關於射頻(RF)和無線的熱門話題有很多:5G首當其衝,還有小型基地台和MIMO等等。其中有些是嶄新的概念,幾年前還不存在或只是一些理論,其他則是一些別名較為人所知的——例如「分集天線」,其中就有MIMO的概念,只不過它比較「靜態」,缺少了當今MIMO的動態特性。

但還有另一個術語如今也獲得了更多的關注:「被動交互調變」(passive intermodulation;PIM)。PIM是什麼?簡言之,它是RF訊號路徑中由材料引起的非線性。是德科技(Keysight Technologies)在其應用指南《Innovative Passive Intermodulation (PIM) and S-parameter Measurement Solution with the ENA》中對它的定義是:「PIM是由兩個或多個RF訊號混合所產生的無用訊號,由RF路徑中被動元件(如天線、電纜或連接器)的非線性所引起。PIM產物是由鐵磁材料、異相金屬接點、金屬氧化物接點、受污染的接點和RF連接器接觸不良所引起的高功率混音結果。」

簡單來講,PIM是典型非線性混頻情況的一種表現,但大多數情況下,非線性混頻在電子系統中非常有用。當兩個或多個載波訊號頻率暴露於非線性混頻時,就會產生PIM,最終得到的訊號中就包含了額外的無用頻率,這就是交互調變的產物,如圖1所示。

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圖1:電路和系統設計人員所熟知的頻率混合及其導致的交互調變訊號。(來源:Keysight Technologies)

由於PIM可能會在訊號路徑上的各個點產生這些交互調變產物,因此也可能在濾波後產生,使其成為一個令人頭疼的問題。Keysight的應用指南中即明確地提到了這一點(圖2):「雖然濾波可以在發射器路徑上減少功率放大器所產生的無用訊號,但卻無法濾除RF訊號路徑中被動元件(如天線、電纜或連接器)的PIM產物。」在這份應用指南中深入探索了PIM,對其來源、效應和含義提供了更多的觀點和看法。

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圖2:圖中通訊系統的方塊圖和頻段顯示PIM相關訊號如何「潛入」系統中。(來源:Keysight Technologies)

PIM在某些頻段會對無線鏈路產生各式各樣的問題,而隨著無線技術推進到數十GHz的電磁頻譜範圍,問題可能會更嚴重。在這些高頻率下,由PIM引起的交互調變產物會影響鄰近通道並降低系統的性能、餘裕以及訊號雜訊比(SNR)。由於PIM使得有線電路產生紋波,因此還引發級聯效應。而且,雖然PIM的負面影響確實存在,但其實際幅度卻很小,不太容易透過儀器辨識,因而使其難以捕獲和診斷。根據安立知(Anritsu)的應用指南《Passive Intermodulation (PIM)》,「從現場的實驗顯示,下載速度顯著降低與PIM微幅增加有關。從路測即可得知,當殘留的PIM強度從-125dBm增加到-105dBm時,雖然這個數字不算糟糕,但下載速度卻降低了約18%。」這麼低的PIM強度卻會導致非常大的性能降低。

這有些歷史諷刺意味。PIM這種物理現象並不新鮮,只是上述表現及其後果新鮮。長久以來,不同的金屬及其物理介面的整流和非線性效應一直是潛在的問題根源。甚至還有奇聞趣事說,有人可以透過牙齒「接收」並甚至收聽AM電台廣播,因為在他們的牙齒和補牙材料之間所具有的某種互動,就像是作為傳統石英晶體收音機設計中的二極體。

為了最大限度地降低PIM效應,電纜和連接器等被動元件的供應商正努力盡可能地減少PIM的潛在來源,並為其設計測試方法,這可不是件簡單的事。從哲學的角度來思考,PIM的情況就好像在替這些被動元件說:「誰叫你在設計時不太尊重我或者多考慮一會兒(至少一開始沒有……),那我就證明我真的很重要……而且我也很難分析和建模!」

只要看看有關RF和微波系統設計的出版物——誠然,用這個來對設計讀者感興趣之處做評判不太準確——你會看到其中有很大一部分的廣告都在講基本原理、電纜、互連和電纜組件,它們通常都強調其平坦度、阻抗穩定度和相位相關性能,而忽略了溫度變化、低PIM、匹配性能等優點。我認為供應商在廣告中說的是「我們能幫您避免問題」。這與主動元件的廣告形成對比,因為它通常是讓您瞭解更多:獲取更大功率、工作頻寬更大、實現更高效率,同時還增加線性度等等。我想這能讓您瞭解到工程的現實情況。

所以,如果你無法完全信任你的基本被動元件,你還能指望什麼?你可能認為這很不公平。但是生命(和設計)本來就不公平,而PIM為GHz級產品的設計人員又增加一項,使他們在設計產品時必須要習慣它,並透過仔細的元件選擇或其他技術來盡可能地減小它。正如他們所說的,「習慣它吧!」。

你在設計中碰到過PIM問題嗎?你是否認為這是個潛在的問題,如果不關心,它就可能影響你,或者在你遭遇性能下降的時候,它可能讓你花費數小時的時間去查找難以捉摸的根源?

(參考原文:An Old Irritation Reappears as a New Headache,by Bill Schweber)

本文同步刊登於電子技術設計雜誌2019年10月號