Что такое Антенны, Кабели и Разъемы с низким PIM?

Чтобы понять, что означают антенны с низким PIM, кабель и разъемы, очень важно понять, что означает PIM. PIM расшифровывается как пассивная интермодуляция. Это проблема, которая возникает в основном в пассивных устройствах, таких как антенны, кабели и разъемы, где мешающие сигналы генерируются нелинейностями в механизме беспроводной системы. Происходит амплитудная модуляция или микширование двух сигналов, что приводит к разнице в сигналах в конкретной полосе, оставляя после себя существенное переплетение.

PIM всегда появляется, когда как минимум две разные частоты передаются от пассивного компонента, такого как вилка или антенный кабель. Нелинейность компонента, как результат плохой конструкции компонента, неточного изготовления, дефектных материалов или обработанных поверхностей, может привести к появлению мешающего сигнала в диапазоне частот полезного сигнала.

Когда механические компоненты взаимодействуют, особенно там, где соединяются два разных металла, результатом являются нелинейные элементы. Основная причина, в основном, в отличие от материальных соединений, приводящих к проявлению PIM в коаксиальных кабелях, антеннах и коаксиальных разъемах среди других. Это вызвано окислением, плохо выполненными соединителями, коррозией, грязью и ржавчиной, включая любые виды фальсификации на пассивных устройствах. PIM также вызван близкими металлическими объектами от якорей, труб, опорных проводов к крышам, что приводит к нелинейности, которая допускает смешивание. При увеличении нелинейности амплитуда приема PIM также возрастает.

Чем больше частот передается по общей линии, тем больше сигналов может возникнуть. GSM и UMTS уже передаются по одному и тому же кабелю. С LTE вероятность мешающих сигналов значительно увеличивается. Если этот мешающий сигнал находится в полезном диапазоне частоты мобильной связи, он прерывает передачу со смартфона на базовую станцию. В худшем случае PIM полностью отключает этот радиоканал.

Что такое пассивная интермодуляция (PIM)

Часто в характеристиках антенн, разъемов, переходников и кабелей можно увидеть такой показатель, как уровень интермодуляционных продуктов. Он измеряется в дБн (dBc) — мощности излучения по отношению к основной (несущей) частоте. Что это такое и чем опасны интермодуляционные искажения в системах сотовой связи? Давайте разбираться.

Линейные и нелинейные системы

На практике, работая с радиооборудованием, мы всегда имеем дело с нелинейными системами. В отличие от математических абстракций, ВЧ-сигнал, передаваемый по кабелю, проходящий по разъемам, стыкам и переходникам, подвергается множеству воздействий и искажений, нарушающих общую линейность системы.

В идеальной умозрительной системе сигнал, проходя по трассе, на выходе может отличаться лишь амплитудой (затуханием) и фазой. На практике все совсем иначе, и из-за этого в нелинейной системе возникают многочисленные побочные сигналы. К таким сигналам относятся гармоники и интермодуляционные продукты.

Гармоники

Из школьного курса физики известно, что сигналы производят дополнительные «отголоски» себя — гармоники. Гармоники всегда возникают на кратных частотах. Например, GSM-сигнал в частоте 935 МГц произведет гармонику на частоте 1870 МГц (935 x 2), 3740 МГц (935 x 4), 5610 МГц (935 x 6) и т. д.

Гармоники — естественный физический эффект, который принимается во внимание при проектировании радиосистем. Как правило, они не создают проблем, поскольку располагаются на большом расстоянии от несущей частоты и часто отсекаются оборудованием, рассчитанным на более узкий диапазон. Кроме того, следует помнить, что каждая последующая гармоника многократно «слабее» предыдущей.

Интермодуляция

Интермодуляция — другой тип «побочных» сигналов, возникающих, когда в системе передается как минимум два основных сигнала разной частоты. Эти побочные эффекты называются «интермодуляционными продуктами», а в случае их влияния на полезный сигнал — «интермодуляционными искажениями».

Интермодуляционные сигналы возникают на частотах, которые являются суммами или разностями основных частот и/или их гармоник. Это определение может показаться сложным, поэтому давайте вернемся к нашему примеру с частотой GSM-сигнала.

Предположим, что в момент времени передача данных происходит одновременно на частотах 935 и 960 МГц. Это две «крайние» частоты приема в стандарте GSM-900, вся же полоса частот загрузки в стандарте GSM-900 — это 935–960 МГц. В зависимости от региона России частоты 935 и 960 МГц могут принадлежать разным операторам.

Эти сигналы производят гармоники на частотах 1870 и 1920 МГц соответственно. Для простоты возьмем лишь эти значения: разумеется, в случае необходимости аналогичные расчеты можно сделать и для последующих гармоник.

Обозначим базовые частоты как f₁ и f₂:

f₁ = 935 МГц

f₂ = 960 МГц

«Ближайшие» гармоники этих сигналов принято обозначать следующим образом:

2f₁ = 1870 МГц

2f₂ = 1920 МГц

Так вот, интермодуляция будет возникать на частотах, которые являются суммой и разностью всех этих значений. Проще говоря, побочные сигналы могут появиться на частотах:

f₁ + f₂ = 935 + 960 = 1895 МГц

f₂ - f₁ = 960 - 935 = 25 МГц

2f₁ + f₁ = 1870 + 935 = 2805 МГц

2f₁ + f₂ = 1870 + 960 = 2830 МГц

2f₁ - f₂ = 1870 - 960 = 910 МГц

2f₂ + f₁ = 1920 + 935 = 2855 МГц

2f₂ - f₁ = 1920 - 935 = 985 МГц

2f₁ + 2f₂ = 1870 + 1920 = 3790 МГц

2f₂ - 2f₁ = 1920 - 1870 = 50 МГц

Очевидно, что когда в расчеты добавляются последующие гармоники (3f₁, 3f₂, 4f₁, 4f₂ и т. д.), количество сочетаний многократно возрастает. И все эти интермодуляционные сигналы могут возникнуть в системе передачи данных!

Как легко заметить, многие помехи придутся на частоты, далеко отстоящие от несущих. В большинстве случаев их можно игнорировать, поскольку они фильтруются узкополосным активным оборудованием. Но в некоторых случаях с ними придется бороться, и в особенности это касается интермодуляционных продуктов третьего и пятого порядков.

Порядок интермодуляции

Порядок интермодуляции — это показатель того, насколько «далекая» гармоника участвовала в образовании побочного сигнала.

С математическиой точки зрения порядок — это сумма коэффициентов, которые в записи ставятся перед гармониками и указывают их номер. Коэффициенты берутся по модулю (без знаков «плюс» или «минус»).

Для самих несущих частот коэффициент принят за 1. Для «ближайшей» гармоники коэффициент — 2, для следующей — 3 и т. д. Это хорошо видно в записи. Например, у гармоники 2f₁ — коэффициент 2, у гармоники 3f₂ — коэффициент 3 и так далее.

• Таким образом, за первый порядок принято считать сами несущие частоты f₁ и f₂;
• Интермодуляцией второго порядка называются побочные сигналы, образованные несущими частотами (f₁ + f₂ и f₁ - f₂);
• Интермодуляция третьего порядка — побочный сигнал, образованный несущей частотой и одной из ближайших гармоник (например, 2f₁ - f₂);
• Интермодуляция четвертого порядка возникает при взаимодействии двух ближайших гармоник (например, 2f₂ - 2f₁);
• Интермодуляция пятого порядка возникает при взаимодействии гармоник с коэффициентами 3 и 2, а также при взаимодействии гармоники с коэффициентом 4 с несущими частотами (например 3f₁ - 2f₂);
• … и так далее.

В силу математических свойств, наиболее «опасными» в радиосвязи оказываются интермодуляционные помехи нечетного порядка, поскольку они «вплотную» подбираются к несущим частотам и могут оказывать на них воздействие. В системах сотовой связи наибольшее значение имеют интермодуляционные помехи третьего и пятого порядков.

Причины возникновения пассивной интермодуляции

Как следует из названия, пассивной интермодуляцией называются побочные сигналы, возникающие в пассивных элементах радиосистемы: антеннах, разъемах, кабелях и переходниках. Интермодуляция возникает в силу нелинейности этих элементов. Нелинейность обуславливают:

• неоднородность контактов, вызванная загрязнением, коррозией, пылью, механическими повреждениями и т. п.;
• использование соединителей из неподходящего, разнородного материала;
• «стыковые» соединения без пайки;
• применение низкокачественных кабелей (с экраном низкой плотности).

Пассивная интермодуляция и оборудование

Как правило, производители пассивного оборудования указывают уровень интермодуляционного сигнала определенного порядка. В паспорте изделия эта характеристики может быть обозначена словами PIM (Passive InterModulation) или IMP (InterModulation Products).

Соответственно PIM3 означает интермодуляционные сигналы третьего порядка, PIM5 — пятого порядка и т. д. Если для оборудования заявлена характеристика PIM3 = -160 дБн, значит, уровень создаваемого им побочного сигнала третьего порядка будет на 160 дБ меньше, чем уровень основного (несущего) сигнала. Например, делитель со значением PIM3 = -160 дБн будет чуть лучше делителя с PIM3 = -150 дБн. Это очень хороший показатель.

Сильные интермодуляционные помехи могут снизить качество связи и существенно повысить уровень нежелательного шума.

Как сократить интермодуляционные помехи?

Для сокращения интермодуляционных помех важно использовать качественные комплектующие с низкими показаниями PIM. Чтобы снизить интермодуляцию, следуйте следующим простым правилам:

• Используйте ВЧ-разъемы с прочным резьбовым соединением (N-типа, 7/16 и подобные). ТВ-разъемы (F-типа) применяйте только как эконом-вариант для систем начального уровня;
• Выполняйте монтаж центральной жилы и контактов пайкой. Избегайте цанговых разъемов типа N-112C/10D, где в целях экономии времени подразумевается обжим иголки вместо пайки;
• Применяйте кабели с гофрированным медным экраном или сетчатой оплеткой плотностью не менее 100%;
• Не используйте комплектующие, покрытые коррозией, грязью или пылью;
• Избегайте установки ВЧ-системы в непосредственной близости с другими системами, используемыми в том же здании (ТВ, радио, WiFi). Их основная частота будет отличаться от вашей, но их интермодуляционные помехи 2–5 порядков могут прийтись на частоты вашей системы.