无源互调的前世今生

2020-04-20

20世纪70年代,美苏冷战愈演愈烈,美国为了满足海军、空军全球通信需求,获得全球打击能力,遏制苏联,计划在70年代末到80年代初建设美军舰队卫星通信(FLTSATCOM)系统。早在1967年到1969年,美军已经发射了两颗实验卫星,并完成了系统试验。舰队卫星通信系统包括四颗卫星(一颗备用,三颗分别覆盖三大洋),原计划于1975年初发射第一颗卫星,但是在卫星进入正样联调时,出现了3阶无源互调(Passive Inter-Modulation, PIM)信号落入接收机频带的问题,最后被迫更改设计方案,采用了收发分开的方案,导致整星发射推迟36个月,于1978年2月9日第一颗舰队通信卫星才成功发射,给整个项目带来了重大的损失。

那么,上文提到的“3阶无源互调”到底是何方神圣,居然给原设计方案带来了毁灭性的打击,又是什么原因,导致设计人员在设计之初没有考虑该问题?请您听我慢慢道来。

 

什么是无源互调?

无源互调(Passive Inter-Modulation,PIM)是由发射系统中各种无源器件的非线性特性引起的。在大功率、多信道系统中,这些无源器件的非线性会产生相对于工作频率的更高次谐波,这些谐波与工作频率混合会产生一组新的频率,其最终结果就是在空中产生一组无用的频谱从而影响正常的通信。所有的无源器件都会产生互调现象。无源互调产生的原因很多,如机械接触的不可靠、虚焊和表面氧化等。尽管还没有系统的理论分析,但是在工程中已经发现在一定条件下无源器件存在互调失真,并且会对通信系统产生严重干扰。由于无源互调的详细计算理论并不成熟,因此目前评估器件无源互调的主要方式还是采用实际测试的方法。

无缘互调产物频谱图

 

国内外对PIM的认知

无源互调现象最早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”,即因天线结构元件锈蚀而产生通信干扰的现象,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无源互调干扰(Passive Inter-Modulation Interference 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。所有这些都是预防无源互调产生的具体措施。这些要求也部分体现在我国军标GJB681及其修订版GJB681A中。

在实际工程实践中,尤其是在后期维护条件苛刻甚至没有维护条件的卫星通信系统中,因系统无源互调指标超标导致的问题频频出现。例如本文开始提到的美国舰队通信卫星FLTSATCOM的3阶互调产物、美国海事卫星MARISAT的13阶互调产物、欧洲海事卫星MARECS的43阶互调产物、国际通信卫星INTELSAT的27阶互调产物等都曾引起了卫星接收频带的严重干扰,拖延了卫星系统的进度甚至影响了卫星系统的发展。我国也曾在地面测量某卫星分系统过程中发现过类似现象,而且随着通信技术的发展,星载天线基本都采用了收发共用的模式,发射功率也越来越高,因此无源互调问题将变得更为严重。在民用通信领域,无源互调导致的问题也频频发生。例如在GSM900频段、CDMA800频段,均有发射互调产物落入接收通道的问题出现,导致了基站底噪上升,影响通信效果。对此中国移动曾在2011年左右专项开展了“工兵行动”大力排查天馈系统的无源互调指标,中国联通和中国电信也开展了相关专项工作,用以测试、排查天馈系统的无源互调问题。

蜂窝网受到无源互调的影响

 

无源互调的主要特点

无源互调产物通常来说,具备以下几个特点:

1、经过多方实验表明,无源器件所选用材料的品质、镀层的材料和厚度、接触材料中是否含异金属、材料是否具有磁滞特性、各接触面压力、焊接点圆润不虚焊、连接器中是否材质杂质或灰尘等等都会产生无源互调干扰。因此,在器件低无源互调设计中,可从提高加工装配精度、保证良好的镀层均匀度和厚度(镀金、银、三元合金等)、保证连接器接触面的清洁并使用扭矩扳手锁紧、避免使用铁磁材料(如铁、钴、镍等)。

2、无源互调产物受发射功率的影响较为明显。在三阶互调的情况下,一般来说,载波功率提升1dB,则无源互调产物提升3dB,实际的测试也大致验证了这个规律。因此,在小信号领域无源互调可不予考虑,一旦信号电平达到了某个门限(例如30dBm),无源互调产物的影响将变得越来越明显,不可忽视。

3、无源互调的大小同其阶数有较大关系。无源互调的阶数表示产生互调产物的两个母信号的整数倍频之和,例如三阶互调可表示为PIM_ord3=2×F1±1×F2, PIM_ord5=3×F1±2*F2。由于奇次阶互调的频率离载波最近,因此需要格外注意。在互调电平规律上,无源互调产物阶数越低、越靠近载波,则其电平越大,但是高阶互调产物依然不能忽视,欧洲海事卫星曾被43阶无源互调产物困扰。因此,只要无源互调产物落入接收带内,须做到应测尽测。在多载波的情况下,无源互调产物将更为复杂,多个信号之间可以互相混频,其谐波信号也可互相混频,形成非常复杂的互调频谱。

北京优诺信创科技有限公司已为中国航天集团、中国电科集团的多家单位成功建设了大功率无源互调测试系统、多载波无源互调测试系统,有力地支撑国内无源互调领域的研究和测试工作。

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