浅析射频/微波电路中的互调失真(IMD)无源互调
2022-09-20

互调失真(IMD)是音频电路设计者们众所周知的实现高保真的阻碍。同时,设计工程师也非常重视这个参数。在无源电路(如天线,电缆和连接器)中,互调失真也会存在,即无源互调(PIM)。很简单,PIM会造成干扰,PIM的产生是由于无源电路中的非线性引起。通常被传输信号都是由基波和其谐波成分组成。当相邻两个或多个信号同时传输时,电路中的非线性会导致不同的信号谐波混合并产生额外的杂散信号,这些杂散信号会阻塞或干扰接收器所需信号的接收。

不希望出现的PIM产物可能是由若干因素导致的,包括了传输的多个信号的振幅与频率、电路传输线的结构以及应用中的电流密度和功率水平等。当存在多个信号时,通常用它们的基频f1和f2来描述。它们的PIM信号的频率则是由基频信号的不同谐波之间的产生的。

如果用f1和f2表示两个基波频率,信号的二次和三次谐波2f1和3f1以及2f2和3f2,将产生其频率接近两个原始信号的四个额外信号:3f1 - 2f2;2f1 - f2;f1;f2; 2f2 - f1和3f2 - 2f1。根据发射/接收机的紧凑设计,PIM造成的杂散信号可能会落在接收机的带宽内并干扰两个所需信号的接收。

例如,在蜂窝频率范围内,原始的发射频率分别为890MHz和892MHz的信号f1和f2可能会产生频率为1780 MHz的2f1,频率为2670 MHz的3f1, 频率为1784 MHz的2f2, 以及频率为2676 MHz的3f2。除了890MHz和892 MHz的f1和f2之外,由此产生的PIM产生的杂散信号频率还将包括3f1 - 2f2 = 886 MHz; 2f2 - f2 = 888 MHz; 2f2 - f1 = 894 MHz; 和3f2 - 2f1 = 896 MHz。与5阶互调杂散信号相比,3阶互调杂散信号具有更高的振幅且会造成更严重的问题。正因为如此,PIM评估通常考虑的是三阶互调杂散信号,而不是第五阶或更高级别的互调杂散产物。

可以明显看出,接收通道的频率与发射通道的频率非常接近,非常可能受到高PIM产物的影响。PIM产生的信号幅度很大程度上取决于原始信号的功率水平。同时需要注意的是这个例子只展示了两个信号及其二次和三次谐波;如果具有更多的基波信号和更高的信号幅度,其中混合过程中涉及更多的谐波,产生的PIM产物将会变得更加复杂。

金属对PIM的影响

PIM的产生通常归咎于无线基站和其他通信系统(例如接口)的金属对金属触点的质量。系统中诸如发射机连接器接口等部分,由于电路接口的接触不良,或者来源于金属表面上的污物或氧化以及其他形式的污染等造成的金属-金属的不一致性,从而导致非线性。当这些接触不良或污染的金属-金属表面施加的电压,且具有高电流密度下时,其非线性就会电路中产生PIM产物。

对于电路材料广泛的研究表明,PIM更多的是由电路、组装或系统设计造成的,而不是由于电路材料本身的性质,如介电常数、介质损耗所导致的。尽管如此,选择一种恰当合适的电路材料可帮助保持较低的PIM水平,而减小PIM的重点在于设计中的金属表面。具有铜-介质界面较光滑的铜箔表面的电路板材相比粗糙的铜箔表面的电路板材会展现出更低的PIM。由于这种材料特性,寻求具有低PIM的印刷电路板(PCB)天线的设计者即可选择在铜-介质基板界面处具有最小铜表面粗糙度的电路层压板。

选取罗杰斯公司的RO4534™电路板进行了一些PIM的实验。RO4534™是一种低PIM,天线级,高频电路层压板,在10GHz下具有0.0027的低损耗因数,Dk值是3.4±0.08。为了探究电路材料在高频PIM性能中的作用,在同一片RO4534™电路层压板上设计了三种不同类型的微带电路,以比较相同的材料上电路结构的差异如何影响PIM性能。

这三种电路分别是微带传输线,边缘耦合带通滤波器(BPF)和阶梯阻抗低通滤波器(LPF)。 三种电路的电流密度不同,PIM性能也不同。最小电流密度为4.5 A / m的微带传输线具有-157 dBc的最低PIM。BPF在其边缘耦合部分具有23 A / m的高电流密度,在三个电路中的PIM性能最差,为-128 dBc。 在这两者之间,电流密度落在微带传输线和BPF之间的LPF(12 A / m)的PIM性能也在两个其他电路之间,为-143 dBc。

由同一组线路板材料制作的电路在PIM性能上的如此巨大的差异表明:电路是造成PIM差异的原因,而不是材料。电路结构的差异造成了电流密度的差异以及对电路的线性度的影响,由此产生的PIM性能的差异。如最简单的电路- 微带传输线- 具有最低的电流密度和最佳的PIM性能。本质上,一个能够实现线性特性的电路具有优秀的PIM性能,就像线性度较低的电路结构会有更差的PIM性能一样,即使使用相同的电路材料。

尽管PIM不是一种电路材料的基本属性,但罗杰斯公司(Rogers Corp.)对天线级电路材料的PIM性能进行研究和分析已有相当一段时间(17年)。在这段期间,大量的测试结果数据库能帮助我们深入了解这些材料上制造的电路以及材料本身,并帮助我们更好地理解这些材料本身以及信号功率和电流密度对PCB PIM性能的影响,从而帮助我们的客户开发低PIM PCB天线和其它无源电路设计,例如滤波器等。因此,罗杰斯的天线级材料,如RO4534™层压板,在宽带频率范围内可提供一致、可预测的PIM性能,从而能够设计出线性度最高的多种电路结构。

您是否有设计或加工方面的疑问?罗杰斯公司的专家可以给您提供相关帮助。现在您可以登录到罗杰斯官网“技术支持中心”联系工程师获取帮助。

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