一文看懂互调失真

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射频电路中,互调失真指的是指由放大器所引入的一种输入信号的和及差的失真,两种或多种不同频率的信号通过放大器或扬声器后产生新的频率分量,这种失真通常都是由电路中的有源器件(如晶体管、电子管)产生的。失真的大小与输出功率有关,由于新产生的这些频率分量与原信号没有相似性,因此较少的互调失真也很容易被人耳觉察到。它是射频设计过程中经常遇到的一个问题,到底是如何发生的呢?接下来我们就一起探讨下。
 
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互调是在有源系统内或来自外部源的不想要的频率分量组合的现象。两个或多个信号的组合会产生另一个信号,该信号可能会落入系统的另一个频段,并对系统造成干扰。互调失真是如何产生的,产生的原因是什么,如何预防?
 
在任何无线传输系统中,接收器的效率非常重要,接收信号中的任何干扰都可能导致服务中断。开发人员和网络工程师确保系统按照技术规范进行设计、测试和实施,以便高效工作。
 
由于我们的无线生态系统必须支持大量的客户和服务,发射站和设备的数量呈指数级增长。所有这些设备都以连续发射射频波的形式交换信息。
 
在引入 3G 和 LTE 网络后的这十年中,频段的数量也有所增加。为了与其他无线标准共存,任何无线传输系统都应在互调失真的受控规范内。
 
互调主要有两种类型,无源互调和有源互调。
 
无源互调失真
 
当多个信号在非线性无源器件(如定向耦合器、功率分配器、功率分配器、射频隔离器、射频环行器、衰减器和适配器等)中组合时,就会发生无源互调……
 
有源互调失真
 
有源互调发生在有源电子系统中,其中系统内或来自外部源的两个或多个信号组合并产生其频率倍数和产品。这些信号通常是低功率的,但在某些情况下,它的功率足以使另一个接收信号失真。
 
如果没有设计为在规范内运行,则所有现代无线传输设备都可能发生主动互调。设备制造商必须严格遵守工作频率、功率输出和互调规范等方面的指导方针……
 
无源互调 (PIM) 的来源
 
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由于射频波的特性,任何非线性无源元件都可能导致失真。
没有适当屏蔽的射频电缆可能会对系统产生 PIM。
生锈的射频连接器、适配器和裸露的信号接头。
连接器、电缆和信号中的松散接触会导致互调。
由于磁滞效应,铁磁材料的非线性特性可能导致 PIM。
大型金属框架和馈线可能会导致一定程度的 PIM。
连接器中的火花放电会引起氧化,从而导致信号失真。
机械开关接触不良会导致 PIM。
 
有源互调的来源
 
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 半导体芯片中的杂质
 
任何系统中的非线性有源元件都会产生互调。
射频模块等有源组件内糟糕的设计/布局可能会导致设备中的互调。
半导体衬底层中的微观杂质。
系统内的多个信号源共用同一天线会导致互调。例如,LTE 频段中使用的双工器共享一个公共天线来发送和接收。
在电路板中紧密运行的信号线可能会导致串扰和互调。
由于谐波失真和二阶互调,非线性放大器是互调失真的受害者。
在无线收发器中,一个信号源的谐波产物与同一发射器或接收器信号的另一个频段组合,并在接收频段受到干扰。
发射天线处理多个频率的不匹配会导致与其他频段混合的信号反射并导致互调。
电路中的故障电子元件和低质量元件将引入 IMD。
有源天线放大信号电平,通常有助于 IMD
 
如何防止互调
 
在设备设计中使用高质量的组件并避免使用非线性有源组件。
在线性范围内操作功率放大器以避免互调分量。
避免使用低质量的机械开关和接触不良的信号适配器。
使用高质量的电缆组件和信号接头。
对发射设备中的电路进行适当的屏蔽可以防止来自外部源的失真。
功放与天线良好的阻抗匹配会消除信号的反射,提高IMD水平。
电缆、定向耦合器、功率分配器、衰减器、隔离器和系统中的所有组件之间的牢固连接将减少失真的机会。
减少系统中的组件数量以提高质量。
使用推荐工作范围内的所有设备和组件,以确保获得最佳性能。
如果可能,请将发射天线和接收天线保持一定距离。
电路板设计中的高质量材料将改善失真。
 
互调失真的意义
 
用于多种应用的无线传输设备数量的增加会导致更高水平的不希望的信号失真。更高级别的失真将导致任何无线通信设备的中断。现代电信使用广泛的频谱进行无线传输,这给网络工程师带来了许多挑战,例如由于互调和无线共存导致的失真。在功率放大器中,IMD 是使放大器符合特定用途的重要规范之一。在高质量的音频系统中,应该跟踪和消除互调的原因以获得最佳性能。
 
结论
 
通过改进设计,在系统中使用高质量的组件,可以将互调失真控制在一定水平。然而,由于组件和功率放大器等的限制,在大多数情况下,完全消除这些不希望有的信号失真是不可避免的……为了拥有一个高效的系统,工程师必须确保精确测试最佳设计、质量组件和实施阶段跟踪任何不希望的失真。
 
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