舰船通信系统的无源互调研究

引言

　　在通信系统中，当两个或两个以上的射频信号通过非线性特性的器件传输时，合成信号中会产生互调产物（Intermodulation Product，IMP）。当这些互调产物落人邻近工作的接收机通带内时，就会形成寄生干扰。

　　在舰载通信链路中，由发射机和接收机产生的有源互调干扰，可通过适当的系统隔离控制其最小化，而无源非线性引起的PIM通常不能采用同样的方法加以抑制。理论上讲，无源线性系统不产生新的频率分量。但是，实际上非线性变化在无源传输系统中是不可避免的，只是当载波信号较小时，非线性产生的无源互调产物（Passive Intermodulation Product，PIMP）所引起的无源互调干扰（Passive Intermodulation Interference，PIMI）不大，而不为人们所注意而已。但当载波信号较大时，这种互调干扰就较明显了。PIMP通常在多载波通信环境中产生，典型的如共用宽带天馈系统的船载通信系统、地面移动通信基站及卫星地面接收站等，特别是要求大功率发射系统和高灵敏度接收系统同时存在于有限空间的舰船通信系统，其客观存在的PIMI已不容忽视。

　　1 无源互调概论

　　历史上，PIM现象首先是在要求收发天线共存于有限空间的舰船上观察到的——这就是业界称之为的“锈螺栓现象”（“Rusty bolt effect”），即因天线结构元件锈蚀而产生通信干扰的现象［3j。因此，最早开展PIM研究的就是美国海军研究所（Naval ResearchLaboratory），于20世纪70年代中期应军方要求，对因射频连接器含有铁磁材料的金属零件而产生的PIMI问题进行了深入研究，之后建议在美国军用规范MIL－C－390l2B《射频连接器通用规范》的修订版中禁止应用铁磁材料，强烈要求把铁磁材料直接排除在外，并提醒通信部门必须警惕由于铁磁材料引起的潜在问题，这些建议部分体现在以后的MIL-C-39012C版和Mll-PRF-39012版中。在这些版本对材料的要求中，都明确规定所有零件（除气密封连接器外）都应采用非磁性材料制成，材料磁导率值应小于2.0。另外，还对接触件中心及壳体采用的材料、镀层金属的种类和镀层的厚度作了具体规定。所有这些都是预防PlMI产生的具体措施。这些要求也部分体现在我国军标GJB681及其修订版GJB681A中。

　　1．1 无源互调产生机理

　　PIM是由无源器件的非线性引起的。无源非线性有3种可能的主要模式，一类为接触非线性，另一类为材料非线性，还有一类就是工艺非线性。前者表示任何具有非线性电流与电压行为的接触，如弯折不匀的同轴电缆，不尽平整的波导法兰盘，松动的调谐螺丝，松动的铆接、氧化和腐蚀的接触等；材料非线性指具有固有非线性电特性的材料，如铁磁材料和碳纤维等；后者指因加工工艺引起的电传输非线性。

　　1．1．1 接触非线性

　　当两个导电连接器（如：插头与插座）连接时，根据接触力大小、力均匀度、接触面平整度及金属氧化程度会形成以下几种接触状态：金属接触；接触面之间夹有金属膜氧化物；接触面之间夹有绝缘介质；微小空气间隔；大的空气间隔。其非线性接触面及电子模型如图l所示。

 

图1 接触非线性表面及其电子电路模型

　　由于表面粗糙度的影响．在微观上呈现不规则和凹凸不平的接触表面，主要有以下几种接触状态：

　　金属接触部位①和金属膜氧化物接触部位②形成电流的主要通道，形成的收缩电阻和膜层电阻可构成导体的接触电阻。金属－氧化物－金属连接处②中的氧化物可能是单分子结构，是依靠隧道效应和穿透薄膜的金属桥进行导电的，因而属于半导体接触导电，是非线性的；在接触面之间夹有绝缘物质的接触处③则不导电：电流绕到金属接触处通过。在较大空气间隙处⑤，电流同样环绕间隙流过。在这两种情况下，电流遭遇阻抗Z，产生一个间隙电压，间隙电压V是潜在的，可能激活任何一个半导体而引起隧道效应和微观的弧击穿。接触面的电容C、电感L和电阻R等成分构成电子线路，其等效电路模型如图1（b）所示，其V-I特性是非线性的。在微小间隙处④，由于电流的波动或有较强信号时，很容易形成微观的击穿，这些不稳定的击穿，使导致PIM产生的形式具有偶然性，且幅度随时间而变化。

　　对发生在靠近零电压区域的不确定接触非线性，可用图1（a）来表示。接触表面接触状态的好坏，决定了接触非线性的程度。接触非线性产生PIM的机理主要有：

　　（1）点机械接触引起的机械效应；

　　（2）点电子接触引起的电子效应；

　　（3）点电子接触和局部大电流引起的热效应；

　　（4）强直流电流引起金属导体中离子电迁移；

　　（5）接触面的相对运动、振动和磨损；

　　（6）不同热膨胀系数器件接触引起热循环。

　　此外，还有金属接触的松动和滑动以及氧化层或污染物的形成。前面提到的美国海军研究所发现的锈螺栓现象就属于接触非线性引起的PIM。

　　1．1．2 材料非线性

　　材料非线性引起PIM的产生机理主要表现在：

　　（1）铁磁效应。铁磁材料（铁、钴、镍等）具有大的磁导率，并随磁场非线性变化，呈现磁滞特性，铁磁材料能引起很强的PIMP，是产生PIM的主要因素。

　　（2）隧道贯穿。电子通过厚度小于10 nm的电介质薄层直接由一个导体到另一个导体的隧道贯穿，如由氧化层分离的金属之间的电子隧道效应。

　　（3）接触电容。由接触表面薄层和污染层所引起的电容。

　　（4）电致伸缩。电场会引起线度变化，纯净非极性电介质中的电致伸缩现象是同轴电缆中产生PIM的因素之一。

　　（5）磁致伸缩。磁场也能引起线度变化，主要产生于铁磁材料之内。

　　（6）微放电。材料内可能存在微狭缝和砂眼，真空环境下由强电场产生离子气体会引起的二次电子倍增放电。

　　（7）空间充电。充电载流子在接触点进人绝缘体或半导体内，这个效应产生于非均匀内部电场中，在半导体申，由于同时存在电子和空穴，因而可产生很强的非线性电流电压关系。

　　此外，还有离子导电、热击穿和雪崩引起的电介质击穿、热离子发射效应等引起的材料非线性。

　　1．1．3 工艺非线性

　　一般的射频连接器均会进行表面刨光和电镀工艺处理。加工工艺决定着表面平整度与电镀层的厚度。过于粗糙的表面和不合适的镀层厚度将引起无源非线性，进而产生无源互调——这可以用“趋肤效应”加以解释，即“直流电流在导体中沿着整个横截面以均匀相等的密度流动，而射频电流则趋向导体表面的“皮肤”。随着频率的增高，这种“皮肤”越来越薄。这种在高频时电

　　流趋向导体表面流动的现象被称为“趋肤效应”。尽管目前难以全面说明因电镀质量产生非线性的机理，但是生产实践证明，电镀质量确实影响着PIM产生电平。趋肤深度决定了电镀层的厚度。

　　射频电缆／波导与连接器的装配工艺也影响着PIM指标，这与接触非线性有着类似的机理。

　　1．2 无源互调的特征

　　已知有源互调是指两个及以上干扰信号通过接收机前端有源电路的非线性所产生的，只要互调信号频率等于或接近有用信号频率，就产生有源互调干扰：

　　（1）有源电路的非线性相对固定，不随时间而变化。

　　（2）由非线性特性可预知，分析理论相对成熟。

　　（3）指标明确。军标或规范均能给出明确指标要求。

　　（4）传输方向相对稳定。可通过增加带通／带阻滤波器或改善滤波器性能加以抑制，高阶互调干扰几近忽略。

　　与有源互调相比，无源互调呈现以下特点：

　　（1）随功率而变。美国海军研究所对PIM产生电平与输入功率之间的关系进行了研究。总体上讲，输人功率越大，PIM越大。美国安费诺公司的实验证实，输入功率每变化一个dBm，PIM产生电平变化约3 dBm，业界一般认为1:3的比例基本合理。

　　（2）随时间而变。材料表面氧化、连接处接触压力、电缆弯曲程度等均会随时间发生改变，进而影响非线性程度，本文后面的示例也证实了这一点。

　　（3）研究理论滞后。无源非线性特性准确预测困难，至今一些现象仍不能完全用理论证实，仿真研究手段未有实质突破，离工程化尚有相当距离。

　　（4）产生环节多，传输方向非单一，难以采用传统手段加以抑制。

　　（5）高阶互调存在，且仍令人担忧。

　　1．3 无源互调的表述

　　把一个频率为f1、振幅为A1的Vi（t）信号经过一个具有非线性VI特性的无源两端口元件时，其输出信号Vo（t）中除基波外，还包含多次谐波：

 

　　当两个以上的信号通过一个非线性网络时，其输出信号Vo（t）除基波、各次谐波外，还包含所产生的PIMP的多种成分，再用传输方程表述将相当复杂。这里，将PIMP频率分量fPIM表述为：

 

　　式中：m，n均为整数，（|m|+|n|）定义为互调产物的阶数。该式可用于表述任何具有多路射频输人信号共用非线性传输装置的通信系统，以确定可能产生的PIMP，其频谱分布如图2所示。

 

图2 两个信号通过非线性网络后产生的频谱示意图

　　由图2可以看出，奇阶互调分量毗邻基波频率，且分量幅度较大，可能进人接收通带内，进而形成干扰。对于高阶互调与偶次谐波，因偏离基频较远，接收机射频滤波器通常可以滤除掉，因此无源三阶互调（PIM3）是关注的重点，通常应在技术指标中予以明确。

　　PIMP通常用dBm或dBc来表示。dBm是以基准量P0＝1mW作为零功率电平（0 dBm）日寸的功率分贝。dBc是在某个规定的载波电平（如20W,即43dBm）基准下的分贝量度。任意功率Px的功率电平定义为：

 

　　若在Pf1＝Pf2＝20 W时测得PIM3的电平为－100 dBm，则用dBc表示为：