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什么是无源互调？其产生原因是什么？

射频学堂

3月前浏览1485

从事射频设计的同学都清楚有源器件会产生非线性，非线性带来的最大的危害就是互调失真，因此在射频系统设计和生产阶段，设计了很多种方案来提高射频系统的线性度，降低互调的影响。

但是经常会忽视无源器件非线性的影响，尽管它非常微小，但是在很多情况下，也会成为压垮射频系统的最后一根稻草，很多设计精良的射频系统就倒在了无源互调上。

因此无源互调也应该受到大家的重视，尤其是在大功率射频系统中。

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什么是无源互调？

相对于有源互调，无源互调是指当两个或者多个信号通过无源器件时，由于无源器件（包括连接器，滤波器，功分器，天线等）的非线性而产生的互调产物，英文缩写为PIM， Passive Intermodulation。

这些新产生的互调产物，包括IMD3，IMD5，IMD7等等。如果这些互调产物落在了接收机通带或者其他高灵敏度的射频产品通带内，就会对本身接收机系统或者其他接收机系统带来比较大的影响。

比如在蜂窝通信系统中，在 LTE B2 中，下行链路指定为 1930 MHz 至 1990 MHz，而上行链路范围为 1850 MHz 至 1910 MHz。如果位于 1940 MHz 和 1980 MHz 的两个发射机载波使用 PIM 从基站系统发射，它们的互调将导致 1900 MHz 的分量，该分量将落入接收频段。这将影响接收器。此外，2020 MHz的互调产物可能会影响其他系统。

如下图所示：

TX通带内信号产生的无源互调产物如果落在RX带内，不仅会干扰RX接收信号的灵敏度，甚至可能完全阻塞通信，因此在早期的蜂窝通信频带规划时，尽可能地保证IMD3 不会落在RX带内。

但是随着移动通信频道越来越拥挤，以及多载波聚合技术的应用，想完全避开接收通带几乎是不可能的，因此无源互调的问题会越来越受重视。

其实不仅TX发射信号产生的互调会影响RX，RX自身的无源互调产物也会影响到，这就涉及到互调灵敏度的概念。

在无线通信系统中，由于互调效应导致的接收机对信号的敏感度降低的程度。互调效应是当两个或多个频率信号同时存在于接收机接收范围内时，由于非线性元件的作用，会产生新的频率分量，这些新频率分量可能会与原始信号或其它信号发生干扰，影响通信质量。

互调灵敏度可以用互调产物（Intermodulation Products, IP）的级别来衡量，通常表示为相对于原始信号的分贝（dB）值。互调产物的级别越低，说明互调效应对接收机性能的影响越小，接收机的互调灵敏度越高。

在无线通信设备的设计中，提高互调灵敏度是一个重要的目标，因为这可以减少互调干扰，提高通信系统的整体性能。通过使用高质量的线性放大器、滤波器和其他组件，以及优化信号处理算法，可以降低互调效应，提高接收机的互调灵敏度。

还有一个注意点，无源器件的非线性会产生无源互调，会不会产生相应的Harmonic呢？这个大家可以留言讨论一下。

No.2

无源互调的分类及产生机理

无源互调产生的原因多种多样，比如材料的缺陷，接触不良，制造工艺缺陷等。针对其产生的原因，可以对症下药。

1，设计缺陷导致的PIM

有句俗话叫做：研发乃万恶之源。说实话，产品的任何问题都可以从研发找到其根源。对于无源互调也同样受用。

比如对于如下图的通信系统，其双工器的设计对无源互调就极其重要。因此在设计中，要重点关注双工器的设计和制造，尤其是对于天线口处作为TX滤波器和RX滤波器连接的部分。

同时呢，有论文提到了PIM消除的方法，如下图所示，通过对PIM进行检测重建，可以从接收信号中消除无源器件产生的互调产物。

实验结果如下：

通过PIM消除技术，可以有效改善TX通路产生的互调对RX接收的影响。

但是随着通信系统越来越复杂，这种方法的有效性还尚待验证。比如下图所示的多通道FDD产品。

其互调影响将会变得复杂，不仅要考虑IM3的影响，IM5，IM7等互调产物也会对相邻接收通带带来影响。

总而言之，在设计之初，就要考虑整个射频系统对于无源互调的可承受度，以及无源器件的互调指标。选择高互调的无源器件，会让后面的测试和生产变得非常容易。

2，装配产生互调

对于无源器件，更多的是采用结构来实现射频功能，比如滤波器，双工器，天线等，其生产过程中，组装占据了很大部分。

比如下面这个滤波器，里面就有各种金属部件，通过组装到一起来实现滤波器功能的。

因此由于装配导致的PIM问题就显得非常重要。

常见的装配问题包括：

连接器配接接口（通常为 N 型或 DIN7/DIN16），松动或者力矩不够导致接触不良。
电缆附件（电缆/连接器接头的机械稳定性），
清洁度（污垢或湿气污染），油污或者水汽导致的接触不良；
电缆注意事项（电缆的质量和坚固性），
焊接不良/虚焊等，
机械坚固性（因风和振动而弯曲）。

因此，在无源器件的生产过程中，一定要注意组装的质量，保证组装的稳定性，以减少因为装配导致的PIM问题。

3，材料产生无源互调

关于材料这块，其实应该放在设计中，因为对于无源器件来说，很多材料的选择是在产品设计市就定下来的。

比如有一些磁性材料，在高互调器件中要慎重选择。磁性材料的磁滞特性，非线性磁化曲线，磁致伸缩等特性都会导致非线性的加剧。比如常见的铁、镍、钴及其合金在高互调器件中应避免使用。

除此之外，一些半导体材料或者金属氧化物，金属腐蚀等都会导致解除不良或者材料非线性带来互调影响。

No.3

结论

无源互调这个老话题，其实一直是困扰射频设计人员的一个痛点，如何解决无源互调，不仅要在设计上，生产上下功夫，更要在材料选择上下功夫。另外PIM消除算法的发展，也为解决射频系统互调问题提供了新思路。

相关资料已经上传至射频学堂的知识星球，如需下载，请点击阅读原文查看。

参考文献

1，https://www.analog.com/en/resources/analog-dialogue/articles/passive-intermodulation-effects-in-base-stations-understanding-the-challenges-and-solutions.html

2，https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/ip3-and-intermodulation-guide.html

3，https://www.electronicdesign.com/technologies/communications/article/21798494/understanding-intermodulation-distortion-measurements

4，https://arxiv.org/pdf/1812.03655

5，https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=9758050

来源：射频学堂

振动非线性半导体芯片通信 UM 焊接材料装配

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首次发布时间：2024-07-14