大功率微波部件多載波無源互調分析與實驗驗證

魏煥，王新波，白鶴，崔萬照

中國空間技術研究院 西安分院 空間微波技術重點實驗室，西安 710100

現代通信系統(如衛星通信系統、移動通信網絡和航空電子系統)，由于發射天線同時也作為接收天線使用(收發雙工)，或者至少發射天線位于接收天線附近，大功率發射機和高靈敏度接收機處于有限空間內，結果產生了一種必須加以抑制的新的互調干擾源—無源互調(passive intermodulation, PIM)。由于發射系統中各種無源部件都存在一定程度的非線性特性，在大功率、多通道系統中，這些無源部件的非線性會產生比工作頻率更高次的諧波，諧波與工作頻率混合會產生一組新的頻率，最終在空中產生一組干擾頻譜影響正常的通信[1-2]。以發射兩個載波為例，由于微波無源部件的非線性導致載波信號相互調制，產生載波頻率的組合產物落入接收通帶內造成干擾的現象。衛星通信系統受平臺空間限制要求收發共用，同時衛星通信中對PIM要求比地面高很多，如典型值地面PIM要求2×43@153 dBc，衛星通信PIM要求2×53@193 dBc，即衛星通信比地面通信對PIM的要求高40 dB，更加嚴格[3-4]。

隨著新一代衛星載荷技術向更高功率、更寬頻段、更高靈敏度接收的方向發展，衛星系統工作性能的可靠性備受關注。當輸入功率增大時，產生的PIM功率電平也會相應增大，對通信系統造成的干擾就會更加嚴重，一旦發生輕則使接收系統信噪比降低，誤碼率升高，影響整個通信系統的正常工作，嚴重時互調產物淹沒接收信號，導致通道阻塞，通信中斷，使整個系統處于癱瘓狀態。

常見的PIM分析通常用兩個載波分析部件或者系統PIM，而實際移動通信系統工作中往往是多路載波同時工作[5]，工程中一般采用總輸入功率相同的兩個邊頻載波的PIM估算多載波PIM。工程中采用雙載波近似分析多載波的依據是：1)輸入總功率相同條件下，多載波是兩個邊頻載波功率展開分布，單個頻率點輸入功率電平較低；2)低階PIM通常比高階PIM的量值高多個數量級，兩個邊頻產生的PIM落入接收帶內的PIM階數比多載波的低，在不考慮多載波相位分布和相同頻率點不同類型PIM疊加的條件下，這種近似分析可以簡化分析與試驗驗證。

國內外已開展了多載波PIM分析研究，對多載波PIM階數與類型進行了分析計算[6-7],同時采用實驗研究了多載波貢獻載波對PIM功率電平的影響[8-9]。本文提出了多載波PIM頻率與系數組合計算分析方法，采用非線性模型對多載波PIM進行了估算[10-11]，可為大功率微波部件PIM分析設計提供指導。

1 多載波PIM分析

多載波PIM分為兩種情況：同一頻段內多個載波產生PIM和多個頻段之間的PIM。對于這兩種多載波PIM分析方法有所不同：1)同一頻段內多載波PIM通常采用上邊頻(f1)與下邊頻(f2)兩個頻率PIM的分析測量來等效計算頻帶內多個載波的PIM問題，移動通信頻段內PIM如圖1所示；2)移動通信系統間的PIM如圖2所示，衛星通信多個子系統之間的干擾如表1所示，一般采用合理的頻率規劃來避免多載波PIM。

圖1 移動通信系統內的PIMFig.1 PIM in a mobile communication system

圖2 移動通信系統間的PIMFig.2 PIM among mobile communication systems

表1 衛星典型頻率組合與PIM階數[12]

2 多載波PIM分析方法

對于多載波PIM分析方法主要包含兩個方面，一是PIM頻率分布及類型的確定，二是PIM功率電平的確定。

2.1 多載波PIM頻率分布及階數的計算

由表2和表3可以看出，多載波PIM數量多，相同階數的PIM可對應多個PIM頻率點，且包含至少一個載波系數組合，即不同階數、PIM頻率點、貢獻載波數(系數組合中非零項的總和即為對應頻點PIM貢獻載波的數量)、PIM數量這4個因素共同交織在一起構成了多載波PIM的復雜性。

根據文獻[13]分析，相同PIM階數、不同頻率點的PIM功率電平，由于貢獻載波數不同導致PIM功率電平分布在較寬范圍。因此，在實際的頻率設計中，對于PIM需要考慮3個方面。第一，計算接收頻帶內PIM頻率點的分布與PIM階數；第二，找出PIM階數最低的頻率點；第三，計算PIM階數最低頻率點的PIM功率電平，判斷其是否滿足設計指標要求。

對于發射載波等間隔分布與非等間隔分布兩種情況，還需要詳細計算PIM頻率點的分布、PIM階數和貢獻載波數。因此，對于接收靈敏度要求高的系統應詳細分析多載波PIM頻率及分布。

表2 PIM階數與對應的互調數量

表3 3階PIM頻率分布與對應的系數組合

2.2 多載波PIM功率電平的確定

通常情況下，確定多載波PIM功率電平有兩種途徑。一種是直接測試，搭建多載波PIM測試系統，按照第2.1小節方法計算多載波PIM頻率分布，實驗測量多載波對應的PIM頻率分布點的功率電平；另一種是通過雙載波實驗測量來分析計算多載波PIM電平。

近年來，研究者提出通過雙載波測量估算多載波PIM電平的方法：一種是通過雙載波PIM測量數據，再采用合適的PIM非線性計算模型預測多載波PIM功率電平[14-17]；另一種是通過輸入與多載波總功率相等的兩路載波測量PIM功率電平，再留有一定系統設計余量保證多載波系統PIM問題不會發生。兩種多載波PIM功率電平確定方法優缺點如表4所示。

表4 多載波PIM電平確定方法總結

目前的方法都存在一個普遍問題，即實驗或者計算過程中沒有考慮多載波輸入信號相位分布問題，這有兩方面原因：1)實驗測試中增加輸入多載波信號相位控制功能對測試試驗系統要求較高，實現難度大大增加，而出現某種相位組合條件PIM功率電平的時間相對較短，且對系統不會產生危害性影響；2)多載波PIM功率電平隨發射載波相位變化分布范圍相對較大，但隨相位變化分布的變化范圍與隨PIM階數的變化相比可以折中考慮，實際中采用雙載波輸入總功率與多載波輸入總功率相等的條件進行實驗測試一般就可以滿足指標要求。

3 實驗驗證

對TNC雙陰連接器開展輸入總功率相同條件下兩路和四路載波的PIM試驗。兩路波頻率設定為2.16 GHz和2.205 GHz，4載波頻率設定為2.16 GHz、2.175 GHz、2.19 GHz和2.205 GHz，接收頻帶為[2.04 GHz,2.08 GHz]，輸入總功率50 dBm。

對于兩路載波輸入，接收頻帶內產生1個PIM頻點，即2.07 GHz；對于4路載波輸入，接收頻帶內共產生9個PIM頻率點，即2.04 GHz、2.045 GHz、2.05 GHz、2.055 GHz、2.06 GHz、2.065 GHz、2.07 GHz、2.075 GHz和2.08 GHz。設定4載波PIM計算接收帶內最高PIM階數為9階時，共產生40個4路載波系數組合。考慮PIM系統中5階及其更高階數的檢測靈敏度達-140 dBm，表5列出了系統可檢測到的PIM功率電平的頻率點和對應的系數組合。

表5 PIM頻率點及系數組合

由表5可以看出4路波系數組合復雜，同一個PIM頻率點包含多個階數的PIM，且貢獻載波不同，不同類型的PIM相互疊加在一起。分析接收帶內3個可檢測的PIM頻率點，可以看出兩路載波在2.07 GHz處產生1個5階PIM；4路載波分別在2.04 GHz處產生1個7階PIM和1個9階PIM，且均為3個貢獻載波，在2.055 GHz處共產生4個7階PIM，包含3個貢獻載波和4個貢獻載波的組合，在2.07 GHz處產生1個包含2個貢獻載波的5階PIM、2個包含3個與4個貢獻載波的7階PIM、1個包含3個貢獻載波的9階PIM。

采用文獻[11]出的復合指數非線性模型計算PIM，采用TNC雙陰連接器的雙載波測量數據估計PIM非線性模型參數，根據非線性模型計算接收帶內4載波PIM電平。圖3給出了計算和實驗結果，可以看出接收頻帶內雙載波PIM功率電平最高，非線性模型計算4載波功率電平與實驗測試結果誤差最大值小于5 dB。結合表5的分析與圖3的結果可以看出：接收帶內最低階PIM相同的條件下，輸入總功率相同時兩路載波PIM功率電平比4路載波功率電平高。初步分析是由于4路載波PIM功率在接收帶內PIM功率分散在不同頻率點上，且可能包含4路載波相位等因素導致其PIM功率電平相對較低。

圖3 TNC雙陰連接器PIM測試結果Fig.3 Test result of TNC-KK Connector on PIM

4 結束語

根據本文提出的PIM頻率及分布類型分析方法，可計算多載波PIM具體分布，其方法簡單；結合非線性模型可以預測接收頻帶內PIM功率電平，可對多載波系統的PIM作初步評估。實驗和計算結果表明，在不考慮多載波相位分布條件下，接收頻帶內雙載波PIM功率電平比多載波高。但隨著載波數量的增加，接收頻帶內多載波產生的PIM會更加復雜，考慮多載波PIM測試實驗平臺的成本和復雜度，采用雙載波等效驗證實驗來評估PIM需充分考慮系統載波數，通過計算評估等效實驗可靠性。