man må være klar over at de er følsomme for høye momenter samt vibrasjoner.
Løse kontakter (mot kabeldelen) er antakelig den mest vanlige feilen man finner på et anlegg. Oftest finner man denne feilen på resten av anlegget hvis det er samme produsent eller samme installatør som har gjort jobben. Finner man en slik feil vil man ofte finne flere tilsvarende.

Den enkleste måten å finne et PIM-fenomen eller PIM-punkt på en installasjon er ganske enkelt å gå fra punkt til punkt med en laveffekt PIM-last. Dette er den viktigste delen av et PIM-testsett. Det er referansepunktet ditt og svært viktig å behandle pent. Da PIM-testing er en testmetode for å finne bidrag til intermodulasjon er det viktig at testene også utføres dynamisk, dvs du må bevege på kabler, banke på kontaktpunkter og bøye kabler mens du måler. En god regel er aldri å banke hardere på en kabel enn du ville banket på en dør. En annen god regel er aldri å bende en kabel for langt ut til siden, maksimalt 4 cm ut over et strekk på 35 cm. Alle kabelleverandører har spesifikasjoner for dette.
Antenner
Antenner er det vanskeligste objektet å teste. De fleste antenner produsert før 2006 var ikke konstruert med tanke på PIM-problematikk og ville antakelig aldri passert en PIM-test ut fra dagens krav. Noe å tenke på. Alle nyere antenner møter slike krav og du finner ofte spesifikasjoner på PIM i databladene til antenneprodusenten. Da moderne antenner er svært lette og skjøre er det viktig å benytte original emballasje fram til monteringsstedet. Hvis ikke original emballasje benyttes under frakt vil antakelig ikke garantien gjelde.

Det er anbefalt å teste antennene på bakken før montering i et antennetårn. Både SWR-verdier og PIM bør testes. Det er samtidig viktig å være klar over at objekter nær antennen, også under test på bakken vil påvirke målingene.
Antennene bør rettes mot åpen himmel uten metallobjekter i nærheten. Plasser antennen på en plaststol eller et bord i tre for å minimalisere effekten av eksterne objekter. Alle metallfester samt alt av metall på antennen må festes godt da alle løse bolter og skruer samt braketter vil produsere PIM-effekter.

PIM-testsett produserer ca to ganger 20 watt ut, og denne effekten transporteres gjennom antennen. Felteffekter er til stede så det er ikke anbefalt å stå fysisk foran antennen. I de fleste tilfeller vil en antenne kunne rettes mot et metallobjekt og vises som en endring i PIM-resultatet. Slik utføres en aktiv test for å se om PIM slår ut. Det kan også være hensiktsmessig å sammenlikne målinger med en antenne med gode PIM-egenskaper. Målingene gjort på samme sted og retning bør da være like. Dette vil også dekke målinger på den aktuelle plasseringen for å se om omgivelsene innvirker på begge antennene.

Når man tester antenner montert i et antennetårn er kvaliteten på monteringsbraketter helt avgjørende. Alle bolter samt festebraketter som er belagt med korrosjon bør byttes. Og samtidig bør alt monteringspersonell klatre ned og fjerne seg fra antenneinstallasjonen da både verktøy og sikkerhetsbelter osv. kan gi PIM.
PIM grenseverdier
Akseptable måleverdier for PIM vil vanligvis settes av eieren av et anlegg. Disse verdier må settes i forhold til hvilke transmisjonsteknologier som skal benyttes på et anlegg.

Antenner som ble installert for 10 år siden ble antakelig ikke produsert med tanke på PIM-problematikk, så det vil være urealistisk å sette PIM-nivået høyere enn -80 dBm/123dBc da svært få eldre installasjoner vil klare bedre verdier. Det finnes antakelig heller ingen PIM-spesifikasjon på slike anlegg.
Nye antenner og tilhørende antennekomponenter bør ha fabrikkens testresultater lagt ved ved levering. Ved måling i felt bør disse verdier kunne møtes med god nøyaktighet.

Det er svært viktig å huske at som kunde av en antenneleverandør bør du få eller be om PIM-verdier. Det er ikke lett å klage på dårlige PIM resultater i ettertid når spesifikasjon med hensyn til PIM aldri har blitt gitt.

Typiske retningslinjer for PIM-resultater på et antennesystem er mellom -150dBc og -170dBc hvis du tester med en 2 ganger 20watt tester. Dette er verdier som tilsvarer et maksimalt PIM nivå på -107dBm. Nyere antennesystemer skal typisk ligge i den lavere enden av skalaen mens eldre anlegg kan ligge høyere i denne skalaen.

Et standard oppsett brukt over det meste av verden er et godkjent nivå på -97dBm/140dBc. Dette er vanligvis ikke vanskelig å oppnå ute i felt, og med en gang du måler bedre enn -95 dBm/138dBc-området, vil PIM-resultatet forbedres vesentlig. Og målinger ned mot -125dBm/168dBc er ofte vanlige. Med introduksjon av LTE-tjenester vil en godkjent verdi på -97dBm/140dBc antakelig ikke være tilstrekkelig og det kan da være lurt å prøve å oppnå mottakerfølsomhet, vanligvis ned mot -107dBm/150dBc med PIM-tester og eliminering av feilkilder.

Hvis en spesifikk antennesektor har innmontert en effektforsterker bør PIM-testene vurderes annerledes. Hvis et anlegg leverer 50 watt (+47dBm) på sendersiden og den godkjente PIM-verdien var 97dBm/140dBc ved 2 ganger 20watt (+43dBm) testeffekt, og vi antar en linearitetsberegning på 2,2Db i PIM-verdi for hver 1dB økning av testeffekten bør vi finne en godkjent verdi 8,8dB bedre en opprinnelig antatt ved 2,2 ganger 4dB. Dette gir oss en godkjent verdi på -105dB som et minimum.
Oppsummering
Mangel på linearitet kan begrense mottakerfølsomheten i et mobilt trådløst anlegg. Dette begrenser påliteligheten, datarate, kapasitet i antall kanaler, dekning og ikke minst tapte inntekter på et anlegg. PIM-test er et utmerket verktøy for å klarlegge linariteten og kvaliteten på et anlegg.

PIM Oppstår som et produkt av en eller flere sterke RF-signaler blandet sammen i et ikke-lineart objekt. Dette ikke-lineare objektet eller forbindelsen kan oppstå i løse forbindelser, ødelagte eller korroderte konnektorer eller i ødelagte antenner. Korroderte komponenter slik som monteringsbraketter og bolter er alltid mistenkelige objekter når du mistenker PIM.

Mange fellesfrekvenskombinasjoner kan produsere PIM i et anlegg på mottaker siden. Slike signalkombinasjoner som kommer inn i et anleggs mottakerbånd vil øke støygulvet, øke bit-feilraten og begrense mottakerfølsomheten. Færre oppnår kontakt og kapasiteten synker dramatisk.

All innsats for å unngå PIM bør starte ved første installasjon. Likevel vet vi at nye frekvensbånd, nye modulasjonsmetoder og høyere hastigheter stadig ettermonteres. Alt dette sammen med generell mekanisk degradering over tid, gjør PIM-testing svært viktig. Vi vet at det er kombinasjoner av frekvenser som gir oss problemer – ikke hver enkelt teknologi for seg.
Dess flere teknologier som kombineres dess større problemer med PIM internt i et anlegg.

Rett behandling og vedlikehold av konnektorer er sentralt for å holde PIM-verdiene nede. Regelmessig vedlikehold og renhold er en sentralt for å oppnå optimal ytelse. Bruk av riktige tiltrekkingsmomenter er viktig da konnektorer er spesifisert til en gitt verdi som skal gi minst mulig PIM.

PIM-testing har blitt stadig viktigere når antenneinstallasjonene begynner å bli eldre, og antall bærebølger på et anlegg stadig øker. Den gang antall teknologier var lite og antall bærebølger svært begrenset var PIM-test lite sentralt. Et moderne antennesystem med en mengde teknologi installert på mange nære, men ulike frekvenser, stiller helt andre krav til PIM-test.

Og husk at et anlegg som blir konstruert og montert der man tar hensyn til PIM vil koste mindre å vedlikeholde over tid. Et anlegg som testes for PIM ved nymontering vil gi bedre kapasitet og renere signallering samt enklere feilsøkning enn et anlegg hvor PIM ikke ble testet.