什么是無源互調？

從事射頻設計的同學都清楚有源器件會產生非線性，非線性帶來的最大的危害就是互調失真，因此在射頻系統(tǒng)設計和生產階段，設計了很多種方案來提高射頻系統(tǒng)的線性度，降低互調的影響。但是經常會忽視無源器件非線性的影響，盡管它非常微小，但是在很多情況下，也會成為壓垮射頻系統(tǒng)的最后一根稻草，很多設計精良的射頻系統(tǒng)就倒在了無源互調上。

因此無源互調也應該受到大家的重視，尤其是在大功率射頻系統(tǒng)中。

No.1什么是無源互調？

相對于有源互調，無源互調是指當兩個或者多個信號通過無源器件時，由于無源器件（包括連接器，濾波器，功分器，天線等）的非線性而產生的互調產物，英文縮寫為PIM， Passive Intermodulation。?這些新產生的互調產物，包括IMD3，IMD5，IMD7等等。如果這些互調產物落在了接收機通帶或者其他高靈敏度的射頻產品通帶內，就會對本身接收機系統(tǒng)或者其他接收機系統(tǒng)帶來比較大的影響。

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 的兩個發(fā)射機載波使用 PIM 從基站系統(tǒng)發(fā)射，它們的互調將導致 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的互調產物可能會影響其他系統(tǒng)。如下圖所示：

TX通帶內信號產生的無源互調產物如果落在RX帶內，不僅會干擾RX接收信號的靈敏度，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，盡可能地保證IMD3 不會落在RX帶內。

但是隨著移動通信頻道越來越擁擠，以及多載波聚合技術的應用，想完全避開接收通帶幾乎是不可能的，因此無源互調的問題會越來越受重視。其實不僅TX發(fā)射信號產生的互調會影響RX，RX自身的無源互調產物也會影響到，這就涉及到互調靈敏度的概念。

在無線通信系統(tǒng)中，由于互調效應導致的接收機對信號的敏感度降低的程度?；フ{效應是當兩個或多個頻率信號同時存在于接收機接收范圍內時，由于非線性元件的作用，會產生新的頻率分量，這些新頻率分量可能會與原始信號或其它信號發(fā)生干擾，影響通信質量。

互調靈敏度可以用互調產物（Intermodulation Products, IP）的級別來衡量，通常表示為相對于原始信號的分貝（dB）值?；フ{產物的級別越低，說明互調效應對接收機性能的影響越小，接收機的互調靈敏度越高。在無線通信設備的設計中，提高互調靈敏度是一個重要的目標，因為這可以減少互調干擾，提高通信系統(tǒng)的整體性能。通過使用高質量的線性放大器、濾波器和其他組件，以及優(yōu)化信號處理算法，可以降低互調效應，提高接收機的互調靈敏度。

還有一個注意點，無源器件的非線性會產生無源互調，會不會產生相應的Harmonic呢？這個大家可以留言討論一下。

No.2無源互調的分類及產生機理

無源互調產生的原因多種多樣，比如材料的缺陷，接觸不良，制造工藝缺陷等。針對其產生的原因，可以對癥下藥。

1，設計缺陷導致的PIM

有句俗話叫做：研發(fā)乃萬惡之源。說實話，產品的任何問題都可以從研發(fā)找到其根源。對于無源互調也同樣受用。比如對于如下圖的通信系統(tǒng)，其雙工器的設計對無源互調就極其重要。因此在設計中，要重點關注雙工器的設計和制造，尤其是對于天線口處作為TX濾波器和RX濾波器連接的部分。

同時呢，有論文提到了PIM消除的方法，如下圖所示，通過對PIM進行檢測重建，可以從接收信號中消除無源器件產生的互調產物。

實驗結果如下：

通過PIM消除技術，可以有效改善TX通路產生的互調對RX接收的影響。但是隨著通信系統(tǒng)越來越復雜，這種方法的有效性還尚待驗證。比如下圖所示的多通道FDD產品。

其互調影響將會變得復雜，不僅要考慮IM3的影響，IM5，IM7等互調產物也會對相鄰接收通帶帶來影響。

總而言之，在設計之初，就要考慮整個射頻系統(tǒng)對于無源互調的可承受度，以及無源器件的互調指標。選擇高互調的無源器件，會讓后面的測試和生產變得非常容易。

2，裝配產生互調

對于無源器件，更多的是采用結構來實現(xiàn)射頻功能，比如濾波器，雙工器，天線等，其生產過程中，組裝占據了很大部分。比如下面這個濾波器，里面就有各種金屬部件，通過組裝到一起來實現(xiàn)濾波器功能的。

因此由于裝配導致的PIM問題就顯得非常重要。

常見的裝配問題包括：

連接器配接接口（通常為 N 型或 DIN7/DIN16），松動或者力矩不夠導致接觸不良。

電纜附件（電纜/連接器接頭的機械穩(wěn)定性），

清潔度（污垢或濕氣污染），油污或者水汽導致的接觸不良；

電纜注意事項（電纜的質量和堅固性），

焊接不良/虛焊等，

機械堅固性（因風和振動而彎曲）。

因此，在無源器件的生產過程中，一定要注意組裝的質量，保證組裝的穩(wěn)定性，以減少因為裝配導致的PIM問題。

3，材料產生無源互調

關于材料這塊，其實應該放在設計中，因為對于無源器件來說，很多材料的選擇是在產品設計市就定下來的。比如有一些磁性材料，在高互調器件中要慎重選擇。

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導致非線性的加劇。比如常見的鐵、鎳、鈷及其合金在高互調器件中應避免使用。除此之外，一些半導體材料或者金屬氧化物，金屬腐蝕等都會導致解除不良或者材料非線性帶來互調影響。

No.3結論

無源互調這個老話題，其實一直是困擾射頻設計人員的一個痛點，如何解決無源互調，不僅要在設計上，生產上下功夫，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)互調問題提供了新思路。相關資料已經上傳至射頻學堂的知識星球。

參考文獻

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