eng
Выпуск #7/2025
К. Джуринский
РАДИОЧАСТОТНЫЕ СОЕДИНИТЕЛИ И КАБЕЛИ КАК ИСТОЧНИКИ ПАССИВНОЙ ИНТЕРМОДУЛЯЦИИ В СИСТЕМАХ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ. ЧАСТЬ 1
РАДИОЧАСТОТНЫЕ СОЕДИНИТЕЛИ И КАБЕЛИ КАК ИСТОЧНИКИ ПАССИВНОЙ ИНТЕРМОДУЛЯЦИИ В СИСТЕМАХ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ. ЧАСТЬ 1
Просмотры: 884
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.249.7.106.112
На основе большого числа зарубежных и отечественных публикаций рассмотрены физические процессы возникновения пассивной интермодуляции в радиочастотных соединителях и кабелях, применяемых в системах беспроводной связи. Приведены способы уменьшения уровня пассивной интермодуляции.
На основе большого числа зарубежных и отечественных публикаций рассмотрены физические процессы возникновения пассивной интермодуляции в радиочастотных соединителях и кабелях, применяемых в системах беспроводной связи. Приведены способы уменьшения уровня пассивной интермодуляции.
Теги: contact corrosion passive intermodulation signal-to-noise ratio skin effect коррозия контактов отношение сигнал/шум пассивная интермодуляция скин-эффект
Радиочастотные соединители и кабели как источники пассивной интермодуляции в системах беспроводной связи. Часть 1
К. Джуринский, к.т.н.
На основе большего числа зарубежных и отечественных публикаций рассмотрены физические процессы возникновения пассивной интермодуляции в радиочастотных соединителях и кабелях, применяемых в системах беспроводной связи. Проанализированы нелинейности контакта, материалов и покрытий в радиочастотных соединителях и кабелях. Приведены способы уменьшения уровня пассивной интермодуляции.
Пассивная интермодуляция
Пассивная интермодуляция (ПИМ) и ее отрицательное влияние на работу мобильной и сотовой связи рассмотрены в большом количестве публикаций [1–16, 21, 22].
В частотности, автором данной работы статья на эту тему была опубликована еще в 2010 году [5]. Однако, несмотря на большое количество публикаций, проблема пассивной интермодуляции и в настоящее время не потеряла своей актуальности, в связи с все более плотным расположением базовых станций и все более загруженными выделенными диапазонами частот связи, и является серьезной проблемой для операторов сотовой и мобильной связи.
Пассивная интермодуляция представляет собой разновидность интермодуляционных искажений, вызываемых нелинейностью характеристик пассивных компонентов системы связи, таких как антенны, коаксиальные кабели, соединители, волноводы, фильтры, ответвители и др. [1–6, 8].
ПИМ возникает, когда два или более мощных радиочастотных сигнала поступают на нелинейные электрические соединения или материалы в радиочастотном тракте. При взаимодействии двух сигналов с частотами f1 и f2 на нелинейных компонентах приемного устройства возникают интермодуляционные продукты вида: fm = ± m·f1 ± n·f2, где m и n –
целые числа натурального ряда 0, 1, 2 и далее – рис. 1 [8].
Порядок интермодуляционного продукта равен сумме m и n. Продукты пассивной интермодуляции 3-го порядка (2f2–f1 или 2f1–f2) имеют самый высокий уровень амплитуды. Продукты ПИМ 5-го порядка на основе комбинаций 3f1–2f2 и 3f2–2f1 и более высоких нечетных порядков также создают помехи в соседних каналах, потому что они зачастую расположены близко к основным частотам. Интермодуляции 3‑го и 5‑го порядков составляют приблизительно 95% всех интермодуляционных помех. При этом уровень ПИМ 3-го порядка (за рубежом его называют IMP 3 – Inter Modulations Product 3), имеющий наибольшую величину, является характеристикой интермодуляции пассивного компонента.
ПИМ является проблемой практически любой беспроводной системы, но наиболее она заметна в антеннах базовой станции сотовой связи, линиях передачи и связанных с ними компонентах. Нежелательные интермодуляционные составляющие из канала передачи попадают в тракт приемника – рис. 2 [9].
В современных системах беспроводной связи одним из наиболее важных показателей ее эффективности является отношение сигнал/шум. Пассивная интермодуляция является важным фактором, ограничивающим этот показатель. ПИМ может привести к серьезным нарушениям нормальной работы системы связи, включая значительное повышение уровня шумов и снижение ее пропускной способности. Поэтому для базовой станции, внутренней распределенной антенной системы, спутниковой системы существуют строгие требования к уровню ПИМ. Проблемы с ПИМ могут возникать по мере старения существующего оборудования, при совместном размещении новых носителей или при установке нового оборудования.
Причины возникновения пассивной интермодуляции
в радиочастотных соединителях
Пассивные компоненты системы связи: коаксиальные радиочастотные соединители, кабельные сборки, волноводы, ответвители, циркуляторы, дуплексоры, фильтры
и другие участвуют в генерации ПИМ. Однако среди них радиочастотные соединители являются главными подозреваемыми при выяснении причин появления ПИМ
в системе. Существуют две основные категории нелинейности в радиочастотных соединителях [16]:
нелинейность контакта «металл – металл» в соединении вилки и розетки;
нелинейность материалов и покрытий поверхности соединителей.
Нелинейность контакта
Причина ее появления – неоднородности области контактирования. Нелинейность металлического контакта является одним из главных механизмов, ответственных за образование ПИМ. Размер атомной решетки металлов менее 25 A (0,0025 мкм) [15]. Даже полированные поверхности имеют неровности высотой 0,005–0,01 мкм и при большом увеличении выглядят очень шероховатыми. Это приводит к тому, что поверхности сопряженных контактов соединителей представляют собой совокупность периодических, повторяющихся выступов и впадин, соприкасающихся между собой только
в отдельных точках. Размер и количество участков контактирования (контактных пятен) зависит от геометрии контактной поверхности, твердости металла и давления, приложенного
к контакту. Покрытие контактной поверхности золотом или серебром также влияет на размер контактных пятен. Высота и рисунок шероховатости контактных поверхностей никогда не бывают одинаковыми, даже если используемые материалы и процесс изготовления идентичны. Под действием усилия нажатия контактирующие-
ся поверхности сближаются за счет деформации выступов, и в соприкосновение входит все большее их количество [11, 16, 17].
Кроме того, на контактной поверхности под воздействием кислорода, озона, азота, серы и других химических реагентов образуются окисные, сульфидные, хлоридные, органические и другие пленки с разными изоляционными свойствами, а также влага, пыль, органические загрязнения, остатки солей металлов после операций химического травления и осаждения покрытий [6].
По своему виду пленки могут быть: коррозионные-окисные, сульфидные; адгезионные, толщиной 0,2–1,5 нм; пассивирующие, толщиной 0,2–1,5 нм; смазывающие (масло, вода); органические, толщиной приблизительно 1,5 нм [17]. Толщина и прочность этих пленок варьируются в зависимости от используемых металлов и внешних условий (температура, состав атмосферы и т.д.).
По своей структуре пленки могут быть пористыми и сплошными. Сплошные пленки более прочные и одновременно более тонкие, они образуются на чистых поверхностях почти мгновенно. Такие сплошные пленки образуются на благородных металлах и при толщине
до нескольких сотен ангстрем практически незначительно влияют на переходное сопротивление контакта. Пористые пленки, в отличие от сплошных, пропускают реагенты к поверхности металла и поэтому способны расти в глубину. При толщине более 5000 ангстрем они могут прервать электрическую цепь. Действие пленок на контакты практически всегда одинаково: уменьшают степень соприкосновения и трение между частями контакта и вызывают дополнительное сопротивление.
Следовательно, поверхность контакта состоит из участков с различной электропроводностью – рис. 3 [16].
Участки (а) с металлической проводимостью, удельное электросопротивление которых значительно меньше сопротивления видимой контактной поверхности [11]. При приложении давления, а также в результате электрического пробоя под действием электрического поля часть пленок разрушается, и также образуются участки с металлической проводимостью. Шероховатость поверхности контактных поверхностей приводит к стягиванию линий тока к местам с высокой проводимостью. Поскольку ток должен протекать через эти узкие проводящие участки, создается дополнительное сопротивление, называемое сопротивлением стягивания. При этом плотность тока может достигать значительной величины. Стягивание обуславливает дополнительное сопротивление контакта, так называемое переходное сопротивление. Нелинейность переходного сопротивления является одной из главных причин возникновения пассивной интермодуляции.
Проводимость участков (б), покрытых тонким слоем окислов, называют квазиметаллической. Поверхностные окислы металлов ведут себя подобно металлооксидным детекторам с нелинейной характеристикой [6]. Когда электроны обладают достаточной энергией, возникает нелинейный диодный эффект или эффект Шоттки. Если электроны обладают меньшей энергией, они с некоторой вероятностью проходят через потенциальный барьер – так называемый туннельный эффект. Туннельный эффект возможен только для пленок тоньше 100 ангстрем [11].
Участки (в) с прочной изолирующей пленкой электрический ток не проводят. Другие участки контактной поверхности не участвуют в контактировании (участки г), так как они разделены газовыми промежутками.
Таким образом, на участках с металлической поверхностью протекание тока зависит от проводимости металла, на участках с тонкой пленкой протекание тока происходит за счет туннельного эффекта, а участки с толстой пленкой могут быть изолирующими, проводящими или подверженными электрическому пробою при некотором напряжении.
Существует и ряд других причин, способствующих появлению ПИМ в контактах соединителей.
Коррозия. Коррозия контактов из-за высокой влажности создает сильные интермодуляционные искажения, когда «ржавые» металлические поверхности находятся на пути прохождения сигнала. Было высказано предположение, что ПИМ вызвана полупроводящим окислом «проржавевшего» металла. Однако экспериментальные результаты показывают, что основной причиной могут быть неплотные и небольшие контактные площадки, а не «проржавевшие» места соединения [11]. Кроме того, коррозия может привести к образованию кристаллов, которые также оказывают нелинейное влияние на радиочастотные сигналы. Коррозия является особой проблемой в прибрежных райо-
нах, где преобладают влажность и соленый воздух [11].
При высокой влажности с течением времени происходит окисление контактов. Несмотря на то, что первоначальные измерения выглядят хорошо, параметры соединителей,
в которые попала влага, со временем ухудшаются. Поэтому операторам не следует удалять пылинки и посторонние частицы в соединителе выдуванием воздухом изо рта [15]. Относительная влажность выдыхаемого воздуха составляет 100%. Радиочастотные соединители с низким уровнем ПИМ чувствительны к таким воздействиям. Существует также веская причина, по которой производители компонентов с низким уровнем ПИМ требуют, чтобы их работники применяли при обращении с соединителями перчатки [15].
Для уменьшения коррозии необходимо наносить на контактирующие поверхности износостойкие покрытия золота или серебра. Коррозия может увеличиться в результате истирания и отслаивания покрытия. Трещины, порезы, царапины, острые края и коррозия создают помехи прохождению сигналов связи. Частицы грязи и коррозия являются значительным источником ПИМ, и они представляют собой проблему, которую необходимо решать в системы связи. В качестве примера на рис. 4 показана поверхность соединителя типа N. При осмотре невооруженным глазом он выглядит чистым (маленькое изображение вверху слева). Однако при рассмотрении в микроскоп обнаруживается множество инородных тел, которые могут быть источником пассивных интермодуляционных искажений.
Температура. Результаты измерения ПИМ соединителя, подвергнутого воздействию источника тепла при температуре 100 °C в течение 1 мин, приведены на рис. 5 [1].
Скин-эффект. Ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется преимущественно в поверхностном слое. Глубина проникновения тока определяется расстоянием от внешней поверхности до точки, где плотность тока уменьшается до 1/e (0,37) от плотности тока на внешней поверхности. Например, для меди на частоте 10 ГГц эта глубина равна 0,7 мкм. Нетрудно понять, почему царапина размером всего в 1 мкм может оказать пагубное влияние на качество сигнала [1, 15].
Момент кручения гайки вилки при соединении с розеткой. Величина крутящего момента определяет усилие нажатия контактов радиочастотного соединителя, от которого зависят его основные характеристики: КСВН, переходное сопротивление и др. Радиочастотные соединители сконструированы таким образом, что гайку вилки можно практически полностью прикрутить вручную. Гаечный ключ следует использовать только на последнюю половину оборота. Если гайка вилки с трудом поворачивается во время соединения, происходит сильное трение и даже деформация поверхностей соединителей, появление микротрещин, отслаивание покрытия и, вследствие этого, возникновение ПИМ.
Однако недостаточный крутящий момент гайки вилки также приводит к образованию ПИМ, так как ослабевает усилие нажатия контактов, между ними образуются зазоры. В результате этого могут инициироваться микроскопические искрения, при которых генерируются продукты интермодуляции. Поэтому при работе с соединителями обязательно применение динамометрического ключа с требуемым по техническим условиям на соединитель моментом кручения.
Количество циклов соединение – рассоединение вилки и розетки соединителей. В процессе изготовления и настройки устройств связи приходится многократно соединять и рассоединять приборный и кабельный соединители. При этом происходит износ соединителей: уменьшение толщины покрытия из-за его истирания. Производители соединителей с устойчивыми показателями ПИМ обычно гарантируют до 500 циклов соединение – рассоединение [15]. Износ соединителей – это проблема, прежде всего, радиоизмерительного оборудования, включая анализаторы ПИМ. Для устройств связи, работающих в полевых условиях – это не такая критическая проблема, поскольку соединители вилка и розетка сопрягаются всего несколько раз, для первоначальных измерений системы и окончательной установки.
Расположение центрального проводника соединителя. Если центральный проводник розетки слишком «утоплен» относительно плоскости сопряжения вилки и розетки, то в результате плохого контакта может возникнуть ПИМ при использовании сигналов большой мощности. Если же он выступает слишком далеко, это может привести к физическому повреждению при соединении вилки и розетки. Для измерения глубины расположения центрального проводника применяют специальные индикаторные измерительные приспособления.
Нелинейность материалов
и покрытий поверхности соединителей
Одной из причин пассивной интермодуляции являются магнитные свойства конструкционных материалов и покрытий радиочастотных соединителей. Применение ферромагнитных металлов для изготовления радиочастотных соединителей является одной из основных причин возникновения пассивной интермодуляции. Ферромагнитные металлы: железо, никель и сталь вследствие их доменной структуры имеют нелинейную (гистерезисную) зависимость индукции (В) от напряженности (Н) магнитного поля.
Установлено также, что даже широко применяемая в соединителях немагнитная аустенитная нержавеющая сталь, относящаяся к парамагнитным материалам, проявляет слабые магнитные свойства при воздействии радиочастотных сигналов [10]. При деформации эта сталь приобретает слабую намагниченность в результате частичного распада аустенитного γ-раствора и выделения магнитной α-фазы (легированного феррита). Остаточную намагниченность этой стали не удается полностью удалить даже путем длительного отжига [19].
Поэтому для изготовления радиочастотных соединителей и кабелей, применяемых в системах беспроводной связи с минимальным уровнем ПИМ, следует выбирать сертифицированные немагнитные материалы: латунь, бериллиевую бронзу, фосфористую бронзу, пассивированную нержавеющую сталь и немагнитные проводящие покрытия. Применяемые материалы должны иметь исключительно низкий уровень магнитных свойств, их магнитная проницаемость должна быть менее 1,0001 [19]. Такое же требование предъявляют к соединителям, применяемым в магнитно-резонансной томографии [19].
Основным покрытием соединителей является золото толщиной 0,5–1,5 мкм по подслою меди. Корпуса соединителей покрывают также диамагнитным сплавом «белая бронза» (сплав олово-медь-цинк: 50–55 % меди, 30–35% олова, 15–17% цинка) толщиной 0,5–4 мкм. Названия «белой бронзы» зарубежных компаний: BBR (Bright Bronze Radiall) – компании Radiall, Sucoplate – компании Huber+Suhner, Optalloy – компании Rosenberger, Albaloy – компании Delta Electronics.
В немагнитных соединителях недопустимо применение магнитного гальванического никеля в качестве как основного покрытия, так и барьерного слоя под другие покрытия. Применяют химически осажденный никель, являющийся сплавом никеля с 10–13,5% фосфора. До температуры 300 °С он имеет аморфную структуру и немагнитен. Химический никель в соединителях типа 7/16 позволяет получить ПИМ на уровне (–178,3) дБс [20]. При определенном процентном соотношении компонентов немагнитен также сплав никель-олово. Уровень интермодуляционных помех в соединителях, корпус которых покрыт «белой бронзой», а центральный контакт – серебром, не превышает (–155) дБс при тестировании двух-частотным сигналом мощностью 2 × 43 дБмВт [12].
Если на материал с магнитными свойствами нанесено серебряное или золотое покрытие, то необходимо учитывать глубину скин-слоя для проходящих через контакты высокочастотных токов. При недостаточной толщине или неравномерности покрытия проникающие в основной материал токи будут вызывать ПИМ [12].
Во второй части статьи будут рассмотрены радиочастотные соединители, применяемые в системах беспроводной связи.
ЛИТЕРАТУРА
White paper: Connector Related PIM - Hughes Electronics Ltd. ugheselectronics.co.uk.
Passive Intermodulation (PIM): What You Need To Know. electronicdesign.com.
Understanding PIM. www.anritsu.com.
Афзал С., Сонин А. Пассивная интермодуляция: проблема современных операторов сетей //
Технологии и средства связи. 2015. № 1. С. 60–61.
Джуринский К. Интермодуляции в радиочастотных соединителях для мобильной и сотовой связи // Компоненты и технологии. 2010. № 6. С. 26–30.
Technical Information: Passive Intermodulation (PIM) Tech Note. www.gore.com.
Джуринский К. Эволюция радиочастотных соединителей для мобильной и сотовой связи. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2019. № 10. С. 74–80.
Passive Inter-modulation Sources and Cancellation Methods. https://yupanatech.com.
Сокращение сроков тестирования пассивной интермодуляции в системах связи нового поколения. www.agilent.com/find/PIM.
Minimizing PIM Generation from RF Cables and Connectors. www.santron.com.
Dayan A., Huang Y., Schuchinsky A. Passive Intermodulation at Contacts of Rough Conductors // Electron. Mater. 2022. No. 3. PP. 65–81.
https://doi.org/10.3390/electronicmat3010007.
Белов Л., Кочемасов В., Строганова Е. Пассивная интермодуляция в СВЧ-цепях: механизмы появления, методы измерения и способы снижения // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2015. №3 (00143). С. 80–91.
По материалам компании Rogers. Перевод с английского. microwave-e.ru›wp-content.
Petek M. Modelling of passive intermodulation in RF systems. 2020. https://www.diva-portal.org.
Wolfgang Damm. AWT Global. PIM: Components, Material, Handling & Testing. An AWT Global Publication. 04/14.
Джуринский К.Б. Основы технологии производства радиоэлектронных средств: курс лекций / 2-е изд. перераб. и доп. СПб: Изд-во ЗАО «Медиа Группа Файнстрит», 2017. 344 с.
Бондаренко И.Б., Гатчин Ю.А., Иванова Н.Ю., Шилкин Д.А. Соединители и коммутационные устройства. Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. 151 с.
Рем К., Дандл К., Цехентнер Б., Вагнер Р. Исследование эксплуатационных качеств покрытий
для радиочастотных соединителей // Современная электроника. 2021. № 4. С. 24–31.
Джуринский К.Б. Современные радиочастотные соединители и помехоподавляющие фильтры. СПб: Изд-во ЗАО «Медиа Группа Файнстрит», 2014. 428 с.
2.2-5 Series - the next generation of small RF connectors. https://2.2-5series.com.
Cannon N. Troubleshooting Passive Intermodulation Problems in the Field. https://www.microwavejournal.com.
PIM Test Power Level Application Note. https://dl.cdn-anritsu.com.
К. Джуринский, к.т.н.
На основе большего числа зарубежных и отечественных публикаций рассмотрены физические процессы возникновения пассивной интермодуляции в радиочастотных соединителях и кабелях, применяемых в системах беспроводной связи. Проанализированы нелинейности контакта, материалов и покрытий в радиочастотных соединителях и кабелях. Приведены способы уменьшения уровня пассивной интермодуляции.
Пассивная интермодуляция
Пассивная интермодуляция (ПИМ) и ее отрицательное влияние на работу мобильной и сотовой связи рассмотрены в большом количестве публикаций [1–16, 21, 22].
В частотности, автором данной работы статья на эту тему была опубликована еще в 2010 году [5]. Однако, несмотря на большое количество публикаций, проблема пассивной интермодуляции и в настоящее время не потеряла своей актуальности, в связи с все более плотным расположением базовых станций и все более загруженными выделенными диапазонами частот связи, и является серьезной проблемой для операторов сотовой и мобильной связи.
Пассивная интермодуляция представляет собой разновидность интермодуляционных искажений, вызываемых нелинейностью характеристик пассивных компонентов системы связи, таких как антенны, коаксиальные кабели, соединители, волноводы, фильтры, ответвители и др. [1–6, 8].
ПИМ возникает, когда два или более мощных радиочастотных сигнала поступают на нелинейные электрические соединения или материалы в радиочастотном тракте. При взаимодействии двух сигналов с частотами f1 и f2 на нелинейных компонентах приемного устройства возникают интермодуляционные продукты вида: fm = ± m·f1 ± n·f2, где m и n –
целые числа натурального ряда 0, 1, 2 и далее – рис. 1 [8].
Порядок интермодуляционного продукта равен сумме m и n. Продукты пассивной интермодуляции 3-го порядка (2f2–f1 или 2f1–f2) имеют самый высокий уровень амплитуды. Продукты ПИМ 5-го порядка на основе комбинаций 3f1–2f2 и 3f2–2f1 и более высоких нечетных порядков также создают помехи в соседних каналах, потому что они зачастую расположены близко к основным частотам. Интермодуляции 3‑го и 5‑го порядков составляют приблизительно 95% всех интермодуляционных помех. При этом уровень ПИМ 3-го порядка (за рубежом его называют IMP 3 – Inter Modulations Product 3), имеющий наибольшую величину, является характеристикой интермодуляции пассивного компонента.
ПИМ является проблемой практически любой беспроводной системы, но наиболее она заметна в антеннах базовой станции сотовой связи, линиях передачи и связанных с ними компонентах. Нежелательные интермодуляционные составляющие из канала передачи попадают в тракт приемника – рис. 2 [9].
В современных системах беспроводной связи одним из наиболее важных показателей ее эффективности является отношение сигнал/шум. Пассивная интермодуляция является важным фактором, ограничивающим этот показатель. ПИМ может привести к серьезным нарушениям нормальной работы системы связи, включая значительное повышение уровня шумов и снижение ее пропускной способности. Поэтому для базовой станции, внутренней распределенной антенной системы, спутниковой системы существуют строгие требования к уровню ПИМ. Проблемы с ПИМ могут возникать по мере старения существующего оборудования, при совместном размещении новых носителей или при установке нового оборудования.
Причины возникновения пассивной интермодуляции
в радиочастотных соединителях
Пассивные компоненты системы связи: коаксиальные радиочастотные соединители, кабельные сборки, волноводы, ответвители, циркуляторы, дуплексоры, фильтры
и другие участвуют в генерации ПИМ. Однако среди них радиочастотные соединители являются главными подозреваемыми при выяснении причин появления ПИМ
в системе. Существуют две основные категории нелинейности в радиочастотных соединителях [16]:
нелинейность контакта «металл – металл» в соединении вилки и розетки;
нелинейность материалов и покрытий поверхности соединителей.
Нелинейность контакта
Причина ее появления – неоднородности области контактирования. Нелинейность металлического контакта является одним из главных механизмов, ответственных за образование ПИМ. Размер атомной решетки металлов менее 25 A (0,0025 мкм) [15]. Даже полированные поверхности имеют неровности высотой 0,005–0,01 мкм и при большом увеличении выглядят очень шероховатыми. Это приводит к тому, что поверхности сопряженных контактов соединителей представляют собой совокупность периодических, повторяющихся выступов и впадин, соприкасающихся между собой только
в отдельных точках. Размер и количество участков контактирования (контактных пятен) зависит от геометрии контактной поверхности, твердости металла и давления, приложенного
к контакту. Покрытие контактной поверхности золотом или серебром также влияет на размер контактных пятен. Высота и рисунок шероховатости контактных поверхностей никогда не бывают одинаковыми, даже если используемые материалы и процесс изготовления идентичны. Под действием усилия нажатия контактирующие-
ся поверхности сближаются за счет деформации выступов, и в соприкосновение входит все большее их количество [11, 16, 17].
Кроме того, на контактной поверхности под воздействием кислорода, озона, азота, серы и других химических реагентов образуются окисные, сульфидные, хлоридные, органические и другие пленки с разными изоляционными свойствами, а также влага, пыль, органические загрязнения, остатки солей металлов после операций химического травления и осаждения покрытий [6].
По своему виду пленки могут быть: коррозионные-окисные, сульфидные; адгезионные, толщиной 0,2–1,5 нм; пассивирующие, толщиной 0,2–1,5 нм; смазывающие (масло, вода); органические, толщиной приблизительно 1,5 нм [17]. Толщина и прочность этих пленок варьируются в зависимости от используемых металлов и внешних условий (температура, состав атмосферы и т.д.).
По своей структуре пленки могут быть пористыми и сплошными. Сплошные пленки более прочные и одновременно более тонкие, они образуются на чистых поверхностях почти мгновенно. Такие сплошные пленки образуются на благородных металлах и при толщине
до нескольких сотен ангстрем практически незначительно влияют на переходное сопротивление контакта. Пористые пленки, в отличие от сплошных, пропускают реагенты к поверхности металла и поэтому способны расти в глубину. При толщине более 5000 ангстрем они могут прервать электрическую цепь. Действие пленок на контакты практически всегда одинаково: уменьшают степень соприкосновения и трение между частями контакта и вызывают дополнительное сопротивление.
Следовательно, поверхность контакта состоит из участков с различной электропроводностью – рис. 3 [16].
Участки (а) с металлической проводимостью, удельное электросопротивление которых значительно меньше сопротивления видимой контактной поверхности [11]. При приложении давления, а также в результате электрического пробоя под действием электрического поля часть пленок разрушается, и также образуются участки с металлической проводимостью. Шероховатость поверхности контактных поверхностей приводит к стягиванию линий тока к местам с высокой проводимостью. Поскольку ток должен протекать через эти узкие проводящие участки, создается дополнительное сопротивление, называемое сопротивлением стягивания. При этом плотность тока может достигать значительной величины. Стягивание обуславливает дополнительное сопротивление контакта, так называемое переходное сопротивление. Нелинейность переходного сопротивления является одной из главных причин возникновения пассивной интермодуляции.
Проводимость участков (б), покрытых тонким слоем окислов, называют квазиметаллической. Поверхностные окислы металлов ведут себя подобно металлооксидным детекторам с нелинейной характеристикой [6]. Когда электроны обладают достаточной энергией, возникает нелинейный диодный эффект или эффект Шоттки. Если электроны обладают меньшей энергией, они с некоторой вероятностью проходят через потенциальный барьер – так называемый туннельный эффект. Туннельный эффект возможен только для пленок тоньше 100 ангстрем [11].
Участки (в) с прочной изолирующей пленкой электрический ток не проводят. Другие участки контактной поверхности не участвуют в контактировании (участки г), так как они разделены газовыми промежутками.
Таким образом, на участках с металлической поверхностью протекание тока зависит от проводимости металла, на участках с тонкой пленкой протекание тока происходит за счет туннельного эффекта, а участки с толстой пленкой могут быть изолирующими, проводящими или подверженными электрическому пробою при некотором напряжении.
Существует и ряд других причин, способствующих появлению ПИМ в контактах соединителей.
Коррозия. Коррозия контактов из-за высокой влажности создает сильные интермодуляционные искажения, когда «ржавые» металлические поверхности находятся на пути прохождения сигнала. Было высказано предположение, что ПИМ вызвана полупроводящим окислом «проржавевшего» металла. Однако экспериментальные результаты показывают, что основной причиной могут быть неплотные и небольшие контактные площадки, а не «проржавевшие» места соединения [11]. Кроме того, коррозия может привести к образованию кристаллов, которые также оказывают нелинейное влияние на радиочастотные сигналы. Коррозия является особой проблемой в прибрежных райо-
нах, где преобладают влажность и соленый воздух [11].
При высокой влажности с течением времени происходит окисление контактов. Несмотря на то, что первоначальные измерения выглядят хорошо, параметры соединителей,
в которые попала влага, со временем ухудшаются. Поэтому операторам не следует удалять пылинки и посторонние частицы в соединителе выдуванием воздухом изо рта [15]. Относительная влажность выдыхаемого воздуха составляет 100%. Радиочастотные соединители с низким уровнем ПИМ чувствительны к таким воздействиям. Существует также веская причина, по которой производители компонентов с низким уровнем ПИМ требуют, чтобы их работники применяли при обращении с соединителями перчатки [15].
Для уменьшения коррозии необходимо наносить на контактирующие поверхности износостойкие покрытия золота или серебра. Коррозия может увеличиться в результате истирания и отслаивания покрытия. Трещины, порезы, царапины, острые края и коррозия создают помехи прохождению сигналов связи. Частицы грязи и коррозия являются значительным источником ПИМ, и они представляют собой проблему, которую необходимо решать в системы связи. В качестве примера на рис. 4 показана поверхность соединителя типа N. При осмотре невооруженным глазом он выглядит чистым (маленькое изображение вверху слева). Однако при рассмотрении в микроскоп обнаруживается множество инородных тел, которые могут быть источником пассивных интермодуляционных искажений.
Температура. Результаты измерения ПИМ соединителя, подвергнутого воздействию источника тепла при температуре 100 °C в течение 1 мин, приведены на рис. 5 [1].
Скин-эффект. Ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется преимущественно в поверхностном слое. Глубина проникновения тока определяется расстоянием от внешней поверхности до точки, где плотность тока уменьшается до 1/e (0,37) от плотности тока на внешней поверхности. Например, для меди на частоте 10 ГГц эта глубина равна 0,7 мкм. Нетрудно понять, почему царапина размером всего в 1 мкм может оказать пагубное влияние на качество сигнала [1, 15].
Момент кручения гайки вилки при соединении с розеткой. Величина крутящего момента определяет усилие нажатия контактов радиочастотного соединителя, от которого зависят его основные характеристики: КСВН, переходное сопротивление и др. Радиочастотные соединители сконструированы таким образом, что гайку вилки можно практически полностью прикрутить вручную. Гаечный ключ следует использовать только на последнюю половину оборота. Если гайка вилки с трудом поворачивается во время соединения, происходит сильное трение и даже деформация поверхностей соединителей, появление микротрещин, отслаивание покрытия и, вследствие этого, возникновение ПИМ.
Однако недостаточный крутящий момент гайки вилки также приводит к образованию ПИМ, так как ослабевает усилие нажатия контактов, между ними образуются зазоры. В результате этого могут инициироваться микроскопические искрения, при которых генерируются продукты интермодуляции. Поэтому при работе с соединителями обязательно применение динамометрического ключа с требуемым по техническим условиям на соединитель моментом кручения.
Количество циклов соединение – рассоединение вилки и розетки соединителей. В процессе изготовления и настройки устройств связи приходится многократно соединять и рассоединять приборный и кабельный соединители. При этом происходит износ соединителей: уменьшение толщины покрытия из-за его истирания. Производители соединителей с устойчивыми показателями ПИМ обычно гарантируют до 500 циклов соединение – рассоединение [15]. Износ соединителей – это проблема, прежде всего, радиоизмерительного оборудования, включая анализаторы ПИМ. Для устройств связи, работающих в полевых условиях – это не такая критическая проблема, поскольку соединители вилка и розетка сопрягаются всего несколько раз, для первоначальных измерений системы и окончательной установки.
Расположение центрального проводника соединителя. Если центральный проводник розетки слишком «утоплен» относительно плоскости сопряжения вилки и розетки, то в результате плохого контакта может возникнуть ПИМ при использовании сигналов большой мощности. Если же он выступает слишком далеко, это может привести к физическому повреждению при соединении вилки и розетки. Для измерения глубины расположения центрального проводника применяют специальные индикаторные измерительные приспособления.
Нелинейность материалов
и покрытий поверхности соединителей
Одной из причин пассивной интермодуляции являются магнитные свойства конструкционных материалов и покрытий радиочастотных соединителей. Применение ферромагнитных металлов для изготовления радиочастотных соединителей является одной из основных причин возникновения пассивной интермодуляции. Ферромагнитные металлы: железо, никель и сталь вследствие их доменной структуры имеют нелинейную (гистерезисную) зависимость индукции (В) от напряженности (Н) магнитного поля.
Установлено также, что даже широко применяемая в соединителях немагнитная аустенитная нержавеющая сталь, относящаяся к парамагнитным материалам, проявляет слабые магнитные свойства при воздействии радиочастотных сигналов [10]. При деформации эта сталь приобретает слабую намагниченность в результате частичного распада аустенитного γ-раствора и выделения магнитной α-фазы (легированного феррита). Остаточную намагниченность этой стали не удается полностью удалить даже путем длительного отжига [19].
Поэтому для изготовления радиочастотных соединителей и кабелей, применяемых в системах беспроводной связи с минимальным уровнем ПИМ, следует выбирать сертифицированные немагнитные материалы: латунь, бериллиевую бронзу, фосфористую бронзу, пассивированную нержавеющую сталь и немагнитные проводящие покрытия. Применяемые материалы должны иметь исключительно низкий уровень магнитных свойств, их магнитная проницаемость должна быть менее 1,0001 [19]. Такое же требование предъявляют к соединителям, применяемым в магнитно-резонансной томографии [19].
Основным покрытием соединителей является золото толщиной 0,5–1,5 мкм по подслою меди. Корпуса соединителей покрывают также диамагнитным сплавом «белая бронза» (сплав олово-медь-цинк: 50–55 % меди, 30–35% олова, 15–17% цинка) толщиной 0,5–4 мкм. Названия «белой бронзы» зарубежных компаний: BBR (Bright Bronze Radiall) – компании Radiall, Sucoplate – компании Huber+Suhner, Optalloy – компании Rosenberger, Albaloy – компании Delta Electronics.
В немагнитных соединителях недопустимо применение магнитного гальванического никеля в качестве как основного покрытия, так и барьерного слоя под другие покрытия. Применяют химически осажденный никель, являющийся сплавом никеля с 10–13,5% фосфора. До температуры 300 °С он имеет аморфную структуру и немагнитен. Химический никель в соединителях типа 7/16 позволяет получить ПИМ на уровне (–178,3) дБс [20]. При определенном процентном соотношении компонентов немагнитен также сплав никель-олово. Уровень интермодуляционных помех в соединителях, корпус которых покрыт «белой бронзой», а центральный контакт – серебром, не превышает (–155) дБс при тестировании двух-частотным сигналом мощностью 2 × 43 дБмВт [12].
Если на материал с магнитными свойствами нанесено серебряное или золотое покрытие, то необходимо учитывать глубину скин-слоя для проходящих через контакты высокочастотных токов. При недостаточной толщине или неравномерности покрытия проникающие в основной материал токи будут вызывать ПИМ [12].
Во второй части статьи будут рассмотрены радиочастотные соединители, применяемые в системах беспроводной связи.
ЛИТЕРАТУРА
White paper: Connector Related PIM - Hughes Electronics Ltd. ugheselectronics.co.uk.
Passive Intermodulation (PIM): What You Need To Know. electronicdesign.com.
Understanding PIM. www.anritsu.com.
Афзал С., Сонин А. Пассивная интермодуляция: проблема современных операторов сетей //
Технологии и средства связи. 2015. № 1. С. 60–61.
Джуринский К. Интермодуляции в радиочастотных соединителях для мобильной и сотовой связи // Компоненты и технологии. 2010. № 6. С. 26–30.
Technical Information: Passive Intermodulation (PIM) Tech Note. www.gore.com.
Джуринский К. Эволюция радиочастотных соединителей для мобильной и сотовой связи. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2019. № 10. С. 74–80.
Passive Inter-modulation Sources and Cancellation Methods. https://yupanatech.com.
Сокращение сроков тестирования пассивной интермодуляции в системах связи нового поколения. www.agilent.com/find/PIM.
Minimizing PIM Generation from RF Cables and Connectors. www.santron.com.
Dayan A., Huang Y., Schuchinsky A. Passive Intermodulation at Contacts of Rough Conductors // Electron. Mater. 2022. No. 3. PP. 65–81.
https://doi.org/10.3390/electronicmat3010007.
Белов Л., Кочемасов В., Строганова Е. Пассивная интермодуляция в СВЧ-цепях: механизмы появления, методы измерения и способы снижения // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2015. №3 (00143). С. 80–91.
По материалам компании Rogers. Перевод с английского. microwave-e.ru›wp-content.
Petek M. Modelling of passive intermodulation in RF systems. 2020. https://www.diva-portal.org.
Wolfgang Damm. AWT Global. PIM: Components, Material, Handling & Testing. An AWT Global Publication. 04/14.
Джуринский К.Б. Основы технологии производства радиоэлектронных средств: курс лекций / 2-е изд. перераб. и доп. СПб: Изд-во ЗАО «Медиа Группа Файнстрит», 2017. 344 с.
Бондаренко И.Б., Гатчин Ю.А., Иванова Н.Ю., Шилкин Д.А. Соединители и коммутационные устройства. Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. 151 с.
Рем К., Дандл К., Цехентнер Б., Вагнер Р. Исследование эксплуатационных качеств покрытий
для радиочастотных соединителей // Современная электроника. 2021. № 4. С. 24–31.
Джуринский К.Б. Современные радиочастотные соединители и помехоподавляющие фильтры. СПб: Изд-во ЗАО «Медиа Группа Файнстрит», 2014. 428 с.
2.2-5 Series - the next generation of small RF connectors. https://2.2-5series.com.
Cannon N. Troubleshooting Passive Intermodulation Problems in the Field. https://www.microwavejournal.com.
PIM Test Power Level Application Note. https://dl.cdn-anritsu.com.
Отзывы читателей
