【技术】通往5G之路:在sub-6GHz的5G天线中影响无源互调PIM的因素
无源互调(PIM)作为互调失真的一种,是由无源器件(例如天线、电缆、连接器或带有两个或以上大功率输入信号的双工器)产生的,传输路径中的PIM会降低无线通信系统的质量。本文主要从两个方面描述ROGERS公司对其的研究:一是对PIM的测试方法与结果;二是材料及PCB加工过程中对PIM的影响。
IEC62037测试规范中定义了PIM总的测试方法,但没有具体定义电路材料的测试方法,Rogers公司与其他天线设计公司紧密合作,共同研究PIM的测试方法并相互修正。如图1所示是Rogers公司测试PIM的实物图,使用141半柔性低互调线缆连接微带线两端,线缆一端连接低互调无源负载,一端连接PIM测试设备,测试设备采用凯镭思IQA-1921C,支持频段在1900MHz,其中红色夹用于固定线缆与电路板,从而减少测试过程中由于移动与应力对结果产生的影响,最终得到PIM值与时间的关系。由于PIM值非常低,通常要求是-160dBc或-156dBc以下,它功率非常小,极易受到外界因素的影响,因此在测试过程中需要不断调整线缆与连接器,以及检查焊接点是否完善,以减少不必要的因素导致对PIM值测试结果的影响。
图1 Rogers公司测试PIM的实物图示
如图2所示,选择60mil RO4730G3TM材料进行PIM值测试,采用12inch、50Ohm微带传输线,测试时间总共约60s,共捕捉了500多个PIM值,在去除了最好与最差的5%的值后,取其平均值得到图2所示的结果。
图2 PIM值与时间的关系
PIM是电路的一种基本属性,而非材料属性。为了验证这一点,Rogers公司选择相同材料的相邻区域制作电路来进行比较PIM值。如图3所示,是基于32.7mil RO4535TM材料的相邻区域制作不同电路对PIM值进行比较。从图中可以看出,所设计的带通滤波器具有最高的电流密度,达到23A/m,其PIM值最差,仅约-128dBc;所设计的低通滤波器最大电流约为12A/m,其PIM值在-144dBc左右;而微带传输线的电流密度是三者中最小的,为4.5A/m,其PIM值最好,为-156dBc。从而得出结论,PIM值受电流密度的影响与设计的电路有关,而非材料的影响。
图3 相同材料不同电路对PIM值的影响
此外,材料的铜箔表面粗糙度也会对PIM值产生影响。如图4展示了铜箔表面粗糙度对PIM值的影响曲线。可以看出,当Rq值达到4.5或4时(即曲线右侧),其PIM值仅有-130或-140dBc左右;而Rq值达到0.5甚至低于0.5时,其PIM值能达到-160dBc及以下。这也能进一步说明,铜箔表面越粗糙,其PIM值越差,反之铜箔表面越光滑,PIM值越好。
图4 铜箔表面粗糙度对PIM值的影响曲线
电路加工过程中,许多因素也都会影响PIM值,比如阻焊绿油和化学锡。对于32.7mil RO4534TM Lot A材料,使用裸铜的电路其PIM值为-144dBc,而阻焊绿油&化学锡电路的PIM值为-158dBc;对于32.7mil RO4534TM Lot B材料,裸铜电路的PIM值为-150dBc,而阻焊绿油&化学锡电路的PIM值为-156dBc;对于30.7mil RO4730JXRTM材料,裸铜电路的PIM值为-154dBc,而阻焊绿油&化学锡电路的PIM值为-159dBc。可以看出,电路使用阻焊绿油和化学锡进行表面处理可以优化PIM。
不同的表面处理工艺也会对PIM值产生些许影响。从图5可以看出,化学镍金的PIM值最差,接近-135dBc左右;而阻焊绿油与化学锡如前面所说,可以改善PIM性能,不过化学锡的厚度对于PIM值几乎没有影响。
图5 表面处理工艺对PIM值的影响
综上所述,设计的电路、铜箔表面粗糙度、表面处理工艺等都是影响PIM的因素。
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