三阶互调原理

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1.无源互调的定义
互调（Inter-modulation）是指在非线性器件或传播媒介中，一个或多个输入信号的
多频谱分量之间互相作用，从而产生新的频谱分量的过程，产生的新分量的频率等于各输
入分量的一些整数倍频的线性组合。一般来说，互调信号的阶数越小，功率幅度越大；但
在某些带通滤波系统中，IM5可能要大于出现的IM3。
所谓无源互调（Passive Inter-modulation, PIM），顾名思义，就是无源器件（如
电缆组件、滤波器、合路器，双工器、天线等）产生的互调。
一般来说，相对于有源器件（如功放等），可认为无源器件是近似线性的，由于传输
功率相对较小，其产生的无源互调可以忽略不计；但随着传输信号功率的增大（如在POI系
统中），无源器件会表现出一定程度的非线性，此时无源互调信号功率增大，必须考虑到
其对通信系统的影响。
2. 无源互调的描述
互调失真信号的功率大小可以用绝对功率描述，单位为dBm；也可以用相对功率来描述，
参照值为某一路载波的功率，单位为dBc。
但需要注意的是，不管采用哪种描述方法，都必须同时指明互调失真信号是在输入了
几路功率各为多大（一般为两路等功率）的载波信号的情况下得到的。
对于无源互调，根据标准IEC62037，每路载波功率为20W，即+43dBm。
例如，某双工器的无源三阶互调指标就应该描述为：
-150 dBc @ 43dBm × 2
或：-107 dBm @ 43dBm × 2
3. 互调与交调
两个易混淆的概念：
互调（Inter-modulation），由于非线性一个或多个信号的多频谱分量之间互相作用，
从而产生新的频谱分量的过程。
交调，又称交叉调制（Cross Modulation），主要针对接收机而言的，是指因非线性，
接收频带内其他信道的信号被调制到指定接收信道的信号上。
交调与互调都是由信道非线性引起的，但交调失真是一种幅度失真，各信号的频率不
变；而互调失真是属于频谱失真，会产生新的频率分量。
4.引起无源互调的因素
无源器件产生的无源互调主要是由两种非线性引起：
1) 接触非线性：即任何具有非线性电流电压行为的接触引起的非线性。
例如，在射频信号传播的路径上，可能由于虚焊、接触点正压力不足、接触表面粗糙
度大、接触面金属氧化或锈蚀而导致结合处接触不够紧密，或者两个接触件的金属材料不
同，此时在结合处将会产生一个电压势垒，导致电压电流比具有非线性，从而产生无源互
调。
另外，如果在滤波器腔体的内表面、射频连接器的焊接和连接处等位置存在杂质，如
电镀过程中未清洗干净的助焊剂、加工过程中留下的金属粒子或碎片等，甚至碎屑和灰尘，
也会产生无源互调失真信号。
2) 材料非线性：即具有固有非线性导电特性的材料引起的非线性。
例如，当射频信号的信道上存在铁磁性材料，如不锈钢、镍等时，会因为材料的磁滞
效应而导致很强的非线性而产生互调信号，特别在通过大功率信号时更为明显。有测试数
据表明：若电缆接头的中心导体为表面镀金的镍，会使产生的无源互调增大40到50dB；若
接头用不锈钢材料制作，则会使无源互调信号增大10到20dB。
除此之外，射频和微波信号的传播是具有趋肤效应的，即信号均在金属导体的外表面
传播，并且其趋肤深度随着信号频率和金属电导率的增大而减小，故对于作为信号传播媒
质的金属，如果其表面镀层的导电性不好或镀层的厚度不够，也会使无源互调失真信号增
大。
2. 预防无源互调的措施
针对上述对无源互调产生原因的分析，在无源器件及系统的设计和制造过程中可以采
取以下措施来减小无源互调失真的产生：
1) 在结构设计方面，应尽避免出现阻抗不连续性，尽可能保持一致的特性阻抗，减
小非线性因素。
2) 对于信号传输路径上需要连接的地方，要选择良好的弹性材料，进行精细加工和
真空热处理，以保证接触件在500 次插拔过程中具有稳定可靠的接触正压力和较小的接触
电阻。对于类似电缆连接器中内导体与电缆芯线间的连接，应采用焊接方式，而非压接方
式。
3) 提高导电体表面加工质量，一般表面粗糙度应在0.4μm以下，并且保持表面洁净、
无灰尘碎屑、未被氧化或锈蚀。
4) 避免不同金属，特别是彼此之间可能产生电动势耦合的不相容金属互相结合，防
止产生电化学腐蚀。
5）选择导电率高的材料，如黄铜及铜合金（如铍铜）等，避免采用不锈钢、镍或其它
含磁性材料，即便要用，也应保证其导磁率小于2.0。
6) 从电镀角度考虑，应减少接触电阻，镀层材料最好选择银，且镀层厚度应在6 以
上以保证信号在镀层中传播，同时镀层应无杂质且必须用铬酸盐钝化。这就是N 型和DIN
7/16大功率射频连接器产品多为镀银的原因，不过镀银层易变色使得在某些应用场合需要
慎重考虑是否采用银作为镀层。另外，用白铜（White Bronze）或金也是较好的选择，其
中金在空气中不易被氧化，但成本较高，而且在电镀工艺上具有一定难度。
3.无源互调与输入功率的关系
在理想情况下，对于一个接有宽带负载的宽带无源器件，若输入载波（两个等功率载
波）的功率增加或减小1dB，产生的PIM信号功率会随之增加或减小3dB。
但实际上，产生的互调失真信号与输入载波功率间的关系要复杂得多，影响的因素可
能有：器件材料的磁滞曲线斜率波动太大，射频结合处连接不够紧密等等。
4.无源互调与信号频率的关系
理论上，可以假设有一个理想的互调点源在各个方向上发出无源互调失真信号，与产
生互调的父信号之间存在某种相位关系。
实际器件就可以等效为若干理想互调点源的组合，各互调点源产生的互调信号的矢量
和也就是该器件表现出来的互调，而这些互调信号之间的相位关系则取决于互调点源之间
的物理位置、点源之间的信号传播要通过的电介质以及父信号的频率。所以，当通过的信号频率发生变化时，比如考察器件在不同频带上的互调，或考察另
外一组频率组合产生的同一频率互调信号，都可能会导致器件产生的互调信号功率发生变
化。
不过，在下面几种情况下也可以认为器件产生的无源互调与频率是无关的：具有较小
电长度的器件、所考察的频段与器件的工作频段相比相对较窄、器件中存在一个相对明显、
占主导地位的互调源以至于可以忽略器件内其它互调源产生的互调。
另外，由于趋肤深度会随信号的频率的增大而减小，导致电流密度增大，所以器件产
生的互调信号也可能会增大。
5.无源互调与时间的关系
在理论上，无源互调是不会随时间变化的。但是，在实际中可能会出现一种持续时间
小于1秒的、类似噪声的“突发性”互调，这是由于机械连接的周期性故障导致的。
另外，随着时间的推移，由于器件发热或环境温度变化而导致接触正压力发生变化，
也可能引起互调的变化。
在大家的实际测试中，也出现过双工器的三阶无源互调信号大范围（约10dB）地跳动，
后发现是由于双工器设计问题，通过大功率信号时出现“打火”导致。