التضمين البيني السلبي - Passive Intermodulation

تجعل اتصالات البيانات الرقمية عالية السرعة اختبار (PIM) أمراً بالغ الأهمية، ومع نمو استخدام الخلية والإنتاجية تزداد قوة الذروة التي تنتجها التعديلات الرقمية الجديدة بشكل كبير، ممّا يساهم بشكل كبير في مشاكل (PIM) حيث أظهرت التجارب في الموقع انخفاضاً كبيراً في سرعات التنزيل المرتبطة بزيادات طفيفة في (PIM) حيث كشفت اختبارات القيادة عن انخفاض تقريبي بنسبة (18%) في سرعة التنزيل عند زيادة مستوى (PIM) المتبقي من (-125 ديسيبل ميلي) إلى (-105 ديسيبل ميلي واط).

ما هو التضمين البيني السلبي – Passive Intermodulation؟

التضمين البيني السلبي (PIM): هو شكل من أشكال تشويه التضمين البيني الذي يمكن أن يحدث في حالة عدم وجود مكونات نشطة حيث ينشأ من عمل المكونات أو العناصر السلبية التي لها استجابات غير خطية لأي إشارات، كما يحدث التضمين البيني السلبي عند وجود إشارتين أو أكثر في جهاز أو عنصر سلبي غير خطي، وتختلط الإشارات أو تتكاثر مع بعضها البعض لتوليد إشارات أخرى مرتبطة بالإشارات الأولى.

طبيعة التضمين البيني السلبي (PIM) هو أنّه يحدث في العناصر التي من المتوقع أن تعمل بطريقة خطية، وعادةً لا يُطلق على أي خلط أو مضاعفة في مكونات الصمام الثنائي في الدوائر اسم (PIM) لأنّ الخلط مطلوب عموماً ومن المتوقع أن تكون الثنائيات في مكانها، ويكون التضمين البيني السلبي عادةً نتيجة التوليد الزائف للخطية وقد يحدث عادةً في الموصلات والمفاتيح والعوازل المماثلة حيث تتسبب الأكسدة أو التأثيرات الأخرى في توليد اللاخطية.

يمكن إنشاء (PIM) من خلال مجموعة متنوعة من المكونات والأشياء من الموصلات المحورية إلى الكابلات وحتى البراغي الصدئة أو أي مفصل تحدث فيه معادن غير متشابهة وحتى بعض المكونات الخطية عادةً قد تولد (PIM)، ويمكن أن ينتج عن (PIM) تداخل وهذا يمكن أن يخفي أحياناً الإشارة المطلوبة، وغالباً ما يكون من الضروري محاولة إزالة العنصر الذي يولد التضمين البيني المنفعل بحيث يمكن إزالة التداخل الناتج.

تتبع مُنتجات التضمين البيني السلبي الناتجة عن اللاخطية نفس مبادئ مُنتجات التضمين المطلوبة في الخلاط حيث وجد أنّ التوافقيات المختلفة لترددات الإدخال تختلط معاً لتشكيل مُنتجات يمكن أن تبقى ضمن نطاق التشغيل المطلوب، أمّا في أبراج الإرسال عالية الطاقة وجد أنّ البراغي سوف تصدأ بعد فترة وأنّ الأكسيد سوف يعطي تقاطعاً غير خطي من شأنه أن يولد تضميناً داخلياً سلبياً حيث يُطلق على هذا التأثير أحياناً اسم تأثير الترباس الصدئ.

أساسيات التضمين البيني السلبي:

يتطلب التعديل البيني السلبي وجود إشارتين، فإذا كانت الإشارتان هما (F1 وF2) فيمكن أن تحدث نواتج التضمين البيني بترددات (±M*f1) أو (±N*f2)، وعند الإشارة إلى مُنتجات التضمين البيني غالباً ما يتم ذكر ترتيب المنتجات، وهو عدد المرات التي يتم فيها ضرب مُنتج داخل الناتج.

قد لا يكون توليد التضمين البيني السلبي إشارات (PIM) الزائفة مشكلة إذا كانت الإشارات لا تتداخل مع المستخدمين الآخرين للنظام نفسه حيث هناك عدة مرات يمكن أن تتداخل فيها هذه الإشارات مع المستخدمين الآخرين، في حالة مٌنتجات التضمين البيني المنفعل تكون المستويات عادةً منخفضة نسبياً لذا يقتصر التداخل على المستخدمين المحليين أو النظام نفسه.

إذا تم تطبيق تعديل على الترددين الأوليين فسيشغلان عرض نطاق أكبر من مجرد موجة حاملة واحدة غير مشكلة، أمّا عندما تصبح طلبات مُنتج التضمين أعلى ينتشر التعديل بشكل أكبر ويمكن أن يؤدي إلى مستوى ضوضاء خلفية شامل يمكن أن يؤدي إلى تدهور الأداء.

مستويات PIM النموذجية وأهميتها:

دائماً ما يكون التضمين البيني السلبي تأثيراً صغيراً ينشأ من حقيقة أنّه يحدث بسبب عدم خطية زائفة صغيرة، وقد تكون مستويات الإشارة النموذجية (100 ديسيبل) لأسفل على مستويات الإشارات التي تؤدي إلى مُنتجات (PIM)، والدوائر النشطة مثل مكبرات الصوت وما شابه ذلك تولد مستويات أعلى بكثير من التضمين البيني وأشكال التشويه الأخرى، ومع ذلك يمكن إزالته عن طريق التصفية وفي الحالات التي يحدث فيها التضمين البيني السلبي قد لا يكون هذا هو الحال دائماً.

أحد المجالات الرئيسية التي يمثل فيها التضمين البيني المنفعل مشكلة رئيسية هي الأنظمة التي يستخدم فيها كل من المرسل (Tx) والمستقبل (Rx) نفس الهوائي، ويستخدمون وحدة تغذية مشتركة في العديد من الأنظمة حيث يعمل المرسل والمستقبل في وقت واحد باستخدام نظام مزدوج حيث يستخدم المرسل والمستقبل ترددات مختلفة.

يمكن ترشيح إشارة جهاز الإرسال وتقليلها إلى مستوى لا تؤثر فيه على جهاز الاستقبال، كما سيمنع مُجمِّع الإشارة المباشرة من وصول جهاز الإرسال إلى جهاز الاستقبال، ومع ذلك فإنّ أي تضمين بيني سلبي يحدث بعد دمج مسارات الإشارة، فعلى سبيل المثال في وحدة التغذية أو الهوائي سوف يسبب مشكلة كبيرة، كما يمكن أن تؤدي مُنتجات التضمين البيني السلبي إلى ظهور إشارات غير مرغوب فيها داخل نطاق الاستقبال حتى ضوضاء جهاز الإرسال يمكن أن تسبب مشكلة.

حتى إذا كانت نواتج التضمين البيني المنفعل أقل بمقدار (100 ديسيبل) أو حتى (120 ديسيبل) على الإشارة المرسلة، فإنّ هذه المستويات لا تزال كافية للتسبب في ضعف أداء المستقبل إذا كانت المُنتجات تقع ضمن نطاق الاستقبال، كما تتضمن أمثلة الأنظمة التي يستخدم فيها جهاز الإرسال والاستقبال نفس المغذي والهوائي محطات القاعدة الخلوية وأنظمة الأقمار الصناعية وأنظمة الراديو أو اللاسلكية الأخرى حيث يلزم الإرسال المزدوج أي الإرسال المتزامن في كلا الاتجاهين ولكن على ترددات مختلفة.

أسباب التضمين البيني السلبي:

تحدث تأثيرات التضمين البيني السلبي كنتيجة لحدوث عدم خطية بواسطة إشارتين أو أكثر حيث يمكن أن تؤدي مجموعة متنوعة من الحالات إلى ظهور غير خطي يمكن أن يسبب تأثيرات (PIM)، كما تشمل أكثرها شيوعاً ما يلي:

• المفاصل التي تلتقي فيها المعادن غير المتشابهة وتتأكسد حيث تحدث تحويل المفصل إلى منطقة تظهر بعض تأثيرات الصمام الثنائي.

• الموصلات المحورية وغالباً ما تكون الموصلات عرضة للأكسدة، فمثلاً الموصلات مطلية بالفضة خاصة يتم إنشاء أكسيد الفضة نتيجة للعوامل الجوية أو حتى مجرد تقدم العمر حيث يشكل أكسيد الفضة صماماً ثنائياً ممتازاً يؤدي إلى تضمين بيني سلبي.

لذلك يجب أن تكون الموصلات مكونات عالية الجودة وأن يتم تجميعها بشكل صحيح ومقاومة للماء جيداً إذا كان سيتم استخدامها خارجياً، ولكن حتى ذلك الحين تتدهور مع مرور الوقت حيث أنّ الاتصالات التي تم إجراؤها باستخدام موصلات رديئة أو تم تجميع الموصلات بشكل سيئ، ستولد مستويات أعلى من التضمين البيني السلبي بشكل أسرع.

• خطوط التغذية حيث تولد المغذيات مثل المغذيات المحورية مستويات من التضمين البيني السلبي، كما يوفر الجديل الموجود في الموصل الخارجي العديد من الواجهات المعدنية التي يمكن من خلالها إنشاء التضمين البيني السلبي، حتى إذا تم استخدام الرقائق فهناك واجهات بين البناء متعدد الطبقات للجرح المعدني حول العازل.

بالنسبة للتطبيقات التي يكون فيها التضمين البيني السلبي مهماً، يمكن شراء المحاكاة ذات الأداء الجيد (PIM) وقد تضمن بعض الشركات المصنعة مستويات أقل من مستوى معين، فعلى سبيل المثال (-140 ديسيبل) وإن كان بتكلفة أعلى بكثير.

• يمكن أن تتسبب الوصلات الفضفاضة ومناطق التلامس غير المنتظمة على نطاق مجهري في تدفق غير متسق للتيار وتوليد مجالات كهرومغناطيسية غير متجانسة.

• الوصلات المتسخة حيث يجب فحص أي مناطق قد تتجمع فيها الأوساخ وتتسبب في تدهور الوصلات.

• التأثيرات الأنودية العامة حيث يحدث هذا عادةً عندما يحدث دخول الماء أو حتى الرطوبة فقط، كما يمكن أن يؤدي استخدام المعادن المغناطيسية مثل الحديد والنيكل الصلب إلى تضمين بيني سلبي، كما تظهر هذه المعادن تأثيرات التخلفية المغناطيسية عند استخدام الطاقة ممّا يعني أنّ مستوى الإشارة الناتج يعتمد حتى إلى درجة صغيرة على مستوى الإدخال ومن ثم فإن هذا تأثير غير خطي.

• يمكن أن يؤدي تفريغ الشرارة إلى تضمين بيني سلبي وسوف تتسبب الشرارة في تكوين الحفر وبعض الأكسدة التي ستولد تأثير الصمام الثنائي، كما يمكن أن تُنتج الشرر عن ضعف التوصيلات أو حتى التوصيل الساخن أو فصل الموصل.

أسباب صعوبة تحديد موقع التضمين البيني السلبي:

• عادةً ما تكون مستويات (PIM) منخفضة وعند مستويات الطاقة المنخفضة، وقد تنخفض مُنتجات التضمين البيني السلبي إلى ما دون مستوى الضوضاء الحرارية.

• قد لا يتم وضع ضغط كافٍ في أي مادة معنية، وإذا نشأ التضمين البيني السلبي من تأثير التخلفية، فقد لا تكون إشارة التنشيط كبيرة بما يكفي لدفع المادة حول حلقة التخلفية الخاصة بها.

كيفية منع حدوث التضمين البيني السلبي:

• الفحص: عندما تكون الموصلات منفصلة فيجب فحصها بحثاً عن التلف المادي، كما يجب ألّا يكون عنصر الموصل الأوسط مفكوكاً وألّا يكون به خدوش مرئية، وقد يسمح أي ضرر أو تلوث بحدوث انحناء دقيق أو تأثير الصمام الثنائي، ممّا يتسبب في مستوى معين من (PIM).

• عدم استخدام موصلات تالفة: دائماً يمثل ارتداء الموصلات مشكلة حيث يمكن أن تؤدي دورات التوصيل أو الانفصال المتكررة إلى التآكل، كما يحدد المصنعون عدد دورات الإلتفاف التي يمكنهم ضمانها، وعلى وجه الخصوص تلك التي تحتاج إلى إحكام ربطها بعزم دوران معين سيكون لها عدد أقل من الدورات المسموح بها، ولا تستطيع بعض الأجهزة التعامل مع أكثر من بضع دورات عزم كاملة ويجب توخي الحذر حتى لا يكون الجهاز تالفاً تقنياً حتى قبل تثبيته.

من أجل التثبيت الدائم الأمثل تكون تصميمات الموصل قليلة جداً قادرة على التعامل مع أكثر من دورتين قبل فك قاعدة الموصل من الهيكل المعدني، كما يؤدي إلى فشل الهوائي في أي اختبارات سلبية للتضمين البيني وسيظهر مسحاً مشكوكاً فيه للخط.

• التنظيف: من الضروري التأكد من أنّ الموصلات نظيفة بقدر الإمكان حيث أنّ الأوساخ ستؤدي إلى ظهور (PIM) على المدى القصير وأكثر من ذلك على المدى الطويل.

• عزم الدوران: يجب أن يكون عزم الدوران المناسب على الموصل وسيساعد في تقليل (PIM)، كما سيسمح عزم الدوران المنخفض بوجود فجوات و(PIM) من الموصل المركزي وسيؤدي عزم الدوران العالي إلى إتلاف الموصل المركزي، ممّا يتسبب مرة أخرى في حدوث (PIM).

غالباً ما تكون مستويات مُنتجات التضمين البيني السلبي منخفضة جداً، وإن لم يكن ذلك دائماً حيث يمكن أن يجعل من الصعب للغاية تعقبهم وتحديد هويتهم، وعادةً ما يكون من الأفضل ضمان الالتزام بالممارسات الجيدة أثناء التصنيع ثم التعرف على المناطق التي يمكن أن تسبب تضميناً بينياً سلبياً حيث إذا تعرضت الموصلات ومناطق أخرى من الإلكترونيات للطقس، فيمكن أن تكون هذه منطقة للتحقق ممّا إذا كان التضمين البيني السلبي يصبح مشكلة.