衛星無源互調抑制及測量方法研究

丁亞玲，徐云東，張玉山

（上海衛星工程研究所，上海 200240）

0 引言

當兩個或兩個以上的載波通過一飽和或接近飽和的放大器時，因通道存在非線性，會產生互調干擾。若系統采用頻分多址方式傳輸時，互調干擾可能會落入相鄰通道內，降低該通道的載噪比，此類互調稱為有源互調。在某些衛星通信系統中，一個天線同時用于發射和接收，利用雙工器分離接收信號和發射信號，此時發射部分使用的金屬——金屬接頭、鐵磁材料制成的部件、天線等部件的弱非線性同樣會引起互調干擾，此類干擾被稱為PIM。無源互調幅度較小，對發射信號幾乎不產生影響，但若這些微弱互調干擾信號通過收發共用雙工器被耦合到接收機中，則有可能會對接收通道產生嚴重影響。本文對衛星收發共用通信系統的無源互調的幅度控制和測量進行了研究。

1 無源互調產生機理

PIM是一種非線性干擾，是信號通過無源部件（如雙工器、隔離器、同軸電纜、連接器、天線、負載等）時產生的。雖然線性是無源部件的基本特性，但研究和實驗表明無源部件也有微弱的非線性（尤其是在大功率下）。產生非線性的原因有兩種：接觸非線性和材料非線性。接觸非線性是與有非線性電流電壓的金屬接觸產生，如松動、被氧化和被污染等；材料非線性是指所用的材料，如鐵磁、碳纖維、鐵、鈷、鎳、鋁等合金材料表現出非線性的電壓電流特性。在單載波系統中產生的無源互調表現為有害噪聲，多載波系統中產生的無源互調為各載波不同諧波的和頻或差頻信號以及寬帶噪聲。風云二號衛星有效載荷測量時，觀察到寬帶噪聲形式的無源互調串入衛星接收通道。

無源互調與有源互調不同：通過合理配置濾波器，可消除有源互調影響，而無源互調出現在輸出濾波器中或后面系統的微弱干擾信號，與接收信號的頻率相同，很難消除。目前，PIM產生的精確微觀機理仍不清楚，研究表明PIM產物的功率電平大小取決于部件的非線性程度。無源互調產物具有門限效應，國外研究測量表明，互調產物在輸入電平沒有達到門限值時不出現。無源互調產物隨時間發生變化，在時間上不穩定，對溫度也非常敏感，在各種測試條件下進行長期觀測，才可獲得可靠的數據。

2 PIM控制方法

雖然PIM產生原因復雜，但在設計、生產、測量和總裝四個環節中采取針對性措施，完全可能實現衛星的低PIM，具體如下。

a）解決PIM干擾最有效的方法是對收發信號通道進行獨立設計，并采取隔離措施減小PIM產物對接收通道的影響。若采用收發共用系統，高功率和低功率信號共用同一信號通道，則頻率分配就成為決定PIM的關鍵。合理選擇發射和接收頻率，使PIM的階數增高，PIM的功率電平會迅速降低。

b）避免出現可使通過導體的電流密度增大的尖銳邊緣。機械部件的連接應緊密、精確安裝，避免出現松動，避免在連接界面處出現金屬氧化物等帶有半導體特性的物質，導電面不允許存在多余物等，從而確保金屬構件間電的連續性，否則會引起無源互調干擾，嚴重時引起寬帶噪聲。高質量的焊接會使引入的PIM噪聲很小。

c）設計階段應注意：在PIM的敏感區域盡量避免使用鐵磁性材料（大量研究表明鐵磁性材料易產生PIM），這類部件主要有環形器，隔離器，定向耦合器，終端負載等。如系統必須采用上述部件，就需用高電導率材料進行涂覆。射頻部件設計時，應嚴格控制導體中電流密度的增加，可通過加大接觸的橫截面尺寸以降低電流密度。需要連接之處，盡量避免金屬表面的連接，因為在這些接觸表面可因氧化等原因形成金屬－絕緣體－金屬結（MIM），導致產生較大的PIM干擾。必須使用時，加大金屬接觸點的壓力，以保證電流流過較大的接觸面積，且壓力增大有助于突破金屬表面的氧化層并阻止其形成。在可能的條件下，采用粘接接頭，但必須保證這些接頭的質量，且無非線性材料、裂縫和腐蝕。系統中盡可能避免使用調諧螺釘，因為這種螺釘易松動或產生污染，從而產生PIM較大的產物。

d）調試裝配時，系統各部件中的螺釘、鉚釘、鉸鏈和緊固件均應去磁處理。系統調試時使用無磁工具，包括鉗子和螺絲刀。保持工作臺無金屬粉末和微粒，磁性粉末會被吸附到高場強之處，可能在系統測試期間一直寄生在射頻器件中。一般，裝配、調試過程與切削、銼削過程隔離。盡量使用整件，以降低PIM風險。精心調配，使各部件間失配為最小。

e）系統總裝時應嚴格控制工藝過程，制定裝配標準和規程。使用專業工具，包括力矩扳手等對連接器和電纜實現緊密安裝，安裝前所有電纜和連接器應進行PIM測量。

f）使用同軸電纜時，最好選用剛性屏蔽電纜；使用編織電纜時，應選用高編織密度電纜，同時避免編織物采用鐵磁材料制造，鍍銀的銅是極好的一種選擇，電纜的長度應盡可能短，特別是在電纜或波導拐彎處。

g）采取預防措施，防止器件的腐蝕：不用手觸摸金屬部件；同軸電纜安裝前應從端部開始逐一清理干凈；接插件接頭使用后應清潔，但不得將其浸入液體中，這樣會把污染物沖至難以清洗之處。

2.1 天線系統

衛星通信系統中，常有指令、信標、收／發天線等多副天線，是大功率信號發射與高靈敏度的接收通道的首要環節，而且天線反射面本身就是PIM的重要來源，因此天線系統的PIM控制至關重要。與天線系統PIM產生有關的因素有：

a）天線系統中為結構強度而使用了金屬材料，MIM會導致PIM；

b）微小裂縫、微小細絲和金屬結構中的洞等會引起PIM；

c）碳纖維及鍍層的非線性；

d）與金屬接觸處的電子隧道效應和半導體效應；

e）材料結構不均勻對電導率的影響，熱不平衡（能量）產生的粒子微觀變化；

f）天線本體與某些部件邊緣的處理過程，天線結構的鉚接工藝等因素導致PIM；

g）在連接處的氧化、生銹或腐蝕。

反射器控制板的生產制造對PIM產生至關重要。對最常用的鉚接鋁制控制板，每個鉚釘都是PIM產生的潛在因素，大型天線中該問題尤其突出，可在制造中改用膠粘解決。

高電流密度易產生互調產物。饋電通道設計是關鍵，原則上應采用整體饋電，但實際應用中幾乎不可能，可使用目前已開發的具有高接觸壓力的法蘭盤。另外，饋電副反射面的作用也不容忽視，特別是在軸對稱系統中，整個副反射面及其支持結構對PIM有很大影響，副反射面頂點處對PIM非常敏感，副反射面支承結構及附件不宜采用金屬－金屬（M－M）接觸。饋電通道設計中采用鍍銀鋁結構，可消除不同類金屬接觸和不均勻膨脹引起的接觸電勢差；極化器加工采用電子束焊接；用電火花腐蝕的單片制造技術進行饋電部件整體加工。

2.2 同軸電纜

衛星系統中使用了大量同軸電纜，作為信號傳輸通路以及在天線和通信艙內的饋電系統間起轉接作用，它們應確保有最小的群時延和損耗，在高功率多通道系統中也應保證不產生致命的PIM干擾。通信衛星中多個發射機和接收機共用一個饋源，形成共用天線工作模式，多路不同頻率占有一定帶寬的信號，通過同一傳輸電纜，會產生大量的互調產物。

同軸電纜互調干擾的主要影響因素是電纜的外編織層材料。分別用普通銅線、鍍銀銅線、鍍鎳銅線和不銹鋼線構成編織物，互調測量的結果表明：在銅線上鍍銀極大地改善了同軸電纜的非線性特性，產生的無源互調最小，未發現明顯的PIM產物；鍍鎳銅線產生的互調電平幅值較普通銅線高約13dB；不銹鋼線產生了很高的三階互調產物，電平幅值較普通銅線高約12dB；鍍鎳銅線和不銹鋼線產生的PIM幅值有可比性，且對輸入信號功率的響應曲線非常近似；在頻段L，S，C進行的相同實驗顯示，對任何材料，三個波段的無源互調電平幅值對輸入功率的響應非常相似，表明無源互調取決于編織材料的基本非線性特性；同軸電纜越長，產生的互調產物的電平幅值就越高，這是因為特定長度的電纜產生的互調產物大小由真正流過編織物接觸點的總電流決定，電纜產生的總的互調產物是電纜中每個接觸點互調產物的矢量和，即所有微觀因素積累的和的宏觀表現，因此隨著長度的增加，接觸點增多，互調產物的幅值就增大。

2.3 連接器

衛星系統中各種連接器的使用不可避免，而金屬－金屬連接器是PIM產生的重要來源，導致連接器觸點電壓電流非線性的因素有多個：半導體、電子隧道效應、電壓滯后現象、電流的飽和效應、觸點的幾何學結構等。顯微鏡下檢查連接器的細小結構，由于表面的粗糙程度可能會有單一的峰－峰接觸發生，這些峰－峰值是接觸壓力的函數，可能發生塑性變形。因此隨著接觸壓力的減小，接觸表面會蛻變為單一接觸點，此時電流密度將趨于非常大。當電流密度急劇增大時，電壓電流的關系就與歐姆定理發生極大的偏差，形成PIM。

在微波頻率下由于電流“趨膚”效應，頻率1GHz時，約90%的電荷集中在連接器表面約數微米的區域，因此射頻有效接觸表面由真實接觸表面僅僅數微米的環形帶構成。金屬表面總有由污染或氧化組成的邊界層，在接觸點處邊界層會減少射頻有效接觸表面，電流通路可能會發生變化，表面峰值點的電流可能或大或小，即使很小的差別也會導致電子隧道效應的產生。

近期，提出了一種“無接觸”連接器。它是一個雙端口網絡，傳輸損耗低，且中心導體間有空氣介質，無物理接觸。針對設計的頻率，利用四分之一波長的阻抗特性進行阻抗變換。其內、外導體用低阻值的橡膠接頭進行電氣連接，達到設計的“無接觸”，能減小無源互調。

3 PIM幅度預測

PIM是否對衛星產生危害的決定因素是其干擾的幅值。PIM的產物一般較小，隨著階次的增加幅值迅速減小。由于高靈敏度接收機的使用，要求的PIM功率電平非常小，典型值一般小于－130dBm（由通信鏈路計算確定）。直接測量此小功率電平的難度很大，有用信號易被測量系統產生的干擾淹沒。

鑒于產生PIM的因素復雜，難以建立一明確的數學模型描述其非線性，故考慮利用低階PIM幅值預測高階PIM幅值。衛星系統的無源互調是多個分量的總和，而多數部件有或強或弱的非線性，尤其是在大功率條件下。為此，建立一數學模型，假設多級聯部件中的某個部件為引起PIM的主要因素，認為系統的非線性主要在該級，其他級的部件為理想的線性器件，則可用單個傳遞函數模擬整個PIM產生過程，如圖1所示。其中，理想線性部件的關系視作常數1處理。設非線性傳遞函數可表示為

式中：Cn為依賴于非線性的一組常數；Y，X分別為變量和自變量。

圖1 無源器件非線性分析模型Fig.1 Nonlinear analysis model of passive compomemts

工程實際中，一般用雙載波信號產生無源互調產物，即輸入信號為兩個載波信號：X＝A1cosθ1＋A2cosθ2，代入式（1），可確定各階互調產物的幅值。任意奇次階2if1＋（2j＋1）f2頻率處的互調產物的幅值

三階互調產物截斷公式為Ypim3＝C3X3＋C5X5＋C7X7。測量三組三階互調數據，解三元一次方程組，即可得到C3，C5，C7，由C5，C7即能得出五階互調的幅值。同理，可預測更高階的幅值。用該法可進行任意高階PIM的幅值預測。

偶發寬帶噪聲的無源互調的幅值無法預測，需長期觀測才能確定。若系統觀測到寬帶噪聲形式的無源互調，則一般判斷其連接部位出現問題，需對連接不良處進行處理，消除此類互調干擾。

4 PIM測量方法

對設計、加工完成的通信系統，需通過測量確定PIM干擾能否達到使用要求。PIM的測量系統有多種，根據測量類型主要可分為傳輸測量法、反射測量法和輻射測量法三種。

a）傳輸測量法

原理簡單，測量系統易實現，測量原理如圖2所示。常見的雙端口微波部件的無源互調的測量可用此法。

圖2 傳輸測量法原理Fig.2 Principle of transmission measurements

b）反射測量法

可用于多數非輻射的單端口、雙端口和多端口部件PIM測量，并可用于天線本身及饋源的PIM測量，如天線、波束形成網絡、雙工器、同軸電纜、大功率負載、適配器和隔離器等。測量原理如圖3所示。

圖3 反射測量法原理Fig.3 Principle of reflection method

c）輻射測量法

可測量有能量輻射功能的部件，如喇叭、振子、螺旋、微帶天線，以及安裝了主饋源的反射面天線和陣列天線。為防止外界的電磁干擾，提高測量數據的準確性和可靠性，需將輻射部件置于吸波屏蔽暗室內。此法需用相應的接收天線檢測PIM，測量結果為輻射部件和接收天線總的PIM數值。測量原理如圖4所示。

圖4 輻射測量法原理Fig.4 Principle of radiation measurements

5 風云二號衛星轉發通道PIM測量方法

5.1 衛星工作模式

風云二號衛星運行于地球同步軌道，姿態控制為自旋穩定方式，有效載荷為掃描輻射計，可探測地球表面可見光、紅外、水汽等氣象信息。因采用自旋穩定控制，衛星掃描輻射計掃到地球的時間占衛星自旋周期內的小部分，當掃描輻射計掃描太空時可對掃描輻射計攝取的原始云圖信息作降速處理，處理后的云圖經星載數傳與云圖廣播轉發器分系統轉發后供中心站和中小氣象站接收使用，或在取圖間隙轉發測距信息和低速率信息等。云圖轉發通道如圖5所示，采用收發共用天線，輸入信號功率量級為10－11～10－7W，輸出信號功率約20W。衛星信號公共傳輸部分均為結構腔體或結構件，設計時嚴格控制無源互調水平。

圖5 風云二號衛星云圖轉發通道Fig.5 Cloud forward channel of FY－2satellite

5.2 轉發通道無源互調測試方案

風云二號衛星的發送信號頻率有7組，頻率差最大26MHz，發送信號頻率與接收信號頻率差360MHz，故發射信號的25階以上的交調才有可能落入接收通道。建立了一套風云二號衛星的無源互調測試系統，如圖6所示。具體方法如下：在衛星旋轉關節處天線安裝端口連接高頻電纜至測試設備，測試數傳與云圖轉發分系統的無源互調。因無源互調存在功率門限性，用信號源向衛星云圖轉發器輸入端發送測試信號，經衛星的變頻、放大，使衛星的功放處于飽和輸出狀態，再將信號發送到地面測試設備（頻譜儀）。若發射通道發射大功率信號激發產生無源互調耦合到衛星接收機，經傳輸通道近130dB的增益放大后，可在測試頻譜儀中明顯觀察到。整星狀態下測得轉發通道的頻譜如圖7所示。由圖可知：在通道帶寬內除測試信號外無雜散譜線，說明發射信號產生的mf1±nf2形式的互調信號均淹沒在接收機熱噪聲中。衛星測試過程中曾發現轉發信號帶寬內偶發寬帶噪聲，其間噪聲帶起伏變化，經過一段時間會恢復到正常頻譜，其中兩幅頻譜如圖8所示。該現象不同于微放電現象，因發生微放電現象，故障一直維持，直至無信號功率輸入。經排查，發現寬帶噪聲無源互調均由收發共用部分的連接狀態不良產生的。

6 結束語

本文對衛星無源互調抑制措施及測量方法進行了研究。采用收發共用設計的衛星通信系統應重視收發共用部件的無源互調控制，系統研制中在頻率分配、機械設計、電氣設計、材料結構、加工工藝和裝配過程等方面制定減小PIM的方法和措施，以確保系統的PIM不影響系統正常工作。系統研制完成后還需用合適的測試方法進行測試，驗證控制措施的有效性，確保衛星入軌后正常工作。

圖6 風云二號衛星無源互調測試系統Fig.6 PIM test system of FY－2satellite

圖7 衛星轉發信號正常頻譜Fig.7 Normal spectrum of forward signal

圖8 衛星轉發信號異常頻譜Fig.8 Abnormal spectrum of forward signal