PIM滤波测试

尽管天线具有不同的形状和尺寸，但印刷电路板(PCB)天线形式仍能够在较大程度减小尺寸的情况下保持性能不发生变化。当然，天线(包括基于PCB的天线)必须在设计和加工时确保其具有最小的无源互调(PIM)指标，才能在现在拥挤的信号环境中发挥其最佳性能。

对于PCB天线，尽管低PIM指标主要与天线设计相关，但电路板材料对PCB天线的整体PIM性也有很大影响，所以低PIM天线也需要考虑怎样选择RF/微波电路材料。

PIM是一种非线性的类二极管效应，当两个或多个信号混合时(例如来自不同的发射机)，就会产生不必要的谐波信号。当这些额外产生的谐波信号具有足够高的电平，并且落在接收机的可接收频率范围内时，那么，就可能会引起问题，干扰接收机带内信号的接收正常。虽然PIM不会对每一种应用都产生影响，但却可能干扰无线通信系统的正常工作，尤其是在其试图接收较低电平信号时。

PIM可以发生在任何两种不同金属的连接点或接口处，例如连接器和电缆组件的连接处，天线和天线馈源的连接处。接触不良的连接器，内部生锈或氧化的连接器也可能会导致PIM。PCB材料也可能是PIM的来源，它可能来自于材料本身，也可能来自馈电点。因此，通过了解不同的电路板材料的参数与PIM之间的关系，将有助于选择合适的材料，而不至于造成PCB天线的PIM性能问题。

PCB天线

以PCB形式设计的高频天线可以有多种不同结构，从简单的偶极子，到基于环形谐振腔和罗特曼透镜的复杂的结构。其中一种比较受欢迎的PCB天线就是微带贴片天线，它可以在给定的频率范围内设计出简单紧凑的天线构结(如图1)。许多产品利用多个PCB贴片天线或谐振结构，来实现波束成形网络(BFN)或相控阵天线，并通过电调方式来控制雷达或通信系统中PCB天线的振幅，相位和方向。

在毫米波频率下，紧凑型的微带PCB天线也越来越受到关注。例如用于汽车电子安全系统的77GHz高级驾驶辅助系统(ADAS)，就以这种天线实现盲点检测，自动制动系统和防碰撞等功能。由于这种系统的信号功率较低，ADAS接收机就必须依靠其高灵敏度，可靠地检测从行人和其他车辆等目标反射的雷达回波。

图1：微带贴片天线结构是大型天线阵列的基本组成。

电路层压板的介电常数(Dk)是许多工程师在设计微带贴片天线时首先要考虑的因素。电路板材料的Dk值对电路尺寸的影响，在表1中的四个例子中有详细的描述，结果显示对给定频率的微带贴片天线，贴片尺寸随着Dk值的增加而缩小。

该表是通过MWI-2017软件计算完成， 表中微带贴片天线的尺寸，如长度(L)和宽度(W)，可以利用以下的简单方程计算得到：

W=(c/2fr)[2/(Dkeff +1)]0.5

L=λ/[2(Dkeff)0.5] - 2ΔL

其中：

Dkeff=微带电路的有效介电常数;

λ=基于微带电路的波长;

fr=贴片辐射元件的谐振频率;

c=自由空间中的光速;

ΔL=由于边缘场引起的贴片延伸长度。

微带贴片天线单元在发射时将电磁能量辐射到自由空间，在接收时将电磁能量传输到连接的电路上(例如，接收器)。但贴片PCB天线的一个重要组成单元，馈线构成了另一个重要部分。馈线在微带电路和辐射贴片之间，起到传输和接收电磁能量的桥梁作用。理想情况下，贴片应呈现高辐射，而馈线应呈现低辐射，从而实现能量从电路到贴片的有效传递。

图2展示了可用于微带贴片天线的四种不同馈线方式，分别为：松耦合馈电，底层馈电(常用于多层电路中，馈线在贴片下方)，紧耦合馈电，以及四分之一波长(λ/ 4)阻抗变换器馈电。这几种馈电方式，馈线的复杂性和用途均不相同。例如，对于底层馈电的情况，设计者可以通过选择外层使用最好的电路板材料以获得最佳的辐射，也可以选择不同的内层电路板材料，来降低馈线的辐射和插入损耗。

图2：四种用于微带贴片单位不同的馈线：(a)松耦合馈电、(b)底层馈电、(c)紧耦合馈电、(d)四分之一波长阻抗变换器馈电

对天线来讲，较厚的电路板材料更容易向外辐射能量。一般来说，设计诸如微带贴片之类的天线辐射单元，应该选择相对较厚并且具有较低Dk值(例如2.2至3.5)的电路板材料。尽管更高Dk值的材料辐射效率较低，使用较高Dk值的电路板材料来设计PCB天线更具挑战性。但当需要设计更小的贴片天线时，仍可通过优化设计而使用更高Dk值的电路板材料。

PIM策略

PIM较高的天线可能会导致无线通信系统中(如4G LTE无线网络的分布式天线系统)数据的丢失。而对于新兴的5G无线网络，尽管其频率较高，实际也是如此。

对于收发系统中的两个带内载波信号频率f1和f2，PIM就是nf1-mf2和nf2-mf1的混合产物，其中n和m是整数。这种衍生的PIM谐波可以按一定规则进行分类，其顺序由m和n之和确定，例如2f1-f2和2f2-f1(如图3)的三阶分量。三阶交调分量值得关注，因为它们离载波信号最近从而可能落在接收机的频带内，并且，如果分量具有较高功率，就可能会造成接收机发生阻塞。

图3：不同阶数的互调失真(IMD)。

PIM谐波分量的幅度不仅是f1和f2幅度的函数，而且还是其阶数的函数。PIM谐波分量的幅度随着阶数的增加而减小。因此，第五，第七和第九阶PIM谐波功率水平通常较小而不会影响接收器性能。

到底多低的功率电平可以认为是低PIM？这个值可能因系统而异。对于4G LTE系统中使用的DAS设备中包括的一些无源组件(如连接器和电缆)，-145dBc通常被认为足够低。然而一般来说，-140dBc或更高数值被认为是较差的PIM性能，而-150dBc被认为是较好的，-160dBc则是优秀的。

在专门设计的微波暗室中测量天线和其他无源器件的PIM电平，低至-170 dBc可能超出暗室测试环境噪声水平。 当使用两个+43dBm单音信号进行测量时，大多数PIM测试暗室的实际噪声级别为-165dBc。

当同一副天线通过共同的馈线同时实现发射和接收功能时，低PIM尤其重要。因为发射机和接收机都同时位于同一系统中，多个发射信号的非线性产物总会导致不想要的互调谐波，其幅度往往足以恶化接收机的性能。通过了解不同材料特性的PIM产生特性，可以减小PIM对PCB天线带来的影响。

尽管大多数情况下PIM是由电路结点(如焊点或连接器)中不均匀的材料产生，但电路板材料的特性，如粗糙的铜箔表面和不同类型的电镀表面处理，也可能会产生较低或较高的PIM电平。电路板材料中的某些参数就可以用来作为设计低PIM PCB天线的参考。

例如，相比PCB层压板的陶瓷或PTFE介质，层压板的铜箔表面粗糙度对影响PIM起主要作用。同时，对于相同介质材料的电路(例如，含有玻璃布或陶瓷填料的PTFE)，粗糙的铜箔表面对PIM的影响就要比平滑的铜箔表面更大。

为了更好地理解铜箔表面粗糙度与PIM的关系，通过测试具有不同铜箔表面粗糙度的电路层压板，分析其对PIM性能的影响。

具体方法如下：先测量每种铜箔的表面粗糙度，然后压合成层压板，接着在层压板上制作微带传输线测试电路，以测量对应的每种层压板的PIM性能。结果表明，随着铜箔表面粗糙度的增加，对PIM影响越来越大(如图4)。

图4：电路材料的铜箔表面粗糙度与PIM性能的关系。

PCB材料制作成天线和其它无源器件，经过表面电镀后，也会对PIM性能产生影响。铁磁性材料(如镍)，会严重影响PIM的性能。化锡工艺通常会比裸铜电路具有更好的PIM性能，而使用化学镍金(ENIG)的电路由于含有镍会产生较差的PIM性能。

电路表面清洁度有利于降低微带天线和其它微带无源器件的PIM性能。有阻焊的电路通常比裸铜电路具有更好的PIM性能。清洁的电路，没有残留的湿法化学处理，是降低PIM性能的重要基础。电路中带有任何形式的离子污染物或残留物，可能会导致较差的PIM性能。

同样地，电路的蚀刻质量对于改善PIM性能也是十分重要的。如果铜箔导体没有被充分腐蚀掉导致电路边缘产生粗糙和毛刺，这种情况也可能会使PIM性能下降。

只要仔细地选择电路板材料，就可能为无源器件或电路提高其PIM性能。不过，就算使用了低PIM的材料，某些类型的电路可能因自身结构较易受PIM影响，而无法改善其PIM性能。例如，罗杰斯公司(Rogers Corp.)以32.7mil厚的RO4534电路板材料进行了相关的实验。这种天线层压板的特性是：Dk为3.4，公差为±0.08，在10 GHz时的低损耗因子(低损耗)为0.0027。

使用这种相同的电路板材料加工的三个不同电路分别为：传输线、带通滤波器、低通滤波器(如图5)。即使这些电路是基于同一电路板材料加工出来的，但由于PIM受电流密度的影响，造成PIM的差异就非常显著。比起简单的传输线电路，滤波器具有较高的电流密度，从而产生更高的PIM谐波。而当使用两个+43dBm的单音信号对微带传输线进行测试评估时，RO4534材料呈现出-157dBc的低PIM性能。

图5：在相同的低PIM材料上加工的三种不同的电路，所呈现出的不同的PIM性能。

如实验所示，常用于天线馈电的简单传输线，几乎可以达到接近材料的额定PIM水平。尽管如此，PIM性能也与电路构结紧密相关，不同电路也导致最终的PIM性能不同。(英文原文刊登于Microwaves &RF)

本文来自《电子工程专辑》2018年2月刊，版权所有，谢绝转载

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用金属和陶瓷生产复杂的成型零件

如今，使用粉末材料的注塑成型技术主要用于制造工业用复杂组件。 粉末注塑成型是除了其它成型工艺（精密铸造和轴向或均衡压制）外的另一种可供选择的工艺。

近年来，用陶瓷或金属粉末来制造注塑成型零件的应用领域主要包括汽车工业、刀具工业、磁体生产、纺织工业、钟表工业、家居用品、精密工程、医疗和牙科技术以及陶瓷工业。

表1: 金属和陶瓷组件的典型公差

粉末注塑成型技术使组件的批量生产成为可能，因为采用机械加工或压制技术进行批量生产已经不再是一种经济有效的方式。注塑成型技术使组件的设计和制造过程具有几乎无限的自由度。

粉末注塑成型制造过程包括成型零件的初始注塑成型、脱脂和烧结。

组件公差由以下重要因素确定：

粘合剂含量

粉末特性

混合过程

注塑成型参数

重力变形

在烧结托盘上的滑动性能

可用材料范围广泛

原则上，所有细颗粒、可烧结的粉末都可以和相应的粘合剂混合并在注塑机上加工。包括氧化陶瓷、金属、碳化物及氮化物。

由于混合和注塑设备在处理粉末材料的过程中会受到较强磨损，因此建议选择粒度尽可能小的粉末。 较细的粉末可降低表面粗糙度，从而在加工过程中降低磨损并提高生坯强度。 各种粉末材料的性能范围如表3中所示。

表2: 在严格的公差范围内的高重复性

粘合剂使粉末可用来注塑

对粘合剂最重要的要求是：脱脂过程中的尺寸稳定性、良好的保存特性、不与粉末材料发生反应、很高的零件强度、良好的脱模特性、热稳定性和在脱脂过程中易于去除并可完全去除。

粘合剂与粉末颗粒之间的粘附力还应尽可能高，以便在注塑过程中增高压力不会使两个组份分离，而导致填充的零件不均匀。 为了获得良好的注塑成型特性并以低收缩率获得均匀的烧结质量，建议采用球形粉末。

具有最佳配比的粘合剂与粉末

在混合过程中，粘合剂和粉末混合成一种匀质的混合物，即原料。 市场上有出售金属粉末和陶瓷粉末的原料供货商。 他们供应的材料品种繁多，并不断推出新品。

因此，MIM（金属注塑成型）或 CIM（陶瓷注塑成型）所需的原料都是现成的，可立即用于注塑，而不再需要内部制作。如果可用材料的性能不能充分满足所需的用途，专业化的材料供货商可以开发并生产客户需要的特定原料。

注塑成型过程中的加工步骤

用原料（粉末/粘合剂的混合物）制造成型零件的过程与塑料的注塑成型过程相似。

▲ 预塑

在塑化单元中，原料的粘合剂部分会在温度的作用下熔化。

▲ 注塑

塑料混合物在高压下被注塑到固定在锁模装置中的模具中。 模具保持闭合，同时成型零件硬化。

▲ 开模

在零件冷却后，喷嘴会通过注塑装置的移动从模具位置移开。 锁模装置打开，注塑成型机的顶针系统会自动顶出成型零件。

▲ 零件脱模

使用机械手系统从模具中脱出易碎的零件而不造成损坏。 在粉末材料的注塑成型时，推荐使用此工艺来保护绿件免受震动或冲击，从而避免损害成型零件的质量。

及时适量生产

材料和模具的更换可以在不到 20 分钟之内完成，这使它适用于精益生产(Just-In-Time Production)。 由于具有各种自动化选配件，因此可在无需操作者太多参与的情况下，对由金属或陶瓷粉末制造的组件实现批量生产。

注塑成型机的结构

传统螺杆式注塑成型机由锁模装置、注塑装置和控制系统构成。 由两个半面构成的模具固定在锁模装置中。 锁模装置本身具有静止模板（即所谓的固定模板）和可移动范本。 当锁模装置合闭以及模具随之合闭时，即可以注入材料。 当通过打开锁模装置而打开模具时，即可将成型零件脱出。

注塑装置的结构

注塑成型机上的注塑装置由螺杆（用于进料、压缩混合料并去除气泡）、加热系统（将混合料加热到一定温度）和喷嘴（经过压缩和加热的材料通过该喷嘴在压力下注塑到模具中）构成。 注塑成型机的所有移动和生产过程都可以通过屏幕控制功能加以协调控制。 调节参数一经确定，即可以保存到数据媒体上，从而确保了以前使用的生产周期的可重复性。 在生产过程中，可以自动识别并分离不合格零件和合格零件。

注塑模具

塑料注塑成型技术中常用的模具设备（如滑板、抽芯机构、脱螺纹装置和内部压力传感器）也可以用于粉末材料的注塑成型。 不过，由于粉末/粘合剂熔化材料具有研磨性，因此必须保护模具型腔和注塑装置以防止磨损（例如通过特殊硬化工艺或合金）。

粉末注塑成型适合于复杂、高精度成型零件的大批量生产；对具有内螺纹、难于加工的底切和不规则表面的组件实现简单、自动化的生产，同时保证出色的表面质量。

粉末材料注塑成型的好处包括:

批量生产

使用传统工艺无法生产的零件可以一步完成生产

实现复杂的成型零件设计

可以快速调整生产

成型零件表面质量高

成型零件尺寸稳定性高

零件无需费时耗资的再加工

可以自动化生产

生产基本无浪费

就可以装X了！

这些只是小case！

接下来才是重点！

……

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专家简介

娄嘉，男，在中南大学和新西兰怀卡托大学（2017年QS世界排名第292位）分别获学士和博士学位，现担任湘潭大学讲师、湖南瀚德微创医疗科技有限公司研发部负责人。

长期从事金属注射成形新工艺、粉末冶金和新材料的研发工作。2010年获国外全额奖学金赴新西兰攻读博士学位。作为项目组成员参与了国家高技术研究发展计划项目（863），新西兰商业、创新和就业部项目（MBIE）等项目的工作。

在注射成形理论、粉末压制、粉末热加工、微创医疗器械、钛合金、铁基合金、镍基合金等领域积累一定的研究工作经验和成果，以第一作者和通讯作者在Powder Technology, Materials& Design, Journal of Alloys and Compounds, Metallurgical and Materials Transactions A, Journal of Materials Processing Technology, Powder Metallurgy等国外知名刊物发表论文9篇。

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