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1、无源交调干扰（PIMI）的产生与预防射频连接器低PIM设计中国电子科技集团公司第40研究所 李明德无源交调干扰（PIMI）的产生与预防射频连接器低PIM设计中国电子科技集团公司第40研究所 李明德摘要 本文阐明了无源交调干扰（PIMI）的定义、产生特点及其危害；分析了目前PIMI问题突出的原因、无源交调(PIM)产生的基本原理以及影响PIM产生的因素；提出了如何进行低交调（LIM）设计进行预防，并通过试制测试进行了验证。关键词 PIMI 基本原理 影响因素 LIM设计1 PIMI的定义、产生特点及其危害1.1 定义当两个信号频率为和或多个信号频率同时通过同一个无源射频传输系统时，由于传输系统非
2、线性的影响，使基频信号之间产生非线性频率分量。这种现象被称为交调（intermodulationIM），或称互调。把非线性频率分量称为交调产物（Intermodulation ProductIMP ）。这些IMP如果落在接收频带内，又足够的强，则形成对基波信号频率的干扰，称这种干扰为无源交调干扰（Passive Intermodulation InterferencePIMI），或无源交调失真（Passive Intermodulation DistortionPIMD）。交调产物（IMP）用下式表示 （1）式中： 、为输入基波频率为交调频率或称交调产物m、n为包括1在内的正整数、m+n为IM
3、P的阶数 例 当m+n=3时，则为三阶交调。注：无源射频传输系统，即由无源射频电路元件组成的系统。无源射频电路元件包括：电阻器、电感器、电容器、连接器、滤波器、传输线、天线等。1.2 PIM产生的特点由于PIM是由于传输系统的非线性而产生，实际的传输系统都或多或少存在着非线性，理想的线性元件是不存在的，因而PIM的产生是固有的，不因选择的频率而变化；PIMP的生成不遵守通常的二次方程定律，因而要精确地计算导致IM的能量电平是不可能的；PIM的产生，与S参数相比，不可能进行模拟或用相关的分析软件进行预报，因而，要想得知产品的IM性能，唯一的方法就是进行测试。1.3 危害PIM使得通信质量下降，I
4、M电平的高低，将直接影响到整个系统，如果IM电平较高，则在模拟通信系统中会产生较高的噪声电平，在数字通信系统中，则会产生较高的误码率。并将大大地降低工作在-100到-130dB范围内的人造卫星或多载波无线电通信系统接收机的灵敏度。一般说来，IM的产生增大了系统的噪声电平，也减少了可用的通道的数量。1.4 常见的PIMI的表示方法在国际上连接器生产厂家的产品样本中或有关的技术论文中，对PIMI常见的表示方法有：PIMD、PIMP、intermodulation和三阶交调等。PIMP的单位通常用dBm或dBc来表示。dBm是以基准量Po=1mW作为零功率电平（0dBm）的分贝。dBc是在规定的载波
5、电平以下的度量。任意功率Px的功率电平定义为： （2）例如：当 则 当 则 当 测得的PIM产生电平为-115dBm，用dBc表示为：-115-43=-158dBc。2 目前出现的PIMI问题是前进中、发展中的问题随着通信事业尤其是移动通信事业的快速发展，射频连接器、射频电缆及其电缆组件获得了广泛应用。长期以来，在人造卫星、微波中继工业和广泛应用的蜂窝电话中不被连接器设计师所关注的PIMI问题，近年来又突出出来。国内外通信企业普遍对应用的射频连接器，连接器电缆组件，明确地提出了三阶交调指标的要求，甚者明言达不到指标规定不采购、退货等。因而，三阶交调指标问题或说PIMI问题成为射频连接器生产厂家
6、和通信企业共同关注的一个重要问题。PIMI问题对于通信行业和射频连接器行业来说由来已久。这个问题在上个世纪七十年代中期，美国海军研究所（Naval Research Laboratory）应军方要求，对由射频连接器含有铁磁材料的金属零件产生的PIMI问题进行了深入研究。之后提出建议在美国军用规范MIL-C-39012 B射频连接器通用规范的修订版中，禁止应用铁磁材料；强烈地要求把铁磁材料直接排除在外；并提醒通信中心应警惕由于铁磁材料引起的潜在问题。这些建议部分地体现在以后的MIL-C-39012 B（2）版、C版和MIL-C-39012 D版中。在这些版本中对材料的要求，都明确规定，所有零件（
7、除气密封连接器外）都应采用非磁性材料制成。其磁导率（）值应小于2.0。并对中心接触件、壳体采用的材料、镀层金属的种类和镀层的厚度都作了具体规定。所有这些都是预防PIMI产生的具体措施。这些要求也都体现在我国国军标GJB681及其修订版GJB681A中。1990年，我国上海无线电十六厂的射频连接器设计师也著文提出：“无源交调产物（PIMP）对射频同轴连接器的威胁”。在文章中提出了PIMP产生的因素和如何降低PIMP的问题。但当时，在射频连接器行业没有引起人们的足够重视。从这些意义上讲，PIMI问题不是一个新生事物，而是一个老问题。我们过去一直对无源元件对无线电台系统的影响忽略不计，是由于传统电台
8、系统对上行信号载噪比要求较低，并且无源元件产生的PIMP相对于传统电台的发射机的有源输出级产生的PIMP低得多，不容易产生干扰。而近些年来，世界范围内通信事业拓宽的网络和数字蜂窝系统和个人通信系统迅猛发展，并且竞争非常激烈。常常是通过提高发射功率电平，降低接收机的噪声临界值，即提高接收机的灵敏度或压缩频带宽度来实现已有系统的最大通信能力。密集的通道和频带的重新划分，对无源器件提出了新的要求。例如GSM系统的发射机发生的带外噪声极小（具体参阅GSM5.05规定），对上行载噪比的要求就高。因而在这种情况下，PIMP指标对GSM移动通信系统就会有很大影响。GSM系统，发射（下行）频段：935MHz9
9、60MHz；接收（上行）频段：890MHz915MHz。用图形表示如图1所示：图1 GSM基站的发射和接收频带GSM系统的PIMP如表1所示。从表1和图1显示，有些PIMP可能落在接收频带内。这说明GSM数字蜂窝移动通信系统可能存在着一些潜在的PIMI问题。所有这些，就要求做为传输信号的无源元件，例如射频同轴连接器，必须具有严格的PIM指标，并且日益成为规定。从这些意义上讲，PIMI问题是一个前进中、发展中的问题。表1 GSM通信系统的PIMP发射频率（MHz）PIMP （MHz）f1f23次IMP2f1-f25次IMP3f1-2f27次IMP4f1-3f2935960910*88586093
10、7955919901*883935945925915*905*注：“*”者落在接收频带内目前，在我国射频连接器行业，生产的射频同轴连接器，一是军品，按国军标GJB681、GJB681A规定要求生产，在没有明确指定按军标生产时，大都执行国家标准GB/T11313或IEC61169-1。在执行军标过程中，虽然军标明确规定禁止使用铁磁材料，但在MIL-PRF-39012D和GJB681A标准中又规定允许镍打底，没有PIM指标要求，而这些又不利于抑制PIM的产生；执行的国家标准GB/T11313或IEC61169-1标准中没有对材料、镀种和镀层厚度提出具体明确的要求和规定。这样容易导致生产厂家在使用材
11、料和电镀上不严格不规范。这也是导致PIMI问题形成通信行业和射频连接器行业的一个突出问题原因之一。3 PIM产生的基本原理3.1 简化的两个信号分析当把一个频率为振幅为的信号输入到一个线性的无源两端口元件时，输出仍然是线性的。但是振幅将减少为KA，并产生一个相位移。输入信号在时域用Vi(t)表示，在频域用Vi(f)表示；输出信号在时域用Vo(t)表示，在频域用Vo(f)表示，用图形表示如图2。图2 无源线性元件的输出特性曲线 同样把一个频率为振幅为的信号输入到一个具有非线性v-i特性无源两端口元件时，则输出信号会发生畸变。输出信号除基波外，将产生多次谐波。输入信号仍以在时域用Vi(t)表示，在
12、频域用Vi(f)表示；输出信号在时域用Vo(t)表示，在频域用Vo(f)表示，基波用表示，谐波分别用、.等表示，振幅的减少和相位移与线性元件一样。其图形如图3所示。图3 无源非线性元件的输出特性曲线这时，输出信号可以用下式表示(3)这里，等式右边，第一项表示基波成分，第二项表示谐波成分，。当用两个或多个频率的信号，同时输入到一个具有无源非线性元件时，那么将输出含有基波频率和附加谐波和PIMP一道的多种成分。这样再用方程式（3）来表示，可能变得相当复杂，并很困难。在实际中，只把可能的合成的PIMP用公式（1）表示，即：这个方程式可应用到任何具有多路信号共用的传输装置的通信系统来确定可能产生的PI
13、MP。对于由两个不同频率和的输入信号，同时通过同一非线性元件时（或网络）输出的频率成分，简化分析如图4所示：图4 简化的两个信号分析对于偶次和较高次的干扰谐波，射频滤波接收机通常都可以被滤除掉，但是不能滤除奇次的交调成分。该奇次交调成分可能消弱发射频带的外边频带，也可能进入接收频带的任何一方。这时，将形成干扰，而三次PIMP是奇次交调产物中电平最强的，5次7次和9次等依次减弱，在大多数情况下，三次交调产物意味着形成干扰的最为恶劣的条件。因此人们把三次PIMP做为关注的重点，并把三次交调指标作为对通信行业宽带数字蜂窝系统和个人通信系统用射频连接器严格要求的指标。3.2 非线性及其电子模型在无源传
14、输元件中（如射频同轴连接器）的非线性，通常分为两类或说有两种可能的主要模式，一类为接触非线性，另一类为铁磁非线性。3.2.1 接触非线性当两个导体接触时，在导体接触表面，由于表面粗糙度不一，在微观上总是不规则和凸凹不平的。一般说来，有五种接触状态：（1）金属接触；（2）接触面之间夹有金属膜氧化物；（3）接触面之间夹有绝缘介质；（4）微小空气间隙；（5）较大空气间隙。如图5中a所示：a 非线性接触面 b 等效电路图5 接触非线性表面及其电子线路模型金属接触部位（1）和金属膜氧化物接触部位（2）形成电流的主要通道。导致的收缩电阻和膜层电阻构成导体的接触电阻。金属氧化物金属连接处（2），氧化物可能是
15、单分子结构，这些是依靠隧道效应和穿透薄膜的金属桥进行导电，因而属于半金属或半导体接触导电，是非线性的；在接触面之间夹有绝缘物质处（3）则不导电，电流则绕过，到金属接触处通过。在较大空气间隙处（5），电流同样环绕间隙行进。在这两种情况下，电流遭遇阻抗Z，其本身又产生一个间隙电压V，间隙电压V是潜在的，可能激活任何一个半导体而引起隧道效应和微观的孤击穿。结合面的电容C、电感L和电阻R等成分构成电子线路，其等效电路模型如图5中b图所示，其v-i特性是非线性的。在微小间隙处（4），由于电流的波动或有较强信号时，很容易形成微观的孤击穿，这些不稳定的孤击穿，使导致PIM产生的形式具有偶然性，且振幅随时间而变化。对发生在靠近些电压区域的不确定的接触非线性，可以用图6中的a图来表示：a 接触非线性 b 铁磁非线性图6 交调产生的两种模型接触表面接触状态的好坏，决定了接触非线性的好坏。接触表面光洁度越高，接触状
