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新聞動態

如何理解高頻PCB的無源互調?

2024.10.15

什么是無源互調(PIM)?


在射頻系統設計和生產階段,由于有源器件本身的非線性特性,工程師通常會設計多種方案來提高射頻系統的線性度,降低互調帶來的影響。


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典型射頻系統收發架構

圖源:sharetechnote


與有源器件相比,無源器件同樣也有的非線性的工作特性,雖然無源器件非線性影響小,但是同樣會影響射頻系統的工作性能。


無源互調(Passive Inter-Modulation)又稱無源交調、互調失真等,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)的非線性而產生互調,產生一個或多個新的頻率信號,這些新產生的頻率與工作頻率混合在一起就會影響到通信系統。


無源互調(PIM)的來源


PIM可以發生在裝配的任何環節,PCB的加工,連接器和線纜的安裝甚至裝配方法和環境,都會對PIM帶來影響。例如:任何兩種不同金屬的連接點或接口處,例如連接器和電纜組件的連接處,天線和天線饋源的連接處,接觸不良的連接器,內部生銹或氧化的連接器都會導致PIM。


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無源互調的來源


PCB無源互調的產生機制


接觸非線性


半導體效應


如果使用的器件材質為金屬,接觸面表面則有可能會出現薄膜,如暴露在空氣中形成的氧化膜、物理吸附膜或化學吸附膜、表面的污染物等。


薄膜的存在使原本接觸良好的金屬-金屬(Metal-Metal,MM)接觸轉變為接觸不良的金屬-介質層-金屬(Metal-Insulator-Metal,MIM)接觸。


當線性電流經過薄膜時,有可能會發生隧穿效應、熱電子發射效應等非線性微觀物理效應,線性電流因此轉化為非線性電流,從而出現接觸非線性。



接觸電流效應


從微觀角度考慮,金屬的表面呈現高低不一的復雜形態。當發生接觸時,有部分區域并未發生接觸,實際上電流只會通過部分接觸的微凸體。由于實際接觸面積變小,電流線經過接觸點時會收縮,導致電流線路徑變長且電流密度增大等情況。在每個微凸體上,電流聚集通過時會產生非線性電流,接觸面積的變化會影響非線性電流,從而導致PIM的產生。


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金屬間接觸非線性

材料非線性

對于材料非線性的研究主要集中在鐵磁材料,鐵、鈷和鎳等鐵磁材料能比一般的材料產生更高水平的失真。


PCB板材在加工時為保證板材高可靠性及優異蝕刻性能,通常會在銅箔表面鍍上金屬鍍層,如鎳、鋅、鉻,而鎳及其合金是典型的鐵磁性材料,由此產生了非線性,產生了PIM問題。


電熱耦合非線性

當射頻系統按照額定功率工作一段時間后,由于導體損耗和介質損耗的存在,電路會產生焦耳熱效應,從而導致溫度的變化。


由于金屬材料的電阻率會隨溫度變化,電阻率的變化又會反過來影響金屬中的電流,電流和溫度不斷反饋不斷耦合的過程即是電熱耦合產生PIM的機理。


如何改善PCB的無源互調?



使用反轉銅箔或低輪廓銅箔

銅箔粗糙度會影響PIM,普通銅箔粗糙度較大,銅箔上表面和下表面粗糙度都會影響PIM。


盡量選用薄銅箔

銅箔厚度會影響電流密度分布,從而影響PIM,低電流分布PIM容易小。


選用合適的表面處理工藝

沉錫,鍍銀都是比較好的PIM表面處理,而含有Fe、Co、Ni之類元素的表面處理會惡化PIM。


過孔設計

盡量多設計一些過孔,降低電流密度,射頻信號盡量不走過孔。


屏蔽盒設計

屏蔽盒打孔需離走線有3倍走線寬度以上的距離。


器件選型

元器件盡量避免使用鐵氧體材料,器件表面鍍金可以改善PIM,但鍍金前先鍍鎳會使PIM惡化。


文章參考來源:

高頻PCB關鍵性能指標之一:浙江花園新能源股份有限公司

無源互調(PIM)影響因素及常見問題-電子發燒友

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