Passive Intermodulation auf Leiterplatten für 5G-Systeme

Zachariah Peterson
|  Created: May 19, 2019  |  Updated: September 25, 2020

Audio waveform signals graphic

 

5G-Netze sind im Kommen. Sind Ihre Leiterplatten vorbereitet? 

Jeder, der auf die Kopfleiste seines Telefon-Displays achtet, hat schon mal die 4G-Anzeige bemerkt. Wenn Sie einen der großen Mobilfunkanbieter nutzen, werden Sie vermutlich dort 5G stehen haben, wenn Sie sich Ihr nächstes Smartphone kaufen. 5G-Systemdesigner, insbesondere Leiterplattenentwickler, sind daher zukünftig mit höheren Frequenzen, schnelleren Datenraten, niedrigeren Energiebudgets und vielen anderen Leistungsanforderungen konfrontiert.

Nichtlinearitäten zeigen auch in 5G-Systemen ihr hässliches Gesicht und führen zu einer bestimmten Art von Interferenz zwischen TX- und RX-Bändern, die passive Intermodulation (PIM) genannt wird. Dieser einzigartige Interferenzeffekt kann in jedem drahtlosen Netzwerk zu Performance-Problemen führen, wenn er unbeachtet bleibt.

Was ist passive Intermodulation (PIM)?

Die meisten Konstrukteure betrachten PCB-Leiterbahnen und passive Komponenten als rein lineare Bauelemente. Insbesondere bei hohen Frequenzen ist dies jedoch nicht immer der Fall. Die Ursachen von PIM werden heiß diskutiert, aber die akzeptierteste Quelle in PCBs sind Nichtlinearitäten in Leiterbahnen und passiven Bauteilen. Beachten Sie, dass sich der Begriff „Nichtlinearität“ hier auf eine nicht lineare Beziehung zwischen Spannung und Strom bezieht, die naturgemäß zu einer Frequenzmischung führt.

Moderne Funksysteme, die neben dem Frequenzduplexbetrieb (FDD) die Träger-Aggregation zur Erhöhung der Bandbreite (und damit der Bitrate) nutzen, sind anfällig für passive Intermodulation. Tritt passive Intermodulation auf, erzeugen die Trägersignale in einem oder mehreren TX-Bändern Seitenbänder, die in RX-Bänder fallen, und umgekehrt. Diese Mischung zwischen zwei oder mehr Signalen entsteht in einem nicht linearen passiven Bauelement, z. B. in Dioden. Wichtig ist, dass auch Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten Nichtlinearität aufweisen können, was zu PIM führen kann.

Graph showing passive intermodulation

PIM in einem 2-GHz-System mit Träger-Aggregation im LTE-Band #2 

Beachten Sie in der Abbildung oben, dass das Intermodulationsprodukt 3. Ordnung (orange Kurve) am stärksten ist, während die übrigen Intermodulationsprodukte an Intensität verlieren. Intermodulationsprodukte höherer Ordnung sind auch breiter als der Träger. Es gibt geradzahlige Intermodulationsprodukte (nicht abgebildet) bei viel höheren und niedrigeren Frequenzen. Diese sind jedoch nicht problematisch, es sei denn, ein System verwendet Multiplexing über einen sehr breiten Bereich von Trägerfrequenzen.

Obwohl die Signalstärken von Intermodulationsprodukten deutlich geringer sind als die der Trägersignale, können sie sich nachteilig auf die Download-/Upload-Geschwindigkeiten auswirken. Bei bestimmten Trägerfrequenzen können Intermodulationsprodukte in das Empfangsband fallen, wodurch einzelne Kanäle gestört oder sogar blockiert werden, wie in der obigen Abbildung gezeigt. Obwohl ein Intensitätsunterschied zwischen einem Träger und einem Intermodulationsprodukt von ca. -140 dB riesig erscheinen mag, genügt das Signal dennoch, um die Download-Geschwindigkeit in dem gestörten Kanal um ca. 20 % zu vermindern.

Umgang mit PIM in passiven Komponenten

Leiterplatten in 5G-Systemen und Subsystemen müssen für den Betrieb bei Frequenzen oberhalb der gegenwärtigen 2,6 GHz 4G-LTE-Funknetze ausgelegt sein. Ziel ist es, Mobilgeräte mit 10 Gbit/s direkt mit mmWave-Frequenzen (d. h. in der Größenordnung von 10 GHz) zu versorgen. Passive Intermodulation wird weiterhin ein Problem bei PCBs bleiben, die in 5G-Kommunikationsbändern betrieben werden sollen.

Ähnlich wie andere Rauschquellen kann PIM nicht vollständig aus einem Funksystem eliminiert werden. Jedoch lässt es sich durch kreative Designtechniken minimieren. Das richtige Substratmaterial mit minimaler dielektrischer Absorption ist ein wichtiger Aspekt des 5G-PCB-Designs. Die dielektrische Absorption ist ein nicht linearer Effekt: Bei einem kapazitiven Element (diskret oder streuend) beispielsweise verbleibt dadurch während seiner Entladung ein gewisser Ladungsanteil, der im Grunde einen Hysterese-Effekt erzeugt. Dieser wird als eine Ursache für passive Intermodulation zweiter Ordnung angesehen.

Kondensatoren und Induktivitäten, die in Anpassungsnetzwerken in Hochfrequenz-Baugruppen verwendet werden, sollten daher mit Bedacht ausgewählt sein. Kondensatoren können bei bestimmten Frequenzen Eigenresonanz aufweisen; so haben z. B. ~10 pF diskrete oberflächenmontierbare Kondensatoren eine Eigenresonanz nahe 2 GHz. Außerdem weisen sie bei bestimmten Frequenzen dielektrische Absorption auf, was zu einer Hysterese führt. Induktivitäten mit Ferrit-Kernen leiden unter einem ähnlichen Problem der Hysterese.

Passive Bauteile minderer Qualität, überätztes Kupfer, raue Kontaktflächen in Steckverbindern und sogar Staub oder Metallabrieb können ebenfalls PIM durch den sogenannten Rusty-Bolt-Effekt verursachen. Es ist bekannt, dass dieser Effekt bei großen Antennen Frequenzmischungsprobleme verursacht, die im Laufe der Zeit zunehmen und nichts mit der Alterung elektronischer Komponenten zu tun haben. Dies sollte bei der Beschaffung von Komponenten und der Fertigungsplanung berücksichtigt werden.

Da Leiterbahnen als eine primäre PIM-Quelle angesehen werden, sollten nach Möglichkeit breitere Leiterzüge gewählt werden, da dies die Stromdichte und damit die Amplitude der durch Frequenzmischung erzeugten Seitenbänder verringert. Dies kann wiederum zu Problemen beim kontrollierten Impedanzdesign führen. Daher ist sorgfältiges Stackup Planning erforderlich, um genaue Impedanzberechnungen zu gewährleisten.

Base transceiver in a 5G network
Ein 5G-Basis-Transceiver ist eines der Systeme, das unter passiver Intermodulation leidet.

Mit der bereits laufenden Einführung von 5G-Mobilfunknetzen durch große Telekommunikationsanbieter haben Unternehmen, die Baugruppen für die Verwendung in diesen Netzwerken herstellen, eine bedeutende Mitverantwortung, sicherzustellen, dass PIM die Komponenten in den Telekommunikationssystemen nicht lahmlegt. Eine Reihe von Unternehmen entwickelt Testgeräte zur Messung von PIM-Unterdrückungsmechanismen bzw. passive Intermodulation selbst. Normen für die PIM-Messung sind in IEC 62037 spezifiziert. Diese Messungen werden typischerweise in abgeschirmten Kabinen vorgenommen, obwohl sie auch im Feld durchführbar sind, wenn praxisnahe Daten benötigt werden.

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About Author

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Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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