Passive intermodulation tester characteristics

Abstract. Passive intermodulation (PIM) is a severe issue for base transceiver stations. It can cause issues to the receiver of the device or to nearby devices if power levels are high enough. In the past, there have been many studies on the PIM, mostly concerning on modelling and mitigation of PIM. In this thesis, 3rd and 5th order forward PIM levels are measured and analysed from base station filters to determine if they are good enough for receiving of low-level signals. Also, used PIM test setup is simulated with modified component parameters for finding output third order intercept point (OIP3) threshold values of each component for which the setup still provides accurate enough results. Also, noise level calculations and cost estimation of typical PIM test setup is presented. PIM products were measured with accurate test setups that had residual PIM levels clearly below measured levels. As PIM performance often varies with time all measurements were repeated several times. The best unit out of all 10 measured devices under test (DUTs) had 100 % pass rate and less than 2.5 dB standard deviation. Results were also more than 8.5 dB over the limit in average. All the results were calculated from all measurement samples of DUTs. There were 4–16 of measurements per DUT. The worst unit had 25% pass rate and PIM results that were below limit in average. PIM results suggest that high standard deviation is linked to failed results, usually. Two additional DUTs was tested for finding if the source was electro-thermal nonlinearity. The results suggest that it might have been the source, but due to low quantity of measurements, waterproof conclusion can’t be made. There are many limiting factors in testing of PIM. First of all, the test results must be clearly above noise floor in order to see the real PIM products. Also, the test setup must have its residual intermodulation at least 10 dB below the measured PIM of DUT. Then, the measured results are considered to be accurate enough. That’s why the components of the setup have to be low-PIM. For these reasons, test setup simulations were done with AWR simulation tool in order to find the threshold values on which the setup still provides reliable test results for each test setup components. It was found out that the combiner should have the highest OIP3 value, of at least 61.3 dBm when ≈ 40 dB notch filter was used before DUT at the measured 3rd order PIM frequency. Without notch, OIP3 should be at least 73.7 dBm. Therefore, notch filter lowered the need of OIP3 by 12.4 dB. Signal generators, power amplifiers and circulators of the setup were limited by their 1 dB compression point. As a conclusion, this thesis work was successful since the limitations of the setup were found by simulations and calculations. Also, testing and analyzing of PIM products was performed successfully with low residual levels. The theory, calculations and simulations presented in this thesis can be used in acquisition of PIM test setup components. Also, the simulation model can be modified for simulating the PIM impact of any components in the test setup.Passiivisen keskinäismodulaatiotesterin piirteet. Tiivistelmä. Passiivinen keskinäismodulaatio (PIM) on vakava häiriö tukiasemille. Kun signaalien teho on tarpeeksi suuri, voi PIM aiheuttaa suuria ongelmia laitteen vastaanottamiskykyyn tai muihin lähellä oleviin laitteisiin. PIM:n mallinnusta ja heikennystä on tutkittu paljon menneisyydessä. Tässä diplomityössä 3:n ja 5:n asteen suoraan etenevän (eng. forward) PIM:n tasoja mitataan ja analysoidaan tukiasemien suodattimista, jotta voidaan päättää onko ne hyviä pienitehoisten signaalien vastaanottamiseen. Lisäksi käytettyä PIM-testijärjestelmää simuloidaan muuntamalla testijärjestelmän komponenttien parametrejä siten, että löydettäisiin jokaisen komponentin kolmannen asteen leikkauspisteen (OIP3) raja-arvot, jolla testijärjestelmä toimii taaten tarpeeksi tarkkoja tuloksia. Tavanomaisen PIM-testijärjeslmän kohinatason laskuja ja kustannusarvio on myös esitetty. PIM-tuotokset mitattiin tarkoilla testijärjestelmillä, joiden residuaaliset PIM-tasot olivat selvästi alle tutkittavasta laitteesta (DUT) mitattavia tasoja. Parhaalla yksiköllä 10:stä mitatusta oli 100 %:n läpäisytaso sekä alle 2,5 dB:n keskihajonta. Lisäksi, tulokset olivat keskimäärin 8,5 dB parempia kuin läpäisyraja. Kaikki tulokset on laskettu DUT:en kaikista mittausnäytteestä, joita oli 4–16 per DUT. Huonoimalla yksikkö oli 25 %:n läpäisytaso ja sen tulokset olivat keskimäärin alle läpäisyrajan. PIM-tulokset viittaavat siihen, että suuri keskihajonta on yleensä yhteydessä huonoihin tuloksiin. Kaksi ylimääräistä yksikköä testattiin, jotta tiedettäisiin olisiko PIM:n lähteenä sähkö-terminen epälineaarisuus. Tulokset viittaavat, että se voisi olla PIM:n lähde, mutta pienestä testimäärästä johtuen vedenpitävää johtopäätöstä ei voida tehdä. PIM:n testauksessa on monia rajoittavia tekijöitä. Ensinnäkin, testitulosten pitää olla selvästi yli kohinatason, jotta ne erottuvat nähtäviksi. Myös testijärjestelmän residuaalisen keskinäismodulaatio pitää olla vähintään 10 dB:ä matalemmalla tasolla kuin testattavan yksikön PIM. Siten mitatut tulokset mielletään tarpeeksi tarkoiksi. Sen takia testijärjestelmän osien pitää olla pienitasoisia PIM-teholtaan. Näiden syiden takia, testijärjestelmän simulointeja tehtiin AWR-simulointityökalun avulla, jotta löydettäisiin raja-arvot mittajärjestelmän eri osille, millä mittajärjestelmä tuottaa luotettavia tuloksia. Selvitettiin, että kaikista osista yhdyssuodattimella (eng. combiner) pitäisi olla suurin kolmannen asteen leikkauspiste (OIP3), vähintään 61.3 dB noin 40 dB:n kaistanestosuodattimen, joka tulee ennen DUT:a mitattavalle PIM-taajuudelle, kanssa ja vähintään 73.7 dB ilman kaistanestosuodatinta. Täten suodatin laski OIP3:n tarvetta 12.4 dB. 1 dB kompressiopisteet rajoittivat OIP3-raja-arvoja signaaligeneraattoreilla, tehovahvistimilla ja sirkulaattoreilla. Kaikkiaan työ oli onnistunut, sillä testijärjestelmän rajoitukset löydettiin simulointien ja laskutoimitusten avulla. Lisäksi mittaukset ja PIM-tulosten analysointi tehtiin onnistuneesti pienillä residuaalisilla tasoilla. Tämän diplomityön teoriaa, laskutoimituksia ja simulaatioita voidaan käyttää PIM-testijärjestelmän komponenttien hankintaan. Lisäksi, simulaatiomallia voidaan muokata siten, että minkä tahansa komponentin vaikutusta PIM-häiriöihin voidaan simuloida sen avulla