【经验】低PIM天线级应用的理想选择，Rogers层压板RO4500TM、AD系列、RO4725JXRTM

时间： 2019-01-16 来源：Rogers

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1.高保真的屏障——PIM干扰

互调失真（IMD），对于音频电路设计者来说，是众所周知的高保真屏障。即使在无源电路（如天线、电缆和连接器）中，也以无源互调（PIM）的形式被高频电路设计者越来越熟知。简而言之，PIM会造成干扰。PIM由无源电路中的非线性特性引起。发射信号由基音及其谐波组成。当两个或多个信号在物理上相近并同时传输时，电路中的非线性特性会导致不同的信号音调混合并产生额外的杂散信号，这些杂散信号会阻塞或干扰接收器上目标信号的接收。

PIM的干扰大小受一些不同的因素影响，包括多个发射音调的振幅和频率，电路传输线的布线，以及实际应用的电流密度和功率电平。多个信号音调通常用其基频（例如，ƒ1和ƒ2）表示，而它们的PIM杂散信号的频率是由基音的不同谐波之间的差异产生的。

如果ƒ1和ƒ2代表频率增加的基音，那么因高PIM设计和仅仅每个基音的二次和三次谐波（例如，2ƒ1和3ƒ1，2ƒ2和3ƒ2）产生的信号总数如下：3ƒ1-2ƒ2、2ƒ1-ƒ2、ƒ1、ƒ2、2ƒ2-ƒ1和3ƒ2-2ƒ1，其中与两个原始音调频率相近的附加干扰就多达四个。根据发射器/接收器组合的设计，PIM产生的杂散信号可能落在接收器的带宽内并干扰两个目标音调的接收。

图1 无源电路中两个信号产生的PIM示意图

举例说明，在蜂窝频率范围内，发射音调ƒ1和ƒ2的初始值分别为890和892MHz：那么，ƒ1的二次谐波2ƒ1为1780MHz，三次谐波3ƒ1为2670MHz；ƒ2的二次谐波2ƒ2为1784MHz，三次谐波3ƒ2为2676MHz。除了音调ƒ1和ƒ2的890和892MHz外，由PIM产生的杂散信号是：3ƒ1-2ƒ2=886MHz，2ƒ1-ƒ2=888MHz，2ƒ2-ƒ1=894MHz和3ƒ2-2ƒ1=896MHz。三阶IM杂散信号（2ƒ1-ƒ2）比五阶IM杂散信号（3ƒ1-2ƒ2）振幅更高，问题更多。因此，通常是将三阶IM而不是五阶或更高阶IM杂散产品，看作PIM评估的指标。

显而易见，在通信信道中，紧密围绕发射频率的接收器信道成为高PIM值的牺牲品。这些PIM生成的信号振幅很大程度上取决于初始基音的功率电平。还应该注意的是，这个例子只说明了两个音调及其二次和三次谐波生成的PIM干扰；当基音更多、信号振幅更高、混合过程中涉及的谐波更多时，PIM生成的信号可以迅速变得非常复杂。

2.影响PIM性能的因素——电路

PIM常常归咎于无线基站和其他通信系统（例如同轴连接器接口）的金属对金属触点的质量。在较高电流密度下处理较高信号功率水平的系统部件（例如发射器的连接器接口）因电路零件金属表面上的污垢或氧化或其他形式的污染导致接触不良或金属与金属接触不一致，从而产生非线性。在高电流密度下，这些松散或污染的金属-金属表面的施加电压和流过这些接口的电流形成非线性关系，多个信号就会产生PIM。

对电路材料的广泛研究表明，PIM更多是由于电路、组装或系统设计而不是电路材料本身的特性（例如，介电常数（Dk）或损耗因子）而导致。尽管如此，正确配制的电路材料有助于保持较低的PIM值和将最小化PIM的关注焦点再次放在设计中的金属表面上。众所周知，具有光滑铜表面的电路层压板比粗糙铜表面的电路材料在铜-电介质界面处表现出更低的PIM值。由于这种材料特性，在追求印刷电路板（PCB）天线具有低PIM时，设计师更倾向于使用在铜-基板界面处具有最小铜表面粗糙度的电路层压板。

图2 微带传输线电路中不同铜粗糙度时插入损耗的比较

其中一些PIM研究来自罗杰斯（ROGERS）公司的RO4534™电路层压板。它是一种低PIM，天线级，高频电路层压板，在10 GHz时，损耗因子（0.0027）很低，Dk为3.4±0.08。为了探索电路材料在高频PIM性能中的作用，Rogers公司在同一片RO4534电路层压板上相距英寸的范围内制造了三种不同类型的微带电路，来比较在相同的材料上制造时电路配置的差异对PIM性能的影响。

这三种电路分别是相对简单的微带传输线，边缘耦合带通滤波器（BPF）和阶跃阻抗低通滤波器（LPF）。三种电路的电流密度不同，PIM性能也不同。微带传输线，电流密度最小，为4.5A/m，其PIM值也最低，为-157dBc。BPF在其边缘耦合区域具有23A/m的高电流密度，在三个电路中的PIM性能也最差，为-128dBc。电流密度（12A/m）在微带传输线和BPF的电流密度之间的LPF，表现出的PIM性能也在这两者之间，为-143dBc。

上述同一个电路层压板上制作的电路产生的PIM性能的显著差异表明，PIM差异的原因是电路而不是材料。电流密度的差异证明了电路结构对每个电路线性度以及由此产生的PIM性能差异的影响，最简单的电路——微带传输线，产生最低的电流密度和最佳的PIM性能。从本质上讲，即使用相同的电路材料制造，具有线性特性的电路也可以实现出色的PIM性能，就像线性较低的电路结构表现出更差的PIM性能一样。

3.低PIM天线应用—Rogers公司的RO4500TM系列、AD系列、RO4725JXRTM和RO4730JXRTM

尽管罗杰斯公司知道PIM不是电路材料特性，但该公司至今对天线级电路材料的PIM性能已进行了17年的分析和研究。在此期间，建立了关于测试结果大型数据库，该数据库有助于我们深入了解在这些材料上制作的电路和材料本身特性，并帮助我们更好地了解信号功率和电流密度与PCB的PIM性能之间的关系，为在天线和其他无源电路（如滤波器）设计中开发具有低PIM的PCB提供技术支持。也正是因为如此，Rogers研究出天线级材料（如，RO4534层压板）可在宽频率范围内提供一致、可预测的PIM性能，从而使设计出具有最大线性度的各种电路结构成为可能。

Rogers公司RO4500系列天线级材料包括RO4533TM、RO4534TM和RO4535TM等三种电路板材料，均是陶瓷填充、玻璃布增强的热固性树脂材料，具有极好的尺寸稳定性和均一的机械特性以提高PIM的性能。其重要性能参数见表1，使用Rogers内部测试方法和连接器对微带传输线样品电路进行测试时，在两个43dBm单音信号下测得PIM值均优于-157dBc；并且这三种材料都具备良好的热导率，能实现高功率条件下的有效散热。

表1 Rogers公司RO4500系列层压板重要性能参数

层压板	介电常数（10GHz，z向）	损耗因子（10GHz）	热导率（W/m/K）	PIM （dBc）
RO4533TM	3.30	0.0025	>0.60	<-157
RO4534TM	3.40	0.0027	>0.60	<-157
RO4535TM	3.50	0.0037	>0.60	<-157

Rogers公司另一个天线级材料为AD系列，包括AD250CTM、AD255CTM和AD300CTM。与RO4500系列一样，使用Rogers内部测试方法和连接器对相应测试电路表明PIM值优于-157dBc。其重要性能参数见表2，AD系列层压板具有良好的热导率和低z向热膨胀系数，在制作电镀通孔（PTHs）过程中表现出良好的稳定性。该系列电路材料是基于低损PTFE树脂和经过精选的填充颗粒和玻璃纤维增强的组成结果，以实现低损和较严格介电常数偏差，且机械性能稳定。

表2 Rogers公司AD系列层压板重要性能参数

层压板	介电常数（10GHz，z向）	损耗因子（10GHz）	热导率（W/m/K）	PIM （dBc）
AD250CTM	2.50	0.0014	>0.30	<-157
AD255CTM	2.55	0.0014	>0.30	<-157
AD300CTM	2.97	0.0020	>0.50	<-157

Rogers公司还有两个PIM值更低的天线级电路材料——RO4725JXRTM和RO4730JXRTM。这两个材料也是热固性材料，其主要性能参数见表3，使用基于1.5mm厚的标准测试电路和测试设备得到的两种层压板的PIM值均低于-160dBc。

表3 Rogers公司RO4725JXRTM和RO4730JXRTM层压板重要性能参数

层压板

介电常数

（10GHz，z向）

损耗因子

（10GHz）

热导率

（W/m/K）

PIM

（dBc）

RO4725JXRTM

2.55

0.0026

>0.40

<-160

RO4730JXRTM

3.00

0.0027

>0.40

<-160

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