Wireless PIM:
Wireless PIM: Komponenten, Materialien, Praxis und Test Neue Steckeroberflächen fühlen sich meist sehr glatt an und sehen auch so aus, aber das Bild ändert sich sehr schnell, wenn man sie sich unter einem Mikroskop ansieht. Wolfgang Damm AWT global www.awt-global.com Die Atomgitterbreite von Metallen beträgt häufig nicht mehr als 25 Angström (0,0000025 Millimeter). Maschinell bearbeitete Metalloberflächen erreichen natürlich nie einen solchen Glättegrad, sondern die Oberflächen sehen unter hoher Vergrößerung tatsächlich sehr rau aus. Das hat zur Folge, dass sich die Oberflächen passender Steckverbinder nur an einigen Punkten – den Unebenheiten - berühren. Das Festziehen der Stecker übt einen lokalen Druck auf diese Unebenheiten aus, wodurch sie deformiert werden. Deformation erhöht die Berührungsfläche, aber sie ist immer noch auf einige sogenannte „lasttragende“-Bereiche, genannt a-spots, begrenzt. Sie addieren sich zusammen, aber ihr Gesamtbereich ist um einige Größenordnungen kleiner als die scheinbare Kontaktfläche der Stecker. Vereinfacht, können a-Punkte durch elektrische RC-Modelle dargestellt werden, und ein passender Stecker lässt sich als Netz von Tausenden ungleicher RC- Schaltungen interpretieren. Ein derartiges Netz verhält sich nicht auf lineare Weise. Durchfließende Ströme unterschiedlicher Frequenzen werden unterschiedliche Reaktionen hervorrufen. Dies bewirkt passive Intermodulation (PIM). Strukturelle Material-Diskontinuitäten bewirken entsprechende Unterschiede im Stromfluss. Unabhängig vom verwendeten Kontaktmaterial werden Diskontinuitäten im Elektronenfluss durch folgende Einflüsse charakterisiert: • Verengungs-Widerstand – aufgrund der Biegung der Stromflusslinien in der Nähe eines a-Punktes. • Tunnel-Widerstand – ergibt sich aus der Leitung durch dünne isolierende Verschmutzungsschichten über den Tunneleffekt. • Kontakt-Kapazität - zwischen den beiden im Wesentlichen parallelen Äquipotential-Oberflächen. Die Längen der Verengungen sind sehr kurz, so dass die induktiven Effekte - verglichen mit den kapazitiven und ohmschen – deutlich kleiner sind. Skin-Effekt Als Skin- oder Hauteffekt wird die Eigenschaft des Wechselstroms bezeichnet, nicht gleichmäßig verteilt durch einen Leiterquerschnitt zu fließen, sondern speziell bei höheren Frequenzen, mehr und mehr im wesentlichen an der Oberfläche und in einer sehr dünnen Schicht darunter zu fließen, der sogenannten Hauttiefe. Der Skin-Effekt wird durch Wirbelströme bewirkt, die durch das sich stetig ändernde Magnetfeld des Wechselstroms verursacht werden. Der Effekt wird mit höheren Frequenzen immer stärker. Bei 1 Gigahertz fließen, bei einer silberbeschichteten Oberfläche ca. 98% des Stromes bis zu einer Leitertiefe von ungefähr 0,01 Millimetern. Zum Vergleich: Ein durchschnittliches Menschenhaar hat einen Durchmesser von 0,08 Millimetern, ist also nur achtmal stärker als die Hauttiefe. Diese Tatsache verdeutlicht die Wichtigkeit einer Bild 1: Ansicht einer Kontaktstelle unter dem Mikroskop, darunter ihr elektrisches Ersatzschaltbild 22 hf-praxis 9/2014
Wireless Bild 2: Stromverteilung im Leiter aufgrund des Skin-Effektes Beschichtung. Sie dient nicht nur als Schutz für den Stecker sondern leitet auch fast den gesamten Strom in HF-Anlagen. Die bemerkenswert dünne Hauttiefe der Leiter ist bei hohen Frequenzen gegen Kratzer im Material sehr empfindlich. Selbst - wenn auch nur auf einer mikroskopischen Skala - die kleinste Nut oder eine Zacke mit dem homogenen Stromfluss interferieren. Sie bewirken dadurch unerwünschte passive Intermodulation. Arbeiten mit Komponenten mit niedriger PIM Ob Stecker, Kabel oder Komponenten – Low-PIM-Komponenten sind Präzisions-Bestandteile von HF-Netzwerken. Produkte mit niedriger PIM erfordern Herstellungsverfahren, die höchsten Standards entsprechen, 100%ige Qualitätsprüfung, sorgfältige Handhabung und Versand mit ausreichendem Schutz. Diese Teile müssen auch im Feld sorgfältig behandelt werden, um eine Verschlechterung der Eigenschaften zu vermeiden bzw. sie zu beschädigen. Da Komponenten, wie z.B. Diplexer oder Lastwiderstände oft hermetisch versiegelt werden, sind ihre inneren Komponenten relativ geschützt, aber ihre Anschlüsse sind der Umwelt ausgesetzt. Das ist auch der Fall bei Kabeln. Im nächsten Abschnitt geht es daher um die Behandlung von Kabel-Anschlüssen. Zuvor noch einige prinzipielle Grundregeln für den Umgang mit Low-PIM- Komponenten: • Vermeiden Sie mechanische Beschädigung • Berühren Sie niemals die HF- Steckverbinder mit bloßen Fingern • Vermeiden Sie Fremdköper jeder Art • Vermeiden Sie Feuchtigkeit • Verm4iden Sie elektrische Beschädigung Mechanische Beschädigung Mechanischer Schaden kann durch eine Vielzahl von Ereignissen entstehen. Ein Teil fallen zu lassen ist die häufigste Ursache, aber er kann auch in der Fabrik und während des Versands bereits auftreten, wenn lose Teile aneinander stoßen. Eine weniger offensichtliche Ursache ist unsachgemäßes Festziehen des Steckers. HF-Steckverbinder sind so ausgeführt, dass sie normalerweise vollständig von Hand aufgeschraubt werden können. Schraubenschlüssel sollten daher nur für die letzten halbe Drehung verwendet werden. Wenn es zu schwer ist, die Steckverbinder von Hand zu verschrauben, dann deutet das auf ein nicht paralleles Zusammenpassen der Verbinder hin. Dies kann durch zu kurze aber auch zu lange Kabel verursacht werden, die seitwärts gerichtete Zug- oder Druckkräfte auf die Steckverbinder ausüben. Wenn sich HF-Stecker während des Zusammensteckens nicht leicht drehen, werden ihre Gewinde und verbindenden Flächen gegen die entsprechende Flächen des Gegenstücks gepresst, was extreme Reibung und sogar Verformung zur Folge haben kann. Hohe Kräfte können auch Teile der Steckerbeschichtung abbrechen. Diese leitenden Bruchstücke sind Fremdkörper, die mit dem Stromfluss im HF-Pfad interferieren und passive Intermodulationsverzerrungen verursachen. Die Geometrie der Kabel ist für ordnungsgemäße Funktion entscheidend. Kabel können durch eine externe Kraft (Verbiegung) oder zu enge Biegungsradien beschädigt werden. Eine gute und verbreitete Praxis dies zu vermeiden besteht darin, Kabelschleifen vorzusehen, um zu hohe Kräfte an den Steckern und zu enge Kabelradien zu vermeiden. Nachdem die Stecker von Hand festgedreht sind, müssen sie mit einem Drehmomentschlüssel festgedreht werden, um genau die richtige Andruckkraft einzustellen. Ist sie zu gering führt dies zu passiver Intermodulation, ist sie zu groß können sich die Kontaktflächen deformieren, was ebenfalls PIM verursacht. Fremdkörper Fremdkörper wie Staub, Schmutz oder abgeriebene „Metallchips“ von der Kontaktfläche können sehr leicht ihren Weg in den Stecker finden. Basisstationen oder hausinterne Installationen sind niemals staubfrei, und Staub- und Schmutzkerne sind schwierig zu vermeiden. Schutzkappen auf Steckern sind schon eine gute Hilfe. Vor dem Zusammenpassen empfiehlt es sich, die Stecker immer mit Alkohol abzuwischen und sie mit feuchtefreier Luft aus einer Spraydose zu trocknen. Dies sollte man in regelmäßigen Abständen durchführen. Stecker-Abnutzung Steckerabnutzung ist ein Problem, das Testgeräte einschließlich PIM-Analysatoren, Prüfkabel und Abschlüsse mit niedriger PIM betrifft. Es ist weniger bedeutend bei Feldeinbau, weil Stecker mit niedriger PIM meist nur einige Male zusammengepasst werden, z.B. für die erste Systemmessungen und für den abschließenden Zusammenbau. Testgeräte dagegen sind im permanenten Gebrauch und müssen viele Steckzyklen aushalten. Hersteller garantieren typisch 500 Steckzyklen mit gleichbleibenden PIM-Werten, bevor die Stecker sich verschlechtern. Der Grund ist nicht niedrige Qualität sondern die Tatsache, dass Unebenheiten nur eine begrenzte Anzahl von Deformationsschleifen vertragen können. Außerdem verringert die mechanische Bild 3: Scheinbar saubere Kontaktstelle in einem N-Stecker: Unter dem Mikroskop sind jedoch zahlreiche Fremdkörper zu erkennen. hf-praxis 9/2014 23
