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旧恨添新愁:无源互调显著影响下载速度

2019-09-17 Bill Schweber 阅读:
简单来讲,无源互调(PIM)是典型非线性混频情况的一种表现,而(大多数情况下)非线性混频在电子系统中非常有用。当两个或多个载波信号频率遭遇非线性混频时会产生PIM,最终得到的信号中包含了附加的无用频率,这就是互调产物。由于PI M可能会在信号路径上的各个点处产生这些互调产物,因此也可能在滤波后产生,这个问题就令人头疼。

关于射频和无线的热门话题有很多:5G首当其冲,还有小基站和MIMO等等,仅列举一二。这其中有些是崭新的概念,几年前还不存在或只是一些理论,而其他一些则是别名更为人所知,例如“分集天线”,它当中就有MIMO的概念,只不过更“静态”,通常缺乏当今MIMO动态方面的特性。PSUednc

但还有另一个术语如今得到更多的关注:无源互调(PIM)。PIM是什么?简而言之,它是RF信号路径中由材料引起的非线性。Keysight应用笔记(参考文献1)中是这样对其定义:“PIM是由两个或多个RF信号混合所产生的无用信号,由RF路径中的无源器件(如天线、电缆或连接器)的非线性所引起。PIM产物是由铁磁材料、不同金属连接点、金属氧化物连接点、受污染连接点和RF连接器接触不良所引起的大功率音调混合的结果。”简单来讲,PIM是典型非线性混频情况的一种表现,而(大多数情况下)非线性混频在电子系统中非常有用。当两个或多个载波信号频率遭遇非线性混频时会产生PIM,最终得到的信号中包含了附加的无用频率,这就是互调产物,如图1所示。PSUednc

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图1:电路和系统设计人员所熟知的频率混合及互调信号产物概览。(图片来源:Keysight Technologies)PSUednc

由于PIM可能会在信号路径上的各个点处产生这些互调产物,因此也可能在滤波后产生,这个问题就令人头疼。Keysight应用笔记中很明确地提到了这一点(图2):“虽然滤波可以减少发射器路径上功率放大器所产生的无用信号,但却无法滤除RF信号路径中无源元件(如天线、电缆或连接器)的PIM产物。”文末的参考文献深入研究了PIM,对其来源、效应和含义提供了更多的观点和看法。PSUednc

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图2:此通信系统的基本方框图和频段图显示了PIM相关信号是如何“爬入”到系统中。(图片来源:Keysight Technologies)PSUednc

PIM在某些频段会对无线链路产生各种各样的问题,而随着无线技术推进到数十GHz的电磁频谱范围,问题可能会更严重。在这些高频率下,由PIM引起的互调产物会影响邻近信道并降低系统性能、裕量和信噪比(SNR)。由于PIM会使有线电路产生纹波,因此还会产生级联效应。而且,虽然PIM的负面影响确实存在,但其实际幅度却很小,很难通过仪器识别,因此难以捕获和诊断。Anritsu应用笔记(参考文献2)指出:“现场实验表明,下载速度显著下降与PIM轻微增加有关。路测显示,当残留PIM电平从-125dBm增加到-105dBm时,虽然这个数字不算糟糕,但下载速度却下降了约18%。”这样小的PIM电平却会导致非常大的性能下降。PSUednc

这有些历史讽刺意味。PIM这种物理现象并不新鲜,只是上述表现及其后果新鲜。长久以来,不同金属及其物理接口的调整和非线性效应一直是潜在的问题根源。甚至还有奇闻趣事说,有人可以通过他们的牙齿“接收”并甚至听到AM电台广播,因为他们的牙齿和补牙材料之间的某种相互作用充当了传统晶体收音机设计中的二极管。PSUednc

为了最大限度地减少PIM效应,各电缆和连接器等无源元件的供应商正努力尽可能地减少PIM的潜在来源,并为其设计测试方法,这可不是件简单的事。用富有哲理性的话来说,PIM状况的发生就好像在替这些无源元件说:“谁叫你在设计时不给我足够的尊重和考虑(至少一开始没有……),那我就证明我真的很重要……而且我很难分析和建模!”PSUednc

如果你去看有关射频和微波系统设计的出版物中的广告——诚然,用这个来对设计读者感兴趣之处做评判不太准确——你会看到其中有很大一部分都是讲基础性电缆、互连和电缆组件,它们通常都强调其平坦度、阻抗稳定性和相位相关性能,而忽略温度变化、低PIM、匹配性能等优点。我认为供应商在广告中说的是“我们帮您避免问题”。这与有源器件的广告形成对比,后者往往是让您了解更多:获取更大功率、工作带宽更大、实现更高效率,同时线性度增加,等等。我想这能让您了解到工程的真实情况。PSUednc

所以,你只能指望你的基本无源元件不会坏事,否则你还能指望什么?你可能认为这很不公平。但是生命(和设计)本就不公平,而PIM为GHz级产品的设计人员又增加一项,使他们在设计产品时必须要习惯它,并通过仔细的元器件选择或其他技术来尽可能地减小它。正如他们所说,“要习惯它”。PSUednc

你在设计中碰到过PIM问题吗?你是否认为这是个潜在的问题,如果你不关心,它就有可能影响你,或者在你遇到性能下降的时候,可能让你花费数小时时间去找出难找的根源?PSUednc

参考文献

1.    Keysight Technologies, “Innovative Passive Intermodulation (PIM) and S-parameter Measurement Solution with the ENAPSUednc

2.    Anritsu, “Passive Intermodulation (PIM)PSUednc

3.    L-com/Infinite Electronics International, Inc., “Passive Intermodulation Explained: What is PIM?PSUednc

4.    Pasternack/Infinite Electronics International, Inc. “Passive Intermodulation (PIM) ExplainedPSUednc

Analog Devices, “Passive Intermodulation (PIM) Effects in Base Stations: Understanding the Challenges and SolutionsPSUednc

本文为《电子技术设计》2019年9月刊杂志文章。PSUednc

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本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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