隨著通信技術的快速發展，特別是5G天線，通信頻率的增高，以及語音和數據信號容量的增加，之前對信號產生影響較小的因素也被越來越重視起來，無源互調就是其中之一。

1什么是無源互調（PIM）

無源互調（Passive Inter-Modulatio）又稱無源交調、互調失真等，是由射頻系統中各種無源器件產生的，只要一個射頻導體中存在兩個或兩個以上的RF信號，就會產生互調，產生一個或多個新的頻率，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。

無源互調值非常小，一個典型的無源互調指標是在二個+43dBm的載頻功率同時作用到被測器件（DUT）時，DUT產生-110dBm（絕對值）的無源互調失真，其相對值為-153dBc,相當于一根頭發絲的直徑對比地球到太陽之間的距離。因此測試非常因難，大多采用IEC推薦的正向和反射互調產物的測量方法。

2無源互調的來源

PIM可以發生在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也可能會導致PIM。PCB材料也可能是PIM的來源，它可能來自于材料本身，也可能來自饋電點。

3無源互調分類

（1）正向互調

正向互調也被稱為傳輸互調，其定義是當兩個載頻同時輸入到一個雙端口(或多端口）器件時，在輸出端所產生的互調。在測試過程中，任何空閑端口必須接低互調負載。

從頻段細分，正向互調又可分為落入發射頻段和落入接收頻段兩種,它們的區別取決于f1和f2的之間的差值△，2f1—f2和f1之間的間隔、2f2—f1和f2之間的間隔都等于△，從這個規律可以直觀判斷互調產物的位置。同樣是正向互調，落入發射頻段和接收頻段互調的測試方法卻大相徑庭。

（2）反射互調

反射互調的定義是當兩個載頻同時輸入到一個雙端口（或多端口）器件的某個端口時，從該端口反射回輸入方向的互調產物，如下圖所示。在測試過程中，任何空閑端口必須接低互調負載。

通常情況下，反射互調僅指落入接收頻段的互調產物。這并非意味著反射互凋不存在于發射頻段，之所以不關注落入發射頻段的反射互調，是因為這部分互調產物對系統的影響甚微。

4無源互調階級

4.1無源互調計算公式

數字是階數，表示產生互調產物的兩個母信號的整數倍頻之和。如2*F1±1*F2=F(IM3),3*F1±2*F2=F(IM5),類似的還有七階互調，九階互調等。互調產物的階數越小能量越大，即同一無源器件產生的三階互調值大于五階互調值。

4.2互調階級關系

（1）三階互調

如果在通信系統的發射頻段有兩個載波f1和f2,其中f1

一般情況下，只有2f1-f2會落在通信系統的接收頻段，所以在檢測三階互調時，重點對其進行考察。如GSM900的頻段：890Mhz至960Mhz，其中上行為890Mhz~915Mhz，下行為935Mhz~960Mhz，三階互調剛好落入頻段內。

（2）五階互調

與三階互同理，3f1-2f2,3f2-2f1,3f1+2f2和3f2+2f1都稱為系統的五階互失真。一般情況下，只有3f1-2f2會落在系統的接收頻段，所以在檢測五階互調時，重點對其進行考察。其它七階與九階互調原理相同。第五，第七和第九階PIM諧波功率水平通常較小而不會影響接收器性能。

（3）多個載波互調

對于多個載波混合輸入到無源器件中時，產生的互調失真的頻率變動得復雜。以三載波為例，f1

5無源互調測試

5.1無源互調測試設備及環境要求

互調值業界暫無統一標準，典型的無源器件，如定向耦合器、功率分配器、雙工器、連接器和電纜組件等，其互調產物通常在-120～-100dBm,即-163～-143dBc。而某些器件的互調產物更大，如鐵氧體器件的互調產物可達-60dBc甚至更大。

Rogers公司對互調進行了一個大致分類：互調值達到-143dBc時，即為較好的互調。當互調值達到-153dBc時，為很好的互調。當互調值達到-163dBc時，為極好的互調。業界化為、金信等大型天線供應商互調值要求-153±3dBc水平。

無源互調儀需具備以下特性：

（1）儀器需具備非常低的自身互調（殘余互調），IEC-62037和GBT-21021要求測試系統的自身互調要低于被測件互調至少10dB。

（2）大功率范圍電平輸出，可以模擬各種測試環境，滿足不同測試需求。PIM的測量一般需要以高于工作功率電平2～4倍的功率進行測量，微波功率高達上百瓦甚至幾千瓦。

（3）高精度的接收機，可以精確的檢測出微弱的互調信號，保證測量精度。

（4）測量模式齊備，點頻和掃頻，反射式和傳輸式測量。

（5）低PIM組件：PIM測試系統的組成部件本身必須是高性能、低PIM的。專用的合成器、定向耦合器、濾波器等產生的PIM電平必須控制在被測件PIM電平的-6dB以下，連匹配負載都要采用不產生PIM的特殊負載，以保證整個測試系統能夠正常工作。

（6）PIMP（Passive Inter Modulation Product，無源互調產物）與環境溫度有關，并隨著時間發生變化，因此需要進行長時間的溫度循環試驗。

（7）頻率配置

早期，測量者關心的是落在接收頻段的互調，如今越來越關心落入發射頻段的互調。一些標準的無源互調測量系統只能測量落入接收頻段的互調，對于落入發射頻的互調測量無能為力。另外，對于多制式系統的共存，跨頻段的互調干擾也將逐漸顯現。對于無源互調測量系統來說，除了接收頻段外，發射頻段和跨頻段的互調分析和測量也是需要考慮的重要因素。

（8）測量功率流的方向

將兩個載頻合成后從一個方向同時注入DUT,這已經是無源互調測量的慣性思維了，但在實際應用中，系統中的器件要承受來自不同方向的功率。對于這一點，早期的無源互調測量系統并沒有考慮。

（9）載頻的數量

絕大部分無源互調測量都是在兩載頻的條件下進行的，但是也有四載頻條件下的測量。隨著無線信道的日益擁擠，多載頻的無源互調測量可能在不久的將來被列入有關的測量標準。

PIM測量系統與頻率和帶寬的相關性很強，測量系統難以通用，一般需要根據測試目的進行專門的制作。同時，不僅要測量無源部件的PIM產物，還要能夠對天線和整星進行測量。因此，如何設計一個低PIM的測量系統是進行PIM測量首先必須解決的問題。

5.2 PCB無源互調測方法

IEC62037測試規范中定義了PIM總的測試方法，但沒有具體定義電路材料的測試方法。如圖1所示是Rogers公司測試PIM的實物圖，使用141半柔性低互調線纜連接微帶線兩端，線纜一端連接低互調無源負載，一端連接PIM測試設備，測試設備采用凱鐳思IQA-1921C，支持頻段在1900MHz，其中紅色夾用于固定線纜與電路板，從而減少測試過程中由于移動與應力對結果產生的影響，最終得到PIM值與時間的關系。由于PIM值非常低，通常要求是-160dBc或-156dBc以下，它功率非常小，極易受到外界因素的影響，因此在測試過程中需要不斷調整線纜與連接器，以及檢查焊接點是否完善，以減少不必要的因素導致對PIM值測試結果的影響。

選擇指定的PCB材料進行PIM值測試，采用12inch、50ohm微帶傳輸線，測試時間總共約60s，捕捉500多個PIM值，并去除了最好與最差的5%的值后，取其平均值得到測試結果。

5.3基站設備無源互調測試方法

5.3.1天線

在天線PIM測試時，RF功率會通過天線輻射到自由空間，所以必須確保靠近天線的人所遭受的電磁輻射，不能超過人體所能承受的最大值，建議現場測試人員穿著防輻射服、防輻射眼鏡。

測試環境中不能存在影響測試結果的因素，應遵循以下原則：

（1）建議在微波暗室中進行天線的測試。

（2）若沒有微波暗室條件，應選擇周圍空間30米左右沒有明顯遮擋物的場地。

（3）確保測試場地空間沒有外部干擾信號，建議使用便攜式無源互調測試儀中頻譜功能，對外部空間進行頻譜測試。

（4）將天線放置在沒有金屬的支撐物上，離地至少1米，天線面朝天空，以確保天線的主瓣信號輻射到自由空間。

（5）測試人員與無源互調測試儀應與天線保持一定距離，建議在3米以外。

（6）確保測試人員身上沒有金屬物，比如硬幣、手機等（若有手機，必須處于關機狀態）。

天線是一個開放場器件，受周圍環境影響很大， 互調儀除接收到互調干擾信號外，還接收外部干擾信號，這樣測出來互調干擾電平值就不是真正的互調干擾，而是外部干擾。為保證結果的準確性，要先頻譜測試。

5.3.2負載

將測試電纜的一個端口與PIM測試儀的RF OUT端口相連，另外一個端口與低互調負載相連。

5.3.3濾波器

將測試電纜的一個端口與PIM測試儀的RF OUT端口相連，另外一個端口與濾波器輸入端口相連，另外一根測試電纜與濾波器輸出端口相連，另一端連接低互調負載。

5.3.4衰減器

將衰減器的輸入端口與PIM測試儀的RF OUT端口相連，輸出端口與測試電纜連接，測試電纜另外一根端口連接低互調負載。

5.3.5耦合器

將測試電纜的一個端口與PIM測試儀的RF OUT端口相連，另外一個端口與耦合器輸入端相連，耦合器的輸出端口與耦合端口分別通過測試電纜連接低互調負載。

5.3.6電橋

將測試電纜一個端口與PIM測試儀的RF OUT端口相連，另外一個端口與電橋輸入端口相連，電橋另外三個端口分別通過測試電纜連接低互調負載。

5.3.7功分器

將測試電纜的一個端口與PIM測試儀的RF OUT端口相連，另外一個端口與功分器輸入端口相連，功分器兩個輸出端口通過測試電纜連接低互調負載。

5.3.8合路器

將測試電纜的一個端口與PIM測試儀的RF OUT端口相連，另外一個端口與合路器所相應頻段的輸入端口相連，合路器兩個輸出端口通過測試電纜連接低互調負載。

5.4互調儀校正要求

對于儀表的校準，以行業標準來對接收機和發射機分別做校準，需要用到多種精密儀器，要求比較高，因此無法做到現場校準，需返廠校準。現有的檢測方法有兩種：

（1）測試儀表的殘余互調，要求IM3≤-168dBc@43dBm，但要注意，在使用一段時間后接口由于自然磨損，殘余互調會不斷提高，只要IM3≤-160dBc@43dBm都是允許的。

（2）使用儀表標配三階標準件，測試其IM3的值，如果與標稱值的誤差在±3dB之內為允許。

注：并不是每次互調測試前都要用標準件先驗證一遍。標準件是昂貴的易耗品，壽命隨使用次數遞減，而影響工程測試儀表的準確度主要是由于測試電纜及測試配件接口損耗產生。儀表自身的變化很緩慢，不用頻繁驗證。

5.5影響互調測試的因素

（1）在多次測試過程中，測試接頭沒有擰好，測試中移動被測件或被測電纜，改變了測試電纜半徑。

（2）被測量部件機械結構不良或受制于機械應力（部件內部，部件接頭等）的被測件。（3）當通過大功率信號使部件發熱造成內部機械接觸面膨脹（或壓縮）后，互調值會隨時間而改變。隨著被測時間的進行，器件逐漸發熱，測量結果隨之向一個方向產生偏差。

（4）測試非封閉器件如天線等時，會受時變的自由空間的電磁場影響。

（5）被測器件駐波比超標。

（6）儀表測試頻率與被測器件不匹配。

（7）互調儀的殘余互調應該至少比期望的測試互調最小值小10dB,如果被測器件的真實互調與殘余互調接近，會發生嚴重的測量誤差。

（8）互調儀發射機、接收機自身的穩定度。

5.6測試注意事項

（1）應使用專用的電纜頭蓋子把電纜頭蓋好，以免電纜頭鍍銀部分暴露在空氣中氧化，影響測試指標。電纜頭經常與被測件摩擦，會在其內部產生金屬顆粒，所以要做到定時清理，方法是用衛生棉簽和液體酒精，將金屬顆粒擦洗干凈。但也要注意銀表面過度使用酒精會發黃。

（2）測試電纜屬于易耗品，一般情況下2個月就需要更換。測試過程中不要過分彎折電纜線，特別是其接頭連接部分，否則會影響測試線的使用壽命和測試結果的準確性。

（3）互調儀連接電源時，電源插頭必須要連接到設有接地裝置的插座上，否則可能會給儀表造成損傷或對使用者造成人身傷害。

（4）互調儀出廠之前，均使用漏電測試儀進行嚴格測試，儀表自身不會出現漏電問題。但使用時可能會有觸電感覺，一是因為靜電，二是因為電源沒有接地或接地不可靠。建議使用萬用表對機房內電源進行檢查，排查電源漏電的危險。

（5）互調儀掃頻需通過兩次掃頻完成，一次固定頻率低端，從高往低掃，另外一次固定高端，從低往高掃。之所以掃描兩次曲線是為全面衡量被測器件的能力，只有相同頻率點的互調值才有可比性，如果兩條掃描點不重合，就不能直觀反應器件互調性能的穩定性和一致性。

6無源互調干擾因素

6.1室分系統互調干擾因素

根據互調干擾產生機理，影響室分系統互調干擾信號大小的因素主要有兩個：

（1）進入天饋系統的載波個數，載波數越多，互調產物就越多，互調干擾就越大。

（2）每個載波進入天饋系統的功率，功率越大，互調產物的幅度就越大，互調干擾就越大。要從根本上解決互調問題，必須從提高器件性能入手，只有通過使用高性能無源器件，同時加以規范施工才能從根本上解決無源互調干擾問題。根據現場多載波調制信號使用要求，強烈建議室分無源器件功分/耦合器及電橋，互調要求為-150dBc@43dBm,尤其是靠近信源部分。

6.2 PCB互調干擾因素

6.2.1天線PIM影響因素研究

通過了解不同的電路板材料的參數與PIM之間的關系，將有助于選擇合適的材料，而不至于造成PCB天線的PIM性能問題。以PCB形式設計的高頻天線可以有多種不同結構，從簡單的偶極子，到基于環形諧振腔和羅特曼透鏡的復雜的結構。其中一種比較受歡迎的PCB天線就是微帶貼片天線，它可以在給定的頻率范圍內設計出簡單緊湊的天線構結(如圖)。許多產品利用多個PCB貼片天線或諧振結構，來實現波束成形網絡(BFN)或相控陣天線，并通過電調方式來控制雷達或通信系統中PCB天線的振幅，相位和方向。

在毫米波頻率下，緊湊型的微帶PCB天線也越來越受到關注。例如用于汽車電子安全系統的77GHz高級駕駛輔助系統(ADAS)，就以這種天線實現盲點檢測，自動制動系統和防碰撞等功能。由于這種系統的信號功率較低，ADAS接收機就必須依靠其高靈敏度，可靠地檢測從行人和其他車輛等目標反射的雷達回波。

電路板的介電常數(Dk)是許多工程師在設計微帶貼片天線時首先要考慮的因素。電路板材料的Dk值對電路尺寸的影響，在上表中的四個例子中有詳細的描述，結果顯示對給定頻率的微帶貼片天線，貼片尺寸隨著Dk值的增加而縮小。該表是通過MWI-2017軟件計算完成， 表中微帶貼片天線的尺寸，如長度(L)和寬度(W)，可以利用以下的簡單方程計算得到：

W=(c/2fr)[2/(Dkeff +1)]0.5

L=λ/[2(Dkeff)0.5] - 2ΔL

其中：

Dkeff=微帶電路的有效介電常數

λ=基于微帶電路的波長

fr=貼片輻射元件的諧振頻率

c=自由空間中的光速

ΔL=由于邊緣場引起的貼片延伸長度

微帶貼片天線單元在發射時將電磁能量輻射到自由空間，在接收時將電磁能量傳輸到連接的電路上(例如：接收器)。但貼片PCB天線的一個重要組成單元，饋線構成了另一個重要部分。饋線在微帶電路和輻射貼片之間，起到傳輸和接收電磁能量的橋梁作用。理想情況下，貼片應呈現高輻射，而饋線應呈現低輻射，從而實現能量從電路到貼片的有效傳遞。

下圖展示了可用于微帶貼片天線的四種不同饋線方式，分別為：松耦合饋電，底層饋電(常用于多層電路中，饋線在貼片下方)，緊耦合饋電，以及四分之一波長(λ/4)阻抗變換器饋電。這幾種饋電方式，饋線的復雜性和用途均不相同。例如，對于底層饋電的情況，設計者可以通過選擇外層使用最好的電路板材料以獲得最佳的輻射，也可以選擇不同的內層電路板材料，來降低饋線的輻射和插入損耗。

對天線來講，較厚的電路板材料更容易向外輻射能量。一般來說，設計諸如微帶貼片之類的天線輻射單元，應該選擇相對較厚并且具有較低Dk值(例如2.2至3.5)的電路板材料。盡管更高Dk值的材料輻射效率較低，使用較高Dk值的電路板材料來設計PCB天線更具挑戰性。但當需要設計更小的貼片天線時，仍可通過優化設計而使用更高Dk值的電路板材料。

PIM較高的天線可能會導致無線通信系統中(如4G LTE無線網絡的分布式天線系統)數據的丟失。而對于新興的5G/6G無線網絡，盡管其頻率較高，實際也是如此。

到底多低的功率電平可以認為是低PIM？這個值可能因系統而異。對于4G LTE系統中使用的DAS設備中包括的一些無源組件(如連接器和電纜)，-145dBc通常被認為足夠低。然而一般來說，-140dBc或更高數值被認為是較差的PIM性能，而-150dBc被認為是較好的，-160dBc則是優秀的。

在專門設計的微波暗室中測量天線和其他無源器件的PIM電平，低至-170dBc可能超出暗室測試環境噪聲水平。當使用兩個+43dBm單音信號進行測量時，大多數PIM測試暗室的實際噪聲級別為-165dBc。

當同一副天線通過共同的饋線同時實現發射和接收功能時，低PIM尤其重要。因為發射機和接收機都同時位于同一系統中，多個發射信號的非線性產物總會導致不想要的互調諧波，其幅度往往足以惡化接收機的性能。通過了解不同材料特性的PIM產生特性，可以減小PIM對PCB天線帶來的影響。

盡管大多數情況下PIM是由電路結點(如焊點或連接器)中不均勻的材料產生，但電路板材料的特性，如粗糙的銅箔表面和不同類型的電鍍表面處理，也可能會產生較低或較高的PIM電平。電路板材料中的某些參數就可以用來作為設計低PIM PCB天線的參考。

例如，相比PCB層壓板的陶瓷或PTFE介質，層壓板的銅箔表面粗糙度對影響PIM起主要作用。同時，對于相同介質材料的電路(例如，含有玻璃布或陶瓷填料的PTFE)，粗糙的銅箔表面對PIM的影響就要比平滑的銅箔表面更大。

為了更好地理解銅箔表面粗糙度與PIM的關系，通過測試具有不同銅箔表面粗糙度的電路板，分析其對PIM性能的影響。具體方法如下：先測量每種銅箔的表面粗糙度，然后壓合成層壓板，接著在層壓板上制作微帶傳輸線測試電路，以測量對應的每種層壓板的PIM性能。結果表明，隨著銅箔表面粗糙度的增加，對PIM影響越來越大(如圖)。

PCB材料制作成天線和其它無源器件，經過表面電鍍后，也會對PIM性能產生影響。鐵磁性材料(如鎳)，會嚴重影響PIM的性能。化錫工藝通常會比裸銅電路具有更好的PIM性能，而使用化學鎳金(ENIG)的電路由于含有鎳會產生較差的PIM性能。

電路表面清潔度有利于降低微帶天線和其它微帶無源器件的PIM性能。有阻焊的電路通常比裸銅電路具有更好的PIM性能。清潔的電路，沒有殘留的濕法化學處理，是降低PIM性能的重要基礎。電路中帶有任何形式的離子污染物或殘留物，可能會導致較差的PIM性能。

同樣地，電路的蝕刻質量對于改善PIM性能也是十分重要的。如果銅箔導體沒有被充分腐蝕掉導致電路邊緣產生粗糙和毛刺，這種情況也可能會使PIM性能下降。

只要仔細地選擇電路板材料，就可能為無源器件或電路提高其PIM性能。不過，就算使用了低PIM的材料，某些類型的電路可能因自身結構較易受PIM影響，而無法改善其PIM性能。例如，羅杰斯公司(RogersCorp.)以32.7mil厚的RO4534電路板材料進行了相關的實驗。這種天線層壓板的特性是：Dk為3.4，公差為±0.08，在10 GHz時的低損耗因子(低損耗)為0.0027。使用這種相同的電路板材料加工的三個不同電路分別為：傳輸線、帶通濾波器、低通濾波器(如圖)。即使這些電路是基于同一電路板材料加工出來的，但由于PIM受電流密度的影響，造成PIM的差異就非常顯著。比起簡單的傳輸線電路，濾波器具有較高的電流密度，從而產生更高的PIM諧波。而當使用兩個+43dBm的單音信號對微帶傳輸線進行測試評估時，RO4534材料呈現出-157dBc的低PIM性能。

如實驗所示，常用于天線饋電的簡單傳輸線，幾乎可以達到接近材料的額定PIM水平。盡管如此，PIM性能也與電路構結緊密相關，不同電路也導致最終的PIM性能不同。