PIM

盡管天線具有不同的形狀和尺寸，但印刷電路板(PCB)天線形式仍能夠在較大程度減小尺寸的情況下保持性能不發(fā)生變化。當然，天線(包括基于PCB的天線)必須在設(shè)計和加工時確保其具有最小的無源互調(diào)(PIM)指標，才能在現(xiàn)在擁擠的信號環(huán)境中發(fā)揮其最佳性能。

對于PCB天線，盡管低PIM指標主要與天線設(shè)計相關(guān)，但電路板材料對PCB天線的整體PIM性也有很大影響，所以低PIM天線也需要考慮怎樣選擇RF/微波電路材料。

PIM是一種非線性的類二極管效應(yīng)，當兩個或多個信號混合時(例如來自不同的發(fā)射機)，就會產(chǎn)生不必要的諧波信號。當這些額外產(chǎn)生的諧波信號具有足夠高的電平，并且落在接收機的可接收頻率范圍內(nèi)時，那么，就可能會引起問題，干擾接收機帶內(nèi)信號的接收正常。雖然PIM不會對每一種應(yīng)用都產(chǎn)生影響，但卻可能干擾無線通信系統(tǒng)的正常工作，尤其是在其試圖接收較低電平信號時。

PIM可以發(fā)生在任何兩種不同金屬的連接點或接口處，例如連接器和電纜組件的連接處，天線和天線饋源的連接處。接觸不良的連接器，內(nèi)部生銹或氧化的連接器也可能會導致PIM。PCB材料也可能是PIM的來源，它可能來自于材料本身，也可能來自饋電點。因此，通過了解不同的電路板材料的參數(shù)與PIM之間的關(guān)系，將有助于選擇合適的材料，而不至于造成PCB天線的PIM性能問題。

PCB天線

以PCB形式設(shè)計的高頻天線可以有多種不同結(jié)構(gòu)，從簡單的偶極子，到基于環(huán)形諧振腔和羅特曼透鏡的復雜的結(jié)構(gòu)。其中一種比較受歡迎的PCB天線就是微帶貼片天線，它可以在給定的頻率范圍內(nèi)設(shè)計出簡單緊湊的天線構(gòu)結(jié)(如圖1)。許多產(chǎn)品利用多個PCB貼片天線或諧振結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)波束成形網(wǎng)絡(luò)(BFN)或相控陣天線，并通過電調(diào)方式來控制雷達或通信系統(tǒng)中PCB天線的振幅，相位和方向。

在毫米波頻率下，緊湊型的微帶PCB天線也越來越受到關(guān)注。例如用于汽車電子安全系統(tǒng)的77GHz高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)，就以這種天線實現(xiàn)盲點檢測，自動制動系統(tǒng)和防碰撞等功能。由于這種系統(tǒng)的信號功率較低，ADAS接收機就必須依靠其高靈敏度，可靠地檢測從行人和其他車輛等目標反射的雷達回波。

圖1：微帶貼片天線結(jié)構(gòu)是大型天線陣列的基本組成。

電路層壓板的介電常數(shù)(Dk)是許多工程師在設(shè)計微帶貼片天線時首先要考慮的因素。電路板材料的Dk值對電路尺寸的影響，在表1中的四個例子中有詳細的描述，結(jié)果顯示對給定頻率的微帶貼片天線，貼片尺寸隨著Dk值的增加而縮小。

該表是通過MWI-2017軟件計算完成， 表中微帶貼片天線的尺寸，如長度(L)和寬度(W)，可以利用以下的簡單方程計算得到：

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

L=λ/[2(Dkeff)0.5] - 2ΔL

其中：

Dkeff=微帶電路的有效介電常數(shù);

λ=基于微帶電路的波長;

fr=貼片輻射元件的諧振頻率;

c=自由空間中的光速;

ΔL=由于邊緣場引起的貼片延伸長度。

微帶貼片天線單元在發(fā)射時將電磁能量輻射到自由空間，在接收時將電磁能量傳輸?shù)竭B接的電路上(例如，接收器)。但貼片PCB天線的一個重要組成單元，饋線構(gòu)成了另一個重要部分。饋線在微帶電路和輻射貼片之間，起到傳輸和接收電磁能量的橋梁作用。理想情況下，貼片應(yīng)呈現(xiàn)高輻射，而饋線應(yīng)呈現(xiàn)低輻射，從而實現(xiàn)能量從電路到貼片的有效傳遞。

圖2展示了可用于微帶貼片天線的四種不同饋線方式，分別為：松耦合饋電，底層饋電(常用于多層電路中，饋線在貼片下方)，緊耦合饋電，以及四分之一波長(λ/ 4)阻抗變換器饋電。這幾種饋電方式，饋線的復雜性和用途均不相同。例如，對于底層饋電的情況，設(shè)計者可以通過選擇外層使用最好的電路板材料以獲得最佳的輻射，也可以選擇不同的內(nèi)層電路板材料，來降低饋線的輻射和插入損耗。

圖2：四種用于微帶貼片單位不同的饋線：(a)松耦合饋電、(b)底層饋電、(c)緊耦合饋電、(d)四分之一波長阻抗變換器饋電

對天線來講，較厚的電路板材料更容易向外輻射能量。一般來說，設(shè)計諸如微帶貼片之類的天線輻射單元，應(yīng)該選擇相對較厚并且具有較低Dk值(例如2.2至3.5)的電路板材料。盡管更高Dk值的材料輻射效率較低，使用較高Dk值的電路板材料來設(shè)計PCB天線更具挑戰(zhàn)性。但當需要設(shè)計更小的貼片天線時，仍可通過優(yōu)化設(shè)計而使用更高Dk值的電路板材料。

PIM策略

PIM較高的天線可能會導致無線通信系統(tǒng)中(如4G LTE無線網(wǎng)絡(luò)的分布式天線系統(tǒng))數(shù)據(jù)的丟失。而對于新興的5G無線網(wǎng)絡(luò)，盡管其頻率較高，實際也是如此。

對于收發(fā)系統(tǒng)中的兩個帶內(nèi)載波信號頻率f1和f2，PIM就是nf1-mf2和nf2-mf1的混合產(chǎn)物，其中n和m是整數(shù)。這種衍生的PIM諧波可以按一定規(guī)則進行分類，其順序由m和n之和確定，例如2f1-f2和2f2-f1(如圖3)的三階分量。三階交調(diào)分量值得關(guān)注，因為它們離載波信號最近從而可能落在接收機的頻帶內(nèi)，并且，如果分量具有較高功率，就可能會造成接收機發(fā)生阻塞。

圖3：不同階數(shù)的互調(diào)失真(IMD)。

PIM諧波分量的幅度不僅是f1和f2幅度的函數(shù)，而且還是其階數(shù)的函數(shù)。PIM諧波分量的幅度隨著階數(shù)的增加而減小。因此，第五，第七和第九階PIM諧波功率水平通常較小而不會影響接收器性能。

到底多低的功率電平可以認為是低PIM？這個值可能因系統(tǒng)而異。對于4G LTE系統(tǒng)中使用的DAS設(shè)備中包括的一些無源組件(如連接器和電纜)，-145dBc通常被認為足夠低。然而一般來說，-140dBc或更高數(shù)值被認為是較差的PIM性能，而-150dBc被認為是較好的，-160dBc則是優(yōu)秀的。

在專門設(shè)計的微波暗室中測量天線和其他無源器件的PIM電平，低至-170 dBc可能超出暗室測試環(huán)境噪聲水平。 當使用兩個+43dBm單音信號進行測量時，大多數(shù)PIM測試暗室的實際噪聲級別為-165dBc。

當同一副天線通過共同的饋線同時實現(xiàn)發(fā)射和接收功能時，低PIM尤其重要。因為發(fā)射機和接收機都同時位于同一系統(tǒng)中，多個發(fā)射信號的非線性產(chǎn)物總會導致不想要的互調(diào)諧波，其幅度往往足以惡化接收機的性能。通過了解不同材料特性的PIM產(chǎn)生特性，可以減小PIM對PCB天線帶來的影響。

盡管大多數(shù)情況下PIM是由電路結(jié)點(如焊點或連接器)中不均勻的材料產(chǎn)生，但電路板材料的特性，如粗糙的銅箔表面和不同類型的電鍍表面處理，也可能會產(chǎn)生較低或較高的PIM電平。電路板材料中的某些參數(shù)就可以用來作為設(shè)計低PIM PCB天線的參考。

例如，相比PCB層壓板的陶瓷或PTFE介質(zhì)，層壓板的銅箔表面粗糙度對影響PIM起主要作用。同時，對于相同介質(zhì)材料的電路(例如，含有玻璃布或陶瓷填料的PTFE)，粗糙的銅箔表面對PIM的影響就要比平滑的銅箔表面更大。

為了更好地理解銅箔表面粗糙度與PIM的關(guān)系，通過測試具有不同銅箔表面粗糙度的電路層壓板，分析其對PIM性能的影響。

具體方法如下：先測量每種銅箔的表面粗糙度，然后壓合成層壓板，接著在層壓板上制作微帶傳輸線測試電路，以測量對應(yīng)的每種層壓板的PIM性能。結(jié)果表明，隨著銅箔表面粗糙度的增加，對PIM影響越來越大(如圖4)。

圖4：電路材料的銅箔表面粗糙度與PIM性能的關(guān)系。

PCB材料制作成天線和其它無源器件，經(jīng)過表面電鍍后，也會對PIM性能產(chǎn)生影響。鐵磁性材料(如鎳)，會嚴重影響PIM的性能。化錫工藝通常會比裸銅電路具有更好的PIM性能，而使用化學鎳金(ENIG)的電路由于含有鎳會產(chǎn)生較差的PIM性能。

電路表面清潔度有利于降低微帶天線和其它微帶無源器件的PIM性能。有阻焊的電路通常比裸銅電路具有更好的PIM性能。清潔的電路，沒有殘留的濕法化學處理，是降低PIM性能的重要基礎(chǔ)。電路中帶有任何形式的離子污染物或殘留物，可能會導致較差的PIM性能。

同樣地，電路的蝕刻質(zhì)量對于改善PIM性能也是十分重要的。如果銅箔導體沒有被充分腐蝕掉導致電路邊緣產(chǎn)生粗糙和毛刺，這種情況也可能會使PIM性能下降。

只要仔細地選擇電路板材料，就可能為無源器件或電路提高其PIM性能。不過，就算使用了低PIM的材料，某些類型的電路可能因自身結(jié)構(gòu)較易受PIM影響，而無法改善其PIM性能。例如，羅杰斯公司(Rogers Corp.)以32.7mil厚的RO4534電路板材料進行了相關(guān)的實驗。這種天線層壓板的特性是：Dk為3.4，公差為±0.08，在10 GHz時的低損耗因子(低損耗)為0.0027。

使用這種相同的電路板材料加工的三個不同電路分別為：傳輸線、帶通濾波器、低通濾波器(如圖5)。即使這些電路是基于同一電路板材料加工出來的，但由于PIM受電流密度的影響，造成PIM的差異就非常顯著。比起簡單的傳輸線電路，濾波器具有較高的電流密度，從而產(chǎn)生更高的PIM諧波。而當使用兩個+43dBm的單音信號對微帶傳輸線進行測試評估時，RO4534材料呈現(xiàn)出-157dBc的低PIM性能。

圖5：在相同的低PIM材料上加工的三種不同的電路，所呈現(xiàn)出的不同的PIM性能。

如實驗所示，常用于天線饋電的簡單傳輸線，幾乎可以達到接近材料的額定PIM水平。盡管如此，PIM性能也與電路構(gòu)結(jié)緊密相關(guān)，不同電路也導致最終的PIM性能不同。(英文原文刊登于Microwaves &RF)

本文來自《電子工程專輯》2018年2月刊，版權(quán)所有，謝絕轉(zhuǎn)載

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用金屬和陶瓷生產(chǎn)復雜的成型零件

如今，使用粉末材料的注塑成型技術(shù)主要用于制造工業(yè)用復雜組件。 粉末注塑成型是除了其它成型工藝（精密鑄造和軸向或均衡壓制）外的另一種可供選擇的工藝。

近年來，用陶瓷或金屬粉末來制造注塑成型零件的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括汽車工業(yè)、刀具工業(yè)、磁體生產(chǎn)、紡織工業(yè)、鐘表工業(yè)、家居用品、精密工程、醫(yī)療和牙科技術(shù)以及陶瓷工業(yè)。

表1: 金屬和陶瓷組件的典型公差

粉末注塑成型技術(shù)使組件的批量生產(chǎn)成為可能，因為采用機械加工或壓制技術(shù)進行批量生產(chǎn)已經(jīng)不再是一種經(jīng)濟有效的方式。注塑成型技術(shù)使組件的設(shè)計和制造過程具有幾乎無限的自由度。

粉末注塑成型制造過程包括成型零件的初始注塑成型、脫脂和燒結(jié)。

組件公差由以下重要因素確定：

粘合劑含量

粉末特性

混合過程

注塑成型參數(shù)

重力變形

在燒結(jié)托盤上的滑動性能

可用材料范圍廣泛

原則上，所有細顆粒、可燒結(jié)的粉末都可以和相應(yīng)的粘合劑混合并在注塑機上加工。包括氧化陶瓷、金屬、碳化物及氮化物。

由于混合和注塑設(shè)備在處理粉末材料的過程中會受到較強磨損，因此建議選擇粒度盡可能小的粉末。 較細的粉末可降低表面粗糙度，從而在加工過程中降低磨損并提高生坯強度。 各種粉末材料的性能范圍如表3中所示。

表2: 在嚴格的公差范圍內(nèi)的高重復性

粘合劑使粉末可用來注塑

對粘合劑最重要的要求是：脫脂過程中的尺寸穩(wěn)定性、良好的保存特性、不與粉末材料發(fā)生反應(yīng)、很高的零件強度、良好的脫模特性、熱穩(wěn)定性和在脫脂過程中易于去除并可完全去除。

粘合劑與粉末顆粒之間的粘附力還應(yīng)盡可能高，以便在注塑過程中增高壓力不會使兩個組份分離，而導致填充的零件不均勻。 為了獲得良好的注塑成型特性并以低收縮率獲得均勻的燒結(jié)質(zhì)量，建議采用球形粉末。

具有最佳配比的粘合劑與粉末

在混合過程中，粘合劑和粉末混合成一種勻質(zhì)的混合物，即原料。 市場上有出售金屬粉末和陶瓷粉末的原料供貨商。 他們供應(yīng)的材料品種繁多，并不斷推出新品。

因此，MIM（金屬注塑成型）或 CIM（陶瓷注塑成型）所需的原料都是現(xiàn)成的，可立即用于注塑，而不再需要內(nèi)部制作。如果可用材料的性能不能充分滿足所需的用途，專業(yè)化的材料供貨商可以開發(fā)并生產(chǎn)客戶需要的特定原料。

注塑成型過程中的加工步驟

用原料（粉末/粘合劑的混合物）制造成型零件的過程與塑料的注塑成型過程相似。

▲ 預塑

在塑化單元中，原料的粘合劑部分會在溫度的作用下熔化。

▲ 注塑

塑料混合物在高壓下被注塑到固定在鎖模裝置中的模具中。 模具保持閉合，同時成型零件硬化。

▲ 開模

在零件冷卻后，噴嘴會通過注塑裝置的移動從模具位置移開。 鎖模裝置打開，注塑成型機的頂針系統(tǒng)會自動頂出成型零件。

▲ 零件脫模

使用機械手系統(tǒng)從模具中脫出易碎的零件而不造成損壞。 在粉末材料的注塑成型時，推薦使用此工藝來保護綠件免受震動或沖擊，從而避免損害成型零件的質(zhì)量。

及時適量生產(chǎn)

材料和模具的更換可以在不到 20 分鐘之內(nèi)完成，這使它適用于精益生產(chǎn)(Just-In-Time Production)。 由于具有各種自動化選配件，因此可在無需操作者太多參與的情況下，對由金屬或陶瓷粉末制造的組件實現(xiàn)批量生產(chǎn)。

注塑成型機的結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)螺桿式注塑成型機由鎖模裝置、注塑裝置和控制系統(tǒng)構(gòu)成。 由兩個半面構(gòu)成的模具固定在鎖模裝置中。 鎖模裝置本身具有靜止模板（即所謂的固定模板）和可移動范本。 當鎖模裝置合閉以及模具隨之合閉時，即可以注入材料。 當通過打開鎖模裝置而打開模具時，即可將成型零件脫出。

注塑裝置的結(jié)構(gòu)

注塑成型機上的注塑裝置由螺桿（用于進料、壓縮混合料并去除氣泡）、加熱系統(tǒng)（將混合料加熱到一定溫度）和噴嘴（經(jīng)過壓縮和加熱的材料通過該噴嘴在壓力下注塑到模具中）構(gòu)成。 注塑成型機的所有移動和生產(chǎn)過程都可以通過屏幕控制功能加以協(xié)調(diào)控制。 調(diào)節(jié)參數(shù)一經(jīng)確定，即可以保存到數(shù)據(jù)媒體上，從而確保了以前使用的生產(chǎn)周期的可重復性。 在生產(chǎn)過程中，可以自動識別并分離不合格零件和合格零件。

注塑模具

塑料注塑成型技術(shù)中常用的模具設(shè)備（如滑板、抽芯機構(gòu)、脫螺紋裝置和內(nèi)部壓力傳感器）也可以用于粉末材料的注塑成型。 不過，由于粉末/粘合劑熔化材料具有研磨性，因此必須保護模具型腔和注塑裝置以防止磨損（例如通過特殊硬化工藝或合金）。

粉末注塑成型適合于復雜、高精度成型零件的大批量生產(chǎn)；對具有內(nèi)螺紋、難于加工的底切和不規(guī)則表面的組件實現(xiàn)簡單、自動化的生產(chǎn)，同時保證出色的表面質(zhì)量。

粉末材料注塑成型的好處包括:

批量生產(chǎn)

使用傳統(tǒng)工藝無法生產(chǎn)的零件可以一步完成生產(chǎn)

實現(xiàn)復雜的成型零件設(shè)計

可以快速調(diào)整生產(chǎn)

成型零件表面質(zhì)量高

成型零件尺寸穩(wěn)定性高

零件無需費時耗資的再加工

可以自動化生產(chǎn)

生產(chǎn)基本無浪費

就可以裝X了！

這些只是小case！

接下來才是重點！

……

欲知詳情，請到7月28號深圳“CIMIC2017中國注塑產(chǎn)業(yè)大會”會議現(xiàn)場，當面聆聽專家婁嘉的精彩演繹！

專家簡介

婁嘉，男，在中南大學和新西蘭懷卡托大學（2017年QS世界排名第292位）分別獲學士和博士學位，現(xiàn)擔任湘潭大學講師、湖南瀚德微創(chuàng)醫(yī)療科技有限公司研發(fā)部負責人。

長期從事金屬注射成形新工藝、粉末冶金和新材料的研發(fā)工作。2010年獲國外全額獎學金赴新西蘭攻讀博士學位。作為項目組成員參與了國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目（863），新西蘭商業(yè)、創(chuàng)新和就業(yè)部項目（MBIE）等項目的工作。

在注射成形理論、粉末壓制、粉末熱加工、微創(chuàng)醫(yī)療器械、鈦合金、鐵基合金、鎳基合金等領(lǐng)域積累一定的研究工作經(jīng)驗和成果，以第一作者和通訊作者在Powder Technology, Materials& Design, Journal of Alloys and Compounds, Metallurgical and Materials Transactions A, Journal of Materials Processing Technology, Powder Metallurgy等國外知名刊物發(fā)表論文9篇。

想聽一聽婁嘉以及各路行業(yè)大咖的演講？想了解最新的行業(yè)動態(tài)？想學習新的技術(shù)研發(fā)？那就來CIMIC2017第五屆中國注塑產(chǎn)業(yè)大會吧?。?/p>

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