什么是無(wú)源互調(diào)？

從事射頻設(shè)計(jì)的同學(xué)都清楚有源器件會(huì)產(chǎn)生非線性，非線性帶來(lái)的最大的危害就是互調(diào)失真，因此在射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)階段，設(shè)計(jì)了很多種方案來(lái)提高射頻系統(tǒng)的線性度，降低互調(diào)的影響。但是經(jīng)常會(huì)忽視無(wú)源器件非線性的影響，盡管它非常微小，但是在很多情況下，也會(huì)成為壓垮射頻系統(tǒng)的最后一根稻草，很多設(shè)計(jì)精良的射頻系統(tǒng)就倒在了無(wú)源互調(diào)上。

因此無(wú)源互調(diào)也應(yīng)該受到大家的重視，尤其是在大功率射頻系統(tǒng)中。

No.1什么是無(wú)源互調(diào)？

相對(duì)于有源互調(diào)，無(wú)源互調(diào)是指當(dāng)兩個(gè)或者多個(gè)信號(hào)通過(guò)無(wú)源器件時(shí)，由于無(wú)源器件（包括連接器，濾波器，功分器，天線等）的非線性而產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物，英文縮寫(xiě)為PIM， Passive Intermodulation。?這些新產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物，包括IMD3，IMD5，IMD7等等。如果這些互調(diào)產(chǎn)物落在了接收機(jī)通帶或者其他高靈敏度的射頻產(chǎn)品通帶內(nèi)，就會(huì)對(duì)本身接收機(jī)系統(tǒng)或者其他接收機(jī)系統(tǒng)帶來(lái)比較大的影響。

比如在蜂窩通信系統(tǒng)中，在 LTE B2 中，下行鏈路指定為 1930 MHz 至 1990 MHz，而上行鏈路范圍為 1850 MHz 至 1910 MHz。如果位于 1940 MHz 和 1980 MHz 的兩個(gè)發(fā)射機(jī)載波使用 PIM 從基站系統(tǒng)發(fā)射，它們的互調(diào)將導(dǎo)致 1900 MHz 的分量，該分量將落入接收頻段。這將影響接收器。此外，2020 MHz的互調(diào)產(chǎn)物可能會(huì)影響其他系統(tǒng)。如下圖所示：

TX通帶內(nèi)信號(hào)產(chǎn)生的無(wú)源互調(diào)產(chǎn)物如果落在RX帶內(nèi)，不僅會(huì)干擾RX接收信號(hào)的靈敏度，甚至可能完全阻塞通信，因此在早期的蜂窩通信頻帶規(guī)劃時(shí)，盡可能地保證IMD3 不會(huì)落在RX帶內(nèi)。

但是隨著移動(dòng)通信頻道越來(lái)越擁擠，以及多載波聚合技術(shù)的應(yīng)用，想完全避開(kāi)接收通帶幾乎是不可能的，因此無(wú)源互調(diào)的問(wèn)題會(huì)越來(lái)越受重視。其實(shí)不僅TX發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生的互調(diào)會(huì)影響RX，RX自身的無(wú)源互調(diào)產(chǎn)物也會(huì)影響到，這就涉及到互調(diào)靈敏度的概念。

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，由于互調(diào)效應(yīng)導(dǎo)致的接收機(jī)對(duì)信號(hào)的敏感度降低的程度。互調(diào)效應(yīng)是當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)頻率信號(hào)同時(shí)存在于接收機(jī)接收范圍內(nèi)時(shí)，由于非線性元件的作用，會(huì)產(chǎn)生新的頻率分量，這些新頻率分量可能會(huì)與原始信號(hào)或其它信號(hào)發(fā)生干擾，影響通信質(zhì)量。

互調(diào)靈敏度可以用互調(diào)產(chǎn)物（Intermodulation Products, IP）的級(jí)別來(lái)衡量，通常表示為相對(duì)于原始信號(hào)的分貝（dB）值?；フ{(diào)產(chǎn)物的級(jí)別越低，說(shuō)明互調(diào)效應(yīng)對(duì)接收機(jī)性能的影響越小，接收機(jī)的互調(diào)靈敏度越高。在無(wú)線通信設(shè)備的設(shè)計(jì)中，提高互調(diào)靈敏度是一個(gè)重要的目標(biāo)，因?yàn)檫@可以減少互調(diào)干擾，提高通信系統(tǒng)的整體性能。通過(guò)使用高質(zhì)量的線性放大器、濾波器和其他組件，以及優(yōu)化信號(hào)處理算法，可以降低互調(diào)效應(yīng)，提高接收機(jī)的互調(diào)靈敏度。

還有一個(gè)注意點(diǎn)，無(wú)源器件的非線性會(huì)產(chǎn)生無(wú)源互調(diào)，會(huì)不會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的Harmonic呢？這個(gè)大家可以留言討論一下。

No.2無(wú)源互調(diào)的分類及產(chǎn)生機(jī)理

無(wú)源互調(diào)產(chǎn)生的原因多種多樣，比如材料的缺陷，接觸不良，制造工藝缺陷等。針對(duì)其產(chǎn)生的原因，可以對(duì)癥下藥。

1，設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的PIM

有句俗話叫做：研發(fā)乃萬(wàn)惡之源。說(shuō)實(shí)話，產(chǎn)品的任何問(wèn)題都可以從研發(fā)找到其根源。對(duì)于無(wú)源互調(diào)也同樣受用。比如對(duì)于如下圖的通信系統(tǒng)，其雙工器的設(shè)計(jì)對(duì)無(wú)源互調(diào)就極其重要。因此在設(shè)計(jì)中，要重點(diǎn)關(guān)注雙工器的設(shè)計(jì)和制造，尤其是對(duì)于天線口處作為T(mén)X濾波器和RX濾波器連接的部分。

同時(shí)呢，有論文提到了PIM消除的方法，如下圖所示，通過(guò)對(duì)PIM進(jìn)行檢測(cè)重建，可以從接收信號(hào)中消除無(wú)源器件產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

通過(guò)PIM消除技術(shù)，可以有效改善TX通路產(chǎn)生的互調(diào)對(duì)RX接收的影響。但是隨著通信系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，這種方法的有效性還尚待驗(yàn)證。比如下圖所示的多通道FDD產(chǎn)品。

其互調(diào)影響將會(huì)變得復(fù)雜，不僅要考慮IM3的影響，IM5，IM7等互調(diào)產(chǎn)物也會(huì)對(duì)相鄰接收通帶帶來(lái)影響。

總而言之，在設(shè)計(jì)之初，就要考慮整個(gè)射頻系統(tǒng)對(duì)于無(wú)源互調(diào)的可承受度，以及無(wú)源器件的互調(diào)指標(biāo)。選擇高互調(diào)的無(wú)源器件，會(huì)讓后面的測(cè)試和生產(chǎn)變得非常容易。

2，裝配產(chǎn)生互調(diào)

對(duì)于無(wú)源器件，更多的是采用結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻功能，比如濾波器，雙工器，天線等，其生產(chǎn)過(guò)程中，組裝占據(jù)了很大部分。比如下面這個(gè)濾波器，里面就有各種金屬部件，通過(guò)組裝到一起來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波器功能的。

因此由于裝配導(dǎo)致的PIM問(wèn)題就顯得非常重要。

常見(jiàn)的裝配問(wèn)題包括：

連接器配接接口（通常為 N 型或 DIN7/DIN16），松動(dòng)或者力矩不夠?qū)е陆佑|不良。

電纜附件（電纜/連接器接頭的機(jī)械穩(wěn)定性），

清潔度（污垢或濕氣污染），油污或者水汽導(dǎo)致的接觸不良；

電纜注意事項(xiàng)（電纜的質(zhì)量和堅(jiān)固性），

焊接不良/虛焊等，

機(jī)械堅(jiān)固性（因風(fēng)和振動(dòng)而彎曲）。

因此，在無(wú)源器件的生產(chǎn)過(guò)程中，一定要注意組裝的質(zhì)量，保證組裝的穩(wěn)定性，以減少因?yàn)檠b配導(dǎo)致的PIM問(wèn)題。

3，材料產(chǎn)生無(wú)源互調(diào)

關(guān)于材料這塊，其實(shí)應(yīng)該放在設(shè)計(jì)中，因?yàn)閷?duì)于無(wú)源器件來(lái)說(shuō)，很多材料的選擇是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)市就定下來(lái)的。比如有一些磁性材料，在高互調(diào)器件中要慎重選擇。

磁性材料的磁滯特性，非線性磁化曲線，磁致伸縮等特性都會(huì)導(dǎo)致非線性的加劇。比如常見(jiàn)的鐵、鎳、鈷及其合金在高互調(diào)器件中應(yīng)避免使用。除此之外，一些半導(dǎo)體材料或者金屬氧化物，金屬腐蝕等都會(huì)導(dǎo)致解除不良或者材料非線性帶來(lái)互調(diào)影響。

No.3結(jié)論

無(wú)源互調(diào)這個(gè)老話題，其實(shí)一直是困擾射頻設(shè)計(jì)人員的一個(gè)痛點(diǎn)，如何解決無(wú)源互調(diào)，不僅要在設(shè)計(jì)上，生產(chǎn)上下功夫，更要在材料選擇上下功夫。

另外PIM消除算法的發(fā)展，也為解決射頻系統(tǒng)互調(diào)問(wèn)題提供了新思路。相關(guān)資料已經(jīng)上傳至射頻學(xué)堂的知識(shí)星球。

參考文獻(xiàn)

1，https://www.analog.com/en/resources/analog-dialogue/articles/passive-intermodulation-effects-in-base-stations-understanding-the-challenges-and-solutions.html2，https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/ip3-and-intermodulation-guide.html3，https://www.electronicdesign.com/technologies/communications/article/21798494/understanding-intermodulation-distortion-measurements4，https://arxiv.org/pdf/1812.036555，https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=9758050