无源互调（PIM）影响因素及常见问题（一）

转自：http://m.elecfans.com/article/855917.html

随着通信技术的快速发展，特别是5G天线，通信频率的增高，以及语音和数据信号容量的增加，之前对信号产生影响较小的因素也被越来越重视起来，无源互调就是其中之一。

1什么是无源互调（PIM）

无源互调（Passive Inter-Modulatio）又称无源交调、互调失真等，是由射频系统中各种无源器件产生的，只要一个射频导体中存在两个或两个以上的RF信号，就会产生互调，产生一个或多个新的频率，这些新产生的频率与工作频率混合在一起就会影响到通信系统。   

无源互调值非常小，一个典型的无源互调指标是在二个+43dBm的载频功率同时作用到被测器件（DUT）时，DUT产生-110dBm（绝对值）的无源互调失真，其相对值为-153dBc,相当于一根头发丝的直径对比地球到太阳之间的距离。因此测试非常因难，大多采用IEC推荐的正向和反射互调产物的测量方法。

2无源互调的来源

PIM可以发生在任何两种不同金属的连接点或接口处，例如连接器和电缆组件的连接处，天线和天线馈源的连接处。接触不良的连接器，内部生锈或氧化的连接器也可能会导致PIM。PCB材料也可能是PIM的来源，它可能来自于材料本身，也可能来自馈电点。

3无源互调分类

（1）正向互调

正向互调也被称为传输互调，其定义是当两个载频同时输入到一个双端口(或多端口）器件时，在输出端所产生的互调。在测试过程中，任何空闲端口必须接低互调负载。

从频段细分，正向互调又可分为落入发射频段和落入接收频段两种,它们的区别取决于f1和f2的之间的差值△，2f1—f2和f1之间的间隔、2f2—f1和f2之间的间隔都等于△，从这个规律可以直观判断互调产物的位置。同样是正向互调，落入发射频段和接收频段互调的测试方法却大相径庭。

（2）反射互调

反射互调的定义是当两个载频同时输入到一个双端口（或多端口）器件的某个端口时，从该端口反射回输入方向的互调产物，如下图所示。在测试过程中，任何空闲端口必须接低互调负载。

通常情况下，反射互调仅指落入接收频段的互调产物。这并非意味着反射互凋不存在于发射频段，之所以不关注落入发射频段的反射互调，是因为这部分互调产物对系统的影响甚微。

4无源互调阶级

4.1无源互调计算公式

数字是阶数，表示产生互调产物的两个母信号的整数倍频之和。如2*F1±1*F2=F(IM3),3*F1±2*F2=F(IM5),类似的还有七阶互调，九阶互调等。互调产物的阶数越小能量越大，即同一无源器件产生的三阶互调值大于五阶互调值。

4.2互调阶级关系

（1）三阶互调

如果在通信系统的发射频段有两个载波f1和f2,其中f1<f2。当两个载波混合输入到无源器件中时，会产生各个阶次的互调失真。其中2f1-f2,2f2-f1,2f1+f2和2f2+f1都称为三阶互调失真。< p="">

一般情况下，只有2f1-f2会落在通信系统的接收频段，所以在检测三阶互调时，重点对其进行考察。如GSM900的频段：890Mhz至960Mhz，其中上行为890Mhz~915Mhz，下行为935Mhz~960Mhz，三阶互调刚好落入频段内。

（2）五阶互调

与三阶互同理，3f1-2f2,3f2-2f1,3f1+2f2和3f2+2f1都称为系统的五阶互失真。一般情况下，只有3f1-2f2会落在系统的接收频段，所以在检测五阶互调时，重点对其进行考察。其它七阶与九阶互调原理相同。第五，第七和第九阶PIM谐波功率水平通常较小而不会影响接收器性能。

（3）多个载波互调

对于多个载波混合输入到无源器件中时，产生的互调失真的频率变动得复杂。以三载波为例，f1<f2<f3，除了任意两个载波相互作用产生3阶互调失真之外，例如2f1-f2,2f2-f1,2f1-f3和2f3-f1，三个载波相互作用也会产生三阶互调失真，例如f1+f2-f3,f1-f2+f3,f2+f3-f1,f1+f2+f3。< p="">

5无源互调测试

5.1无源互调测试设备及环境要求

互调值业界暂无统一标准，典型的无源器件，如定向耦合器、功率分配器、双工器、连接器和电缆组件等，其互调产物通常在-120～-100dBm,即-163～-143dBc。而某些器件的互调产物更大，如铁氧体器件的互调产物可达-60dBc甚至更大。

Rogers公司对互调进行了一个大致分类：互调值达到-143dBc时，即为较好的互调。当互调值达到-153dBc时，为很好的互调。当互调值达到-163dBc时，为极好的互调。业界化为、金信等大型天线供应商互调值要求-153±3dBc水平。

无源互调仪需具备以下特性：

（1）仪器需具备非常低的自身互调（残余互调），IEC-62037和GBT-21021要求测试系统的自身互调要低于被测件互调至少10dB。

（2）大功率范围电平输出，可以模拟各种测试环境，满足不同测试需求。PIM的测量一般需要以高于工作功率电平2～4倍的功率进行测量，微波功率高达上百瓦甚至几千瓦。

（3）高精度的接收机，可以精确的检测出微弱的互调信号，保证测量精度。

（4）测量模式齐备，点频和扫频，反射式和传输式测量。

（5）低PIM组件：PIM测试系统的组成部件本身必须是高性能、低PIM的。专用的合成器、定向耦合器、滤波器等产生的PIM电平必须控制在被测件PIM电平的-6dB以下，连匹配负载都要采用不产生PIM的特殊负载，以保证整个测试系统能够正常工作。      

（6）PIMP（Passive Inter Modulation Product，无源互调产物）与环境温度有关，并随着时间发生变化，因此需要进行长时间的温度循环试验。     

（7）频率配置

早期，测量者关心的是落在接收频段的互调，如今越来越关心落入发射频段的互调。一些标准的无源互调测量系统只能测量落入接收频段的互调，对于落入发射频的互调测量无能为力。另外，对于多制式系统的共存，跨频段的互调干扰也将逐渐显现。对于无源互调测量系统来说，除了接收频段外，发射频段和跨频段的互调分析和测量也是需要考虑的重要因素。

（8）测量功率流的方向

将两个载频合成后从一个方向同时注入DUT,这已经是无源互调测量的惯性思维了，但在实际应用中，系统中的器件要承受来自不同方向的功率。对于这一点，早期的无源互调测量系统并没有考虑。

（9）载频的数量

绝大部分无源互调测量都是在两载频的条件下进行的，但是也有四载频条件下的测量。随着无线信道的日益拥挤，多载频的无源互调测量可能在不久的将来被列入有关的测量标准。

PIM测量系统与频率和带宽的相关性很强，测量系统难以通用，一般需要根据测试目的进行专门的制作。同时，不仅要测量无源部件的PIM产物，还要能够对天线和整星进行测量。因此，如何设计一个低PIM的测量系统是进行PIM测量首先必须解决的问题。

5.2 PCB无源互调测方法

IEC62037测试规范中定义了PIM总的测试方法，但没有具体定义电路材料的测试方法。如图1所示是Rogers公司测试PIM的实物图，使用141半柔性低互调线缆连接微带线两端，线缆一端连接低互调无源负载，一端连接PIM测试设备，测试设备采用凯镭思IQA-1921C，支持频段在1900MHz，其中红色夹用于固定线缆与电路板，从而减少测试过程中由于移动与应力对结果产生的影响，最终得到PIM值与时间的关系。由于PIM值非常低，通常要求是-160dBc或-156dBc以下，它功率非常小，极易受到外界因素的影响，因此在测试过程中需要不断调整线缆与连接器，以及检查焊接点是否完善，以减少不必要的因素导致对PIM值测试结果的影响。

选择指定的PCB材料进行PIM值测试，采用12inch、50ohm微带传输线，测试时间总共约60s，捕捉500多个PIM值，并去除了最好与最差的5%的值后，取其平均值得到测试结果。

5.3基站设备无源互调测试方法

5.3.1天线

在天线PIM测试时，RF功率会通过天线辐射到自由空间，所以必须确保靠近天线的人所遭受的电磁辐射，不能超过人体所能承受的最大值，建议现场测试人员穿着防辐射服、防辐射眼镜。

测试环境中不能存在影响测试结果的因素，应遵循以下原则：

（1）建议在微波暗室中进行天线的测试。

（2）若没有微波暗室条件，应选择周围空间30米左右没有明显遮挡物的场地。

（3）确保测试场地空间没有外部干扰信号，建议使用便携式无源互调测试仪中频谱功能，对外部空间进行频谱测试。

（4）将天线放置在没有金属的支撑物上，离地至少1米，天线面朝天空，以确保天线的主瓣信号辐射到自由空间。

（5）测试人员与无源互调测试仪应与天线保持一定距离，建议在3米以外。

（6）确保测试人员身上没有金属物，比如硬币、手机等（若有手机，必须处于关机状态）。

天线是一个开放场器件，受周围环境影响很大， 互调仪除接收到互调干扰信号外，还接收外部干扰信号，这样测出来互调干扰电平值就不是真正的互调干扰，而是外部干扰。为保证结果的准确性，要先频谱测试。

5.3.2负载

将测试电缆的一个端口与PIM测试仪的RF OUT端口相连，另外一个端口与低互调负载相连。

5.3.3滤波器

将测试电缆的一个端口与PIM测试仪的RF OUT端口相连，另外一个端口与滤波器输入端口相连，另外一根测试电缆与滤波器输出端口相连，另一端连接低互调负载。

5.3.4衰减器

将衰减器的输入端口与PIM测试仪的RF OUT端口相连，输出端口与测试电缆连接，测试电缆另外一根端口连接低互调负载。

5.3.5耦合器

将测试电缆的一个端口与PIM测试仪的RF OUT端口相连，另外一个端口与耦合器输入端相连，耦合器的输出端口与耦合端口分别通过测试电缆连接低互调负载。

5.3.6电桥

将测试电缆一个端口与PIM测试仪的RF OUT端口相连，另外一个端口与电桥输入端口相连，电桥另外三个端口分别通过测试电缆连接低互调负载。

5.3.7功分器

将测试电缆的一个端口与PIM测试仪的RF OUT端口相连，另外一个端口与功分器输入端口相连，功分器两个输出端口通过测试电缆连接低互调负载。

5.3.8合路器

将测试电缆的一个端口与PIM测试仪的RF OUT端口相连，另外一个端口与合路器所相应频段的输入端口相连，合路器两个输出端口通过测试电缆连接低互调负载。

5.4互调仪校正要求

对于仪表的校准，以行业标准来对接收机和发射机分别做校准，需要用到多种精密仪器，要求比较高，因此无法做到现场校准，需返厂校准。现有的检测方法有两种：

（1）测试仪表的残余互调，要求IM3≤-168dBc@43dBm，但要注意，在使用一段时间后接口由于自然磨损，残余互调会不断提高，只要IM3≤-160dBc@43dBm都是允许的。

（2）使用仪表标配三阶标准件，测试其IM3的值，如果与标称值的误差在±3dB之内为允许。

注：并不是每次互调测试前都要用标准件先验证一遍。标准件是昂贵的易耗品，寿命随使用次数递减，而影响工程测试仪表的准确度主要是由于测试电缆及测试配件接口损耗产生。仪表自身的变化很缓慢，不用频繁验证。

5.5影响互调测试的因素

（1）在多次测试过程中，测试接头没有拧好，测试中移动被测件或被测电缆，改变了测试电缆半径。

（2）被测量部件机械结构不良或受制于机械应力（部件内部，部件接头等）的被测件。（3）当通过大功率信号使部件发热造成内部机械接触面膨胀（或压缩）后，互调值会随时间而改变。随着被测时间的进行，器件逐渐发热，测量结果随之向一个方向产生偏差。

（4）测试非封闭器件如天线等时，会受时变的自由空间的电磁场影响。

（5）被测器件驻波比超标。

（6）仪表测试频率与被测器件不匹配。

（7）互调仪的残余互调应该至少比期望的测试互调最小值小10dB,如果被测器件的真实互调与残余互调接近，会发生严重的测量误差。

（8）互调仪发射机、接收机自身的稳定度。

5.6测试注意事项

（1）应使用专用的电缆头盖子把电缆头盖好，以免电缆头镀银部分暴露在空气中氧化，影响测试指标。电缆头经常与被测件摩擦，会在其内部产生金属颗粒，所以要做到定时清理，方法是用卫生棉签和液体酒精，将金属颗粒擦洗干净。但也要注意银表面过度使用酒精会发黄。

（2）测试电缆属于易耗品，一般情况下2个月就需要更换。测试过程中不要过分弯折电缆线，特别是其接头连接部分，否则会影响测试线的使用寿命和测试结果的准确性。

（3）互调仪连接电源时，电源插头必须要连接到设有接地装置的插座上，否则可能会给仪表造成损伤或对使用者造成人身伤害。

（4）互调仪出厂之前，均使用漏电测试仪进行严格测试，仪表自身不会出现漏电问题。但使用时可能会有触电感觉，一是因为静电，二是因为电源没有接地或接地不可靠。建议使用万用表对机房内电源进行检查，排查电源漏电的危险。

（5）互调仪扫频需通过两次扫频完成，一次固定频率低端，从高往低扫，另外一次固定高端，从低往高扫。之所以扫描两次曲线是为全面衡量被测器件的能力，只有相同频率点的互调值才有可比性，如果两条扫描点不重合，就不能直观反应器件互调性能的稳定性和一致性。

6无源互调干扰因素

6.1室分系统互调干扰因素

根据互调干扰产生机理，影响室分系统互调干扰信号大小的因素主要有两个：

（1）进入天馈系统的载波个数，载波数越多，互调产物就越多，互调干扰就越大。

（2）每个载波进入天馈系统的功率，功率越大，互调产物的幅度就越大，互调干扰就越大。要从根本上解决互调问题，必须从提高器件性能入手，只有通过使用高性能无源器件，同时加以规范施工才能从根本上解决无源互调干扰问题。根据现场多载波调制信号使用要求，强烈建议室分无源器件功分/耦合器及电桥，互调要求为-150dBc@43dBm,尤其是靠近信源部分。

6.2 PCB互调干扰因素

6.2.1天线PIM影响因素研究

通过了解不同的电路板材料的参数与PIM之间的关系，将有助于选择合适的材料，而不至于造成PCB天线的PIM性能问题。以PCB形式设计的高频天线可以有多种不同结构，从简单的偶极子，到基于环形谐振腔和罗特曼透镜的复杂的结构。其中一种比较受欢迎的PCB天线就是微带贴片天线，它可以在给定的频率范围内设计出简单紧凑的天线构结(如图)。许多产品利用多个PCB贴片天线或谐振结构，来实现波束成形网络(BFN)或相控阵天线，并通过电调方式来控制雷达或通信系统中PCB天线的振幅，相位和方向。

在毫米波频率下，紧凑型的微带PCB天线也越来越受到关注。例如用于汽车电子安全系统的77GHz高级驾驶辅助系统(ADAS)，就以这种天线实现盲点检测，自动制动系统和防碰撞等功能。由于这种系统的信号功率较低，ADAS接收机就必须依靠其高灵敏度，可靠地检测从行人和其他车辆等目标反射的雷达回波。

电路板的介电常数(Dk)是许多工程师在设计微带贴片天线时首先要考虑的因素。电路板材料的Dk值对电路尺寸的影响，在上表中的四个例子中有详细的描述，结果显示对给定频率的微带贴片天线，贴片尺寸随着Dk值的增加而缩小。该表是通过MWI-2017软件计算完成， 表中微带贴片天线的尺寸，如长度(L)和宽度(W)，可以利用以下的简单方程计算得到：

W=(c/2fr)[2/(Dkeff +1)]0.5

L=λ/[2(Dkeff)0.5] - 2ΔL

其中：

Dkeff=微带电路的有效介电常数

λ=基于微带电路的波长

fr=贴片辐射元件的谐振频率

c=自由空间中的光速

ΔL=由于边缘场引起的贴片延伸长度

微带贴片天线单元在发射时将电磁能量辐射到自由空间，在接收时将电磁能量传输到连接的电路上(例如：接收器)。但贴片PCB天线的一个重要组成单元，馈线构成了另一个重要部分。馈线在微带电路和辐射贴片之间，起到传输和接收电磁能量的桥梁作用。理想情况下，贴片应呈现高辐射，而馈线应呈现低辐射，从而实现能量从电路到贴片的有效传递。

下图展示了可用于微带贴片天线的四种不同馈线方式，分别为：松耦合馈电，底层馈电(常用于多层电路中，馈线在贴片下方)，紧耦合馈电，以及四分之一波长(λ/4)阻抗变换器馈电。这几种馈电方式，馈线的复杂性和用途均不相同。例如，对于底层馈电的情况，设计者可以通过选择外层使用最好的电路板材料以获得最佳的辐射，也可以选择不同的内层电路板材料，来降低馈线的辐射和插入损耗。

对天线来讲，较厚的电路板材料更容易向外辐射能量。一般来说，设计诸如微带贴片之类的天线辐射单元，应该选择相对较厚并且具有较低Dk值(例如2.2至3.5)的电路板材料。尽管更高Dk值的材料辐射效率较低，使用较高Dk值的电路板材料来设计PCB天线更具挑战性。但当需要设计更小的贴片天线时，仍可通过优化设计而使用更高Dk值的电路板材料。

PIM较高的天线可能会导致无线通信系统中(如4G LTE无线网络的分布式天线系统)数据的丢失。而对于新兴的5G/6G无线网络，尽管其频率较高，实际也是如此。

到底多低的功率电平可以认为是低PIM？这个值可能因系统而异。对于4G LTE系统中使用的DAS设备中包括的一些无源组件(如连接器和电缆)，-145dBc通常被认为足够低。然而一般来说，-140dBc或更高数值被认为是较差的PIM性能，而-150dBc被认为是较好的，-160dBc则是优秀的。

在专门设计的微波暗室中测量天线和其他无源器件的PIM电平，低至-170dBc可能超出暗室测试环境噪声水平。当使用两个+43dBm单音信号进行测量时，大多数PIM测试暗室的实际噪声级别为-165dBc。

当同一副天线通过共同的馈线同时实现发射和接收功能时，低PIM尤其重要。因为发射机和接收机都同时位于同一系统中，多个发射信号的非线性产物总会导致不想要的互调谐波，其幅度往往足以恶化接收机的性能。通过了解不同材料特性的PIM产生特性，可以减小PIM对PCB天线带来的影响。

尽管大多数情况下PIM是由电路结点(如焊点或连接器)中不均匀的材料产生，但电路板材料的特性，如粗糙的铜箔表面和不同类型的电镀表面处理，也可能会产生较低或较高的PIM电平。电路板材料中的某些参数就可以用来作为设计低PIM PCB天线的参考。

例如，相比PCB层压板的陶瓷或PTFE介质，层压板的铜箔表面粗糙度对影响PIM起主要作用。同时，对于相同介质材料的电路(例如，含有玻璃布或陶瓷填料的PTFE)，粗糙的铜箔表面对PIM的影响就要比平滑的铜箔表面更大。

为了更好地理解铜箔表面粗糙度与PIM的关系，通过测试具有不同铜箔表面粗糙度的电路板，分析其对PIM性能的影响。具体方法如下：先测量每种铜箔的表面粗糙度，然后压合成层压板，接着在层压板上制作微带传输线测试电路，以测量对应的每种层压板的PIM性能。结果表明，随着铜箔表面粗糙度的增加，对PIM影响越来越大(如图)。

PCB材料制作成天线和其它无源器件，经过表面电镀后，也会对PIM性能产生影响。铁磁性材料(如镍)，会严重影响PIM的性能。化锡工艺通常会比裸铜电路具有更好的PIM性能，而使用化学镍金(ENIG)的电路由于含有镍会产生较差的PIM性能。

电路表面清洁度有利于降低微带天线和其它微带无源器件的PIM性能。有阻焊的电路通常比裸铜电路具有更好的PIM性能。清洁的电路，没有残留的湿法化学处理，是降低PIM性能的重要基础。电路中带有任何形式的离子污染物或残留物，可能会导致较差的PIM性能。

同样地，电路的蚀刻质量对于改善PIM性能也是十分重要的。如果铜箔导体没有被充分腐蚀掉导致电路边缘产生粗糙和毛刺，这种情况也可能会使PIM性能下降。

只要仔细地选择电路板材料，就可能为无源器件或电路提高其PIM性能。不过，就算使用了低PIM的材料，某些类型的电路可能因自身结构较易受PIM影响，而无法改善其PIM性能。例如，罗杰斯公司(RogersCorp.)以32.7mil厚的RO4534电路板材料进行了相关的实验。这种天线层压板的特性是：Dk为3.4，公差为±0.08，在10 GHz时的低损耗因子(低损耗)为0.0027。使用这种相同的电路板材料加工的三个不同电路分别为：传输线、带通滤波器、低通滤波器(如图)。即使这些电路是基于同一电路板材料加工出来的，但由于PIM受电流密度的影响，造成PIM的差异就非常显著。比起简单的传输线电路，滤波器具有较高的电流密度，从而产生更高的PIM谐波。而当使用两个+43dBm的单音信号对微带传输线进行测试评估时，RO4534材料呈现出-157dBc的低PIM性能。

如实验所示，常用于天线馈电的简单传输线，几乎可以达到接近材料的额定PIM水平。尽管如此，PIM性能也与电路构结紧密相关，不同电路也导致最终的PIM性能不同。