Passive Intermodulation (PIM) –
wenn passive Metallverbindungen unerwünschte Funksignale erzeugen

Einleitung

Passive Intermodulation (PIM) zählt zu den schwerer zu lokalisierenden Störungsursachen in Mobilfunk- und anderen Hochfrequenzanlagen. Bereits eine korrodierte Schraubverbindung oder ein beschädigter Koaxialstecker kann unter der Einwirkung mehrerer starker Sendesignale neue Frequenzen erzeugen – und damit unter Umständen den empfindlichen Empfänger einer Basisstation stören.

Wie entsteht dieses Phänomen? Welche Physik und Mathematik stecken dahinter? Und warum sagt ein PIM-Messwert von beispielsweise −153 dBc allein noch nicht aus, ob eine reale Funkstörung vorliegt?

1. Was ist passive Intermodulation?

In einem linearen System ändern sich beim Übertragen zweier Sinussignale zwar gegebenenfalls Amplituden und Phasen, ihre Frequenzen bleiben jedoch erhalten. Besitzt ein Übertragungsweg eine Nichtlinearität, können zusätzlich neue Frequenzanteile entstehen. Dieses Prinzip nutzt man gezielt in aktiven Frequenzmischern. Bei der passiven Intermodulation geschieht es unerwünscht – etwa an oxidierten Kontakten, verschmutzten Steckverbindern oder ferromagnetischen Bauteilen.

Die Energie der Mischprodukte stammt aus den vorhandenen HF-Feldern. Eine eigene Stromversorgung benötigt die PIM-Quelle nicht. Umgangssprachlich spricht man auch vom Rusty-Bolt-Effekt, dem Effekt einer rostigen Schraubverbindung.

2. Physikalische Ursachen

2.1 Mikrokontakte und Oxidschichten

Zwei scheinbar glatte Metalloberflächen berühren sich tatsächlich nur an zahlreichen winzigen Rauigkeitsspitzen. Strom fließt daher durch eng begrenzte Kontaktstellen mit erhöhter lokaler Stromdichte. Korrosion, Schmutz, geringe Kontaktkraft und temperatur- oder vibrationsbedingte Bewegungen können die elektrischen Eigenschaften verändern.

Sehr dünne Oxidschichten zwischen Metallflächen können metallisch-isolierende Kontaktstrukturen bilden. Unter geeigneten Bedingungen sind Tunnelströme durch die Barriere möglich. Eine solche Kontaktstelle kann eine nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie aufweisen und damit Frequenzen mischen. Nicht jede Oxidschicht verursacht automatisch PIM: Material, Schichtdicke, Oberflächenzustand und Anpressdruck sind ausschlaggebend.

2.2 Ferromagnetische Werkstoffe und mechanische Einflüsse

Bestimmte ferromagnetische Materialien besitzen eine nichtlineare Magnetisierungskurve und magnetische Hysterese. Auch daraus können bei starker HF-Anregung zusätzliche Frequenzanteile entstehen. Lose Befestigungen, Temperaturschwankungen und Wind können die PIM-Eigenschaften zeitlich verändern – daher erscheinen manche Störungen nur sporadisch.

2.3 Welche Rolle spielt der Skin-Effekt?

Bei hohen Frequenzen konzentriert sich der Strom in der Nähe der Leiteroberfläche. Für einen guten, nichtmagnetischen Leiter gilt näherungsweise für die Skintiefe:

δ = √[1 / (π · f · μ · σ)]

Bei Kupfer beträgt die Skintiefe bei 900 MHz ungefähr 2,2 µm. Damit gewinnen Oberflächenbeschaffenheit, Beschichtungen und Kontaktgeometrie an Bedeutung. Wichtig: Der Skin-Effekt allein erzeugt keine Intermodulation. Für PIM ist eine nichtlineare Eigenschaft erforderlich. Die Quantennatur von Tunnelkontakten und die elektromagnetische Stromverdrängung sind also zwei unterschiedliche, aber für HF-Kontakte relevante Phänomene.

3. Die Mathematik der Mischprodukte

Zwei überlagerte Sinussignale seien:

u₁(t) = A₁ · cos(2πf₁t)
u₂(t) = A₂ · cos(2πf₂t)
u(t) = u₁(t) + u₂(t)

Eine nichtlineare Kontaktstelle lässt sich in einem vereinfachten Modell durch eine Potenzreihe darstellen:

i(t) = a₁u(t) + a₂u²(t) + a₃u³(t) + …

Insbesondere der kubische Term erzeugt Intermodulationsprodukte dritter Ordnung:

u³ = u₁³ + 3u₁²u₂ + 3u₁u₂² + u₂³

Aus den gemischten Termen folgen unter anderem die Frequenzen 2f₁ − f₂ und 2f₂ − f₁. Sie liegen bei benachbarten Sendefrequenzen relativ nahe an diesen Trägern und sind deshalb in der Funktechnik besonders relevant.

Auch Harmonische und zahlreiche weitere Kombinationen können entstehen. Höhere Intermodulationsprodukte sind keine bloßen Oberwellen eines IM3-Signals, sondern eigene Mischprodukte der Nichtlinearität.

Für zwei gleich große Spannungssignale mit Spitzenamplitude A enthält das einfache kubische Modell bei 2f₁ − f₂ einen Stromanteil mit dem Betrag (3/4) · |a₃| · A³. Deshalb steigt die IM3-Amplitude im idealen kubischen Modell bei Verdopplung der Spannung um den Faktor acht. Reale PIM-Kontakte können deutlich von diesem idealisierten Leistungsgesetz abweichen; eine Umrechnung zwischen verschiedenen Prüfleistungen ist nicht ohne Weiteres zulässig.

4. Rechenbeispiel im europäischen 900-MHz-Mobilfunkband

Das klassische GSM-900-Spektrum verwendet für die Basisstation den Empfangsbereich 890–915 MHz und den Sendebereich 935–960 MHz. Mit E-GSM 900 werden diese Bereiche nach unten auf 880–915 MHz (Uplink) beziehungsweise 925–960 MHz (Downlink) erweitert. Hier betrachten wir das erweiterte Band und wählen bewusst die Randfrequenzen als didaktisches Beispiel – nicht als Behauptung über eine bestimmte reale Betreiberkonfiguration.

f₁ = 925 MHz
f₂ = 960 MHz

Das untere IM3-Produkt liegt bei:

fIM3 = 2 · 925 MHz − 960 MHz = 890 MHz

Das obere IM3-Produkt liegt bei:

fIM3 = 2 · 960 MHz − 925 MHz = 995 MHz

Das erste Produkt liegt im Empfangsband der Basisstation. Ob und wie stark es stört, entscheidet aber nicht die Frequenz allein, sondern auch seine Leistung und spektrale Überlappung mit dem Nutzsignal.

5. dBm und dBc – zwei Größen, die man nicht verwechseln darf

dBm gibt einen absoluten Leistungspegel bezogen auf 1 mW an. dBc beschreibt dagegen den Abstand zu einem definierten Trägerpegel. Bei PIM-Prüfungen wird der relative Wert üblicherweise auf einen der beiden gleich starken Prüfträger bezogen.

Ein verbreitetes Testbeispiel verwendet zwei Sinusträger zu jeweils 20 W:

10 · log₁₀(20.000 mW / 1 mW) ≈ +43 dBm

Nehmen wir einen gemessenen PIM-Pegel von −153 dBc an:

PPIM = +43 dBm − 153 dB = −110 dBm

Ein gemessener PIM Pegel von −153 dBc bedeutet keineswegs −153 dBm. Und −110 dBm ist nicht automatisch eine vernachlässigbare Störleistung. Die Messung beschreibt zunächst das Produkt am definierten Messanschluss, nicht zwangsläufig am Eingang des realen Empfängers.

6. Entscheidend ist das Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal

6.1 GSM-Referenzempfindlichkeit richtig einordnen

Die GSM-Spezifikation 3GPP TS 45.005 / ETSI TS 145 005 nennt für eine normale GSM-900-Basisstation einen Referenzempfindlichkeitspegel von −104 dBm. Dies ist eine standardisierte Anforderung unter definierten Prüfbedingungen, kein universeller physikalischer Grenzwert und keine Aussage über jedes reale Gerät. Ein Empfänger kann in der Praxis empfindlicher sein.

Ein angenommener Pegel von −120 dBm wäre 16 dB schwächer als diese Referenzempfindlichkeit. Solche Werte dürfen nicht ohne Prüfung von Bandbreite, Empfangsstandard und Fehlerkriterium miteinander verglichen werden.

6.2 Zwei Zahlenbeispiele

Fall A: Das Nutzsignal liegt bei −104 dBm, die im gleichen Empfangskanal wirksame PIM-Störleistung bei −110 dBm. Dann gilt:

C/I = PNutz − PStörung = −104 dBm − (−110 dBm) = +6 dB

Fall B: Ein besonders schwaches Nutzsignal läge hypothetisch bei −120 dBm, die Störung weiterhin bei −110 dBm. Dann wäre:

C/I = −120 dBm − (−110 dBm) = −10 dB

Die PIM-Störung wäre im zweiten Fall 10 dB stärker als das Nutzsignal.  Ob die Verbindung tatsächlich ausfällt, hängt vom geforderten C/I beziehungsweise SINR, Kanalmodell und Demodulator ab – ein vereinfachter C/I-Wert allein liefert noch keine eindeutige Fehlerwahrscheinlichkeit.

6.3 Vergleich bei verschiedenen PIM-Pegeln

Unter der ausdrücklich vereinfachten Annahme, dass die jeweilige PIM-Leistung vollständig als Störung im gleichen GSM-Empfangskanal und am Empfängereingang anliegt, ergibt sich bei einem Nutzsignal von −104 dBm folgende Tabelle:

Wichtig für die Interpretation: Diese Tabelle dient der Pegelrechnung, nicht als allgemeine GSM-PIM-Grenzwerttabelle. Sie berücksichtigt weder thermisches Rauschen noch andere Interferenzen oder zusätzliche Dämpfungen. Bei breitbandiger LTE-/5G-Anregung muss die in die konkrete Empfangsbandbreite fallende Störleistung integriert werden; ein einziger Gesamtsummenpegel reicht dann nicht.

6.4 Warum der Messwert am Prüfling noch keine Störung am Empfänger beweist

Ein Low-PIM-Prüfwert hängt von Prüffrequenzen, Leistung, Messrichtung, Messanschluss und Aufbau ab. In einer realen Anlage können beispielsweise ein Duplexfilter, Kabelverluste, Antennenkopplung und der Rückweg einer externen PIM-Quelle die am Empfängereingang ankommende Störleistung reduzieren oder verändern.

Eine nützliche vereinfachte Leistungsbilanz lautet:

PPIM,RX = PPIM,Bezug − LÜbertragung

Dabei fasst LÜbertragung die Verluste zwischen dem definierten PIM-Bezugspunkt und dem Empfängereingang zusammen. Bei externen Quellen ist die Kopplung in Wirklichkeit frequenz- und richtungsabhängig; das einfache Modell ist dann nur eine Näherung.

Beispiel: Beträgt die tatsächlich wirksame Dämpfung 20 dB, dann werden aus −110 dBm am Bezugspunkt ungefähr −130 dBm am Empfängereingang. Gegenüber einem Nutzsignal von −104 dBm entspräche das C/I = 26 dB (ohne weitere Störquellen). Damit wird deutlich: Die Aussage „−153 dBc stört“ ist genauso unzulässig wie die pauschale Aussage „−153 dBc kann nicht stören“.

7. Interne und externe PIM-Quellen

7.1 Interne PIM

Interne PIM entsteht im HF-Signalweg, etwa durch defekte oder unzureichend angezogene Koaxialsteckverbinder, ungeeignete Materialpaarungen, beschädigte Antennenelemente, fehlerhafte Kabelanschlüsse oder Verunreinigungen.

7.2 Externe PIM

Externe PIM entsteht an Metallkonstruktionen im Antennenfeld. Beispiele sind korrodierte Schraubverbindungen am Mast, lose Dachbleche, Metallzäune, Klemmen oder Befestigungselemente. Ihre Mischprodukte können über den Funkweg wieder in die Empfangsantenne einkoppeln. Solche Quellen sind besonders schwer zu lokalisieren.

8. Wie wird PIM gemessen?

Ein PIM-Messplatz speist zwei leistungsstarke, sehr spektral reine Prüfsignale in den Prüfling. Empfindliche Filter und ein Messempfänger erfassen das unerwünschte Mischprodukt, häufig IM3. Ein verbreitetes Prüfbeispiel verwendet 2 × 20 W beziehungsweise ungefähr +43 dBm je Träger.

Das Messsystem selbst muss deutlich PIM-ärmer als der Prüfling sein. Andernfalls können Adapter, Steckverbinder oder Kabel des Messaufbaus die Ergebnisse verfälschen. Die Normenreihe IEC 62037 beschreibt Anforderungen und Methoden für solche Messungen.

Bei geeigneten Geräten kann ein Distance-to-PIM-Verfahren helfen, die Position einer nichtlinearen Stelle entlang eines Zuleitungssystems einzugrenzen. Bei externer PIM sind ergänzende Prüfungen der örtlichen Metallkonstruktionen und der Antennenanregung erforderlich.

9. PIM vermeiden und bei Störungen vorgehen

1. Geeignete, für geringe PIM spezifizierte Steckverbinder, Antennen und HF-Komponenten verwenden.
2. Montagevorgaben und korrekte Anzugsdrehmomente einhalten.
3. Kontaktflächen vor Korrosion und Feuchtigkeit schützen sowie unnötige Übergänge vermeiden.
4. Metallteile im starken Antennenfeld mechanisch sicher befestigen und problematische Materialkombinationen vermeiden.
5. Bei wiederkehrenden Störungen das betroffene Empfangsband spektral untersuchen, die Intermodulationsfrequenzen berechnen und anschließend schrittweise Komponenten beziehungsweise externe Quellen eingrenzen.

Ein geringer Gleichstrom-Übergangswiderstand oder ein gutes VSWR garantiert keine geringe passive Intermodulation. Eine HF-Verbindung kann in beiden Messgrößen unauffällig sein und dennoch nichtlineare Mischprodukte erzeugen.

10. PIM bei LTE und 5G

Bei LTE und 5G können mehrere Träger und breitbandige Modulationen gleichzeitig auftreten. Ihre nichtlineare Überlagerung kann komplexe, spektral verbreiterte Intermodulationsprodukte erzeugen. Fallen solche Anteile in Empfangsressourcen, können sie den Interferenzpegel erhöhen, den SINR verschlechtern und die nutzbare Datenrate reduzieren.

Eine seriöse Beurteilung erfordert deshalb stets die Frequenzlage, die tatsächlich belegte Störbandbreite, die Leistung am Empfängereingang und den jeweils erforderlichen Qualitätsmaßstab des Funksystems.

Fazit

Passive Intermodulation zeigt, wie komplex sich scheinbar einfache Metallverbindungen bei hoher HF-Leistung verhalten können. Mikroskopische, oxidierte Kontaktstellen oder bestimmte ferromagnetische Bauteile reichen unter Umständen aus, um aus mehreren Sendesignalen unerwünschte Mischprodukte zu erzeugen.

Die zentrale Erkenntnis für die Praxis lautet: Ein PIM-Wert in dBc ist zunächst eine Messgröße und noch kein Beweis für eine bestimmte Empfangsstörung. Erst die Umrechnung in einen absoluten Pegel, die Berücksichtigung der Kopplungsverhältnisse und der Vergleich mit Nutzsignal, Rauschen und Empfangsanforderungen erlauben eine fundierte Bewertung.

Weiterführende Quellen

• ETSI TS 145 005 / 3GPP TS 45.005 – Radio transmission and reception; Abschnitt zur Referenzempfindlichkeit von Basisstationen.
• IEC 62037-1:2025 – Passive RF and microwave devices, intermodulation level measurement.
• Microwave Journal: Passive Intermodulation Characteristics – technische Diskussion der PIM-Pegel und des 2×20-W-Prüfbeispiels.

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