電子發燒友App
引言
在通信系統中，當兩個或兩個以上的射頻信號通過非線性特性的器件傳輸時，合成信號中會產生互調產物（Intermodulation Product，IMP）。當這些互調產物落人鄰近工作的接收機通帶內時，就會形成寄生干擾。
在艦載通信鏈路中，由發射機和接收機產生的有源互調干擾，可通過適當的系統隔離控制其最小化，而無源非線性引起的PIM通常不能采用同樣的方法加以抑制。理論上講，無源線性系統不產生新的頻率分量。但是，實際上非線性變化在無源傳輸系統中是不可避免的，只是當載波信號較小時，非線性產生的無源互調產物（Passive Intermodulation Product，PIMP）所引起的無源互調干擾（Passive Intermodulation Interference，PIMI）不大，而不為人們所注意而已。但當載波信號較大時，這種互調干擾就較明顯了。PIMP通常在多載波通信環境中產生，典型的如共用寬帶天饋系統的船載通信系統、地面移動通信基站及衛星地面接收站等，特別是要求大功率發射系統和高靈敏度接收系統同時存在于有限空間的艦船通信系統，其客觀存在的PIMI已不容忽視。
1 無源互調概論
歷史上，PIM現象首先是在要求收發天線共存于有限空間的艦船上觀察到的——這就是業界稱之為的“銹螺栓現象”（“Rusty bolt effect”），即因天線結構元件銹蝕而產生通信干擾的現象［3j。因此，最早開展PIM研究的就是美國海軍研究所（Naval ResearchLaboratory），于20世紀70年代中期應軍方要求，對因射頻連接器含有鐵磁材料的金屬零件而產生的PIMI問題進行了深入研究，之后建議在美國軍用規范MIL－C－390l2B《射頻連接器通用規范》的修訂版中禁止應用鐵磁材料，強烈要求把鐵磁材料直接排除在外，并提醒通信部門必須警惕由于鐵磁材料引起的潛在問題，這些建議部分體現在以后的MIL-C-39012C版和Mll-PRF-39012版中。在這些版本對材料的要求中，都明確規定所有零件（除氣密封連接器外）都應采用非磁性材料制成，材料磁導率值應小于2.0。另外，還對接觸件中心及殼體采用的材料、鍍層金屬的種類和鍍層的厚度作了具體規定。所有這些都是預防PlMI產生的具體措施。這些要求也部分體現在我國軍標GJB681及其修訂版GJB681A中。
1．1 無源互調產生機理
PIM是由無源器件的非線性引起的。無源非線性有3種可能的主要模式，一類為接觸非線性，另一類為材料非線性，還有一類就是工藝非線性。前者表示任何具有非線性電流與電壓行為的接觸，如彎折不勻的同軸電纜，不盡平整的波導法蘭盤，松動的調諧螺絲，松動的鉚接、氧化和腐蝕的接觸等；材料非線性指具有固有非線性電特性的材料，如鐵磁材料和碳纖維等；后者指因加工工藝引起的電傳輸非線性。
1．1．1 接觸非線性
當兩個導電連接器（如：插頭與插座）連接時，根據接觸力大小、力均勻度、接觸面平整度及金屬氧化程度會形成以下幾種接觸狀態：金屬接觸；接觸面之間夾有金屬膜氧化物；接觸面之間夾有絕緣介質；微小空氣間隔；大的空氣間隔。其非線性接觸面及電子模型如圖l所示。
?
圖1 接觸非線性表面及其電子電路模型
由于表面粗糙度的影響．在微觀上呈現不規則和凹凸不平的接觸表面，主要有以下幾種接觸狀態：
金屬接觸部位①和金屬膜氧化物接觸部位②形成電流的主要通道，形成的收縮電阻和膜層電阻可構成導體的接觸電阻。金屬－氧化物－金屬連接處②中的氧化物可能是單分子結構，是依靠隧道效應和穿透薄膜的金屬橋進行導電的，因而屬于半導體接觸導電，是非線性的；在接觸面之間夾有絕緣物質的接觸處③則不導電：電流繞到金屬接觸處通過。在較大空氣間隙處⑤，電流同樣環繞間隙流過。在這兩種情況下，電流遭遇阻抗Z，產生一個間隙電壓，間隙電壓V是潛在的，可能激活任何一個半導體而引起隧道效應和微觀的弧擊穿。接觸面的電容C、電感L和電阻R等成分構成電子線路，其等效電路模型如圖1（b）所示，其V-I特性是非線性的。在微小間隙處④，由于電流的波動或有較強信號時，很容易形成微觀的擊穿，這些不穩定的擊穿，使導致PIM產生的形式具有偶然性，且幅度隨時間而變化。
對發生在靠近零電壓區域的不確定接觸非線性，可用圖1（a）來表示。接觸表面接觸狀態的好壞，決定了接觸非線性的程度。接觸非線性產生PIM的機理主要有：
（1）點機械接觸引起的機械效應；
（2）點電子接觸引起的電子效應；
（3）點電子接觸和局部大電流引起的熱效應；
（4）強直流電流引起金屬導體中離子電遷移；
（5）接觸面的相對運動、振動和磨損；
（6）不同熱膨脹系數器件接觸引起熱循環。
此外，還有金屬接觸的松動和滑動以及氧化層或污染物的形成。前面提到的美國海軍研究所發現的銹螺栓現象就屬于接觸非線性引起的PIM。
1．1．2 材料非線性
材料非線性引起PIM的產生機理主要表現在：
（1）鐵磁效應。鐵磁材料（鐵、鈷、鎳等）具有大的磁導率，并隨磁場非線性變化，呈現磁滯特性，鐵磁材料能引起很強的PIMP，是產生PIM的主要因素。
（2）隧道貫穿。電子通過厚度小于10 nm的電介質薄層直接由一個導體到另一個導體的隧道貫穿，如由氧化層分離的金屬之間的電子隧道效應。
（3）接觸電容。由接觸表面薄層和污染層所引起的電容。
（4）電致伸縮。電場會引起線度變化，純凈非極性電介質中的電致伸縮現象是同軸電纜中產生PIM的因素之一。
（5）磁致伸縮。磁場也能引起線度變化，主要產生于鐵磁材料之內。
（6）微放電。材料內可能存在微狹縫和砂眼，真空環境下由強電場產生離子氣體會引起的二次電子倍增放電。
（7）空間充電。充電載流子在接觸點進人絕緣體或半導體內，這個效應產生于非均勻內部電場中，在半導體申，由于同時存在電子和空穴，因而可產生很強的非線性電流電壓關系。
此外，還有離子導電、熱擊穿和雪崩引起的電介質擊穿、熱離子發射效應等引起的材料非線性。
1．1．3 工藝非線性
一般的射頻連接器均會進行表面刨光和電鍍工藝處理。加工工藝決定著表面平整度與電鍍層的厚度。過于粗糙的表面和不合適的鍍層厚度將引起無源非線性，進而產生無源互調——這可以用“趨膚效應”加以解釋，即“直流電流在導體中沿著整個橫截面以均勻相等的密度流動，而射頻電流則趨向導體表面的“皮膚”。隨著頻率的增高，這種“皮膚”越來越薄。這種在高頻時電
流趨向導體表面流動的現象被稱為“趨膚效應”。盡管目前難以全面說明因電鍍質量產生非線性的機理，但是生產實踐證明，電鍍質量確實影響著PIM產生電平。趨膚深度決定了電鍍層的厚度。
射頻電纜／波導與連接器的裝配工藝也影響著PIM指標，這與接觸非線性有著類似的機理。
1．2 無源互調的特征
已知有源互調是指兩個及以上干擾信號通過接收機前端有源電路的非線性所產生的，只要互調信號頻率等于或接近有用信號頻率，就產生有源互調干擾：
（1）有源電路的非線性相對固定，不隨時間而變化。
（2）由非線性特性可預知，分析理論相對成熟。
（3）指標明確。軍標或規范均能給出明確指標要求。
（4）傳輸方向相對穩定。可通過增加帶通／帶阻濾波器或改善濾波器性能加以抑制，高階互調干擾幾近忽略。
與有源互調相比，無源互調呈現以下特點：
（1）隨功率而變。美國海軍研究所對PIM產生電平與輸入功率之間的關系進行了研究。總體上講，輸人功率越大，PIM越大。美國安費諾公司的實驗證實，輸入功率每變化一個dBm，PIM產生電平變化約3 dBm，業界一般認為1:3的比例基本合理。
（2）隨時間而變。材料表面氧化、連接處接觸壓力、電纜彎曲程度等均會隨時間發生改變，進而影響非線性程度，本文后面的示例也證實了這一點。
（3）研究理論滯后。無源非線性特性準確預測困難，至今一些現象仍不能完全用理論證實，仿真研究手段未有實質突破，離工程化尚有相當距離。
（4）產生環節多，傳輸方向非單一，難以采用傳統手段加以抑制。
（5）高階互調存在，且仍令人擔憂。
1．3 無源互調的表述
把一個頻率為f1、振幅為A1的Vi（t）信號經過一個具有非線性VI特性的無源兩端口元件時，其輸出信號Vo（t）中除基波外，還包含多次諧波：
?
當兩個以上的信號通過一個非線性網絡時，其輸出信號Vo（t）除基波、各次諧波外，還包含所產生的PIMP的多種成分，再用傳輸方程表述將相當復雜。這里，將PIMP頻率分量fPIM表述為：
?
式中：m，n均為整數，（|m|+|n|）定義為互調產物的階數。該式可用于表述任何具有多路射頻輸人信號共用非線性傳輸裝置的通信系統，以確定可能產生的PIMP，其頻譜分布如圖2所示。
?
圖2 兩個信號通過非線性網絡后產生的頻譜示意圖
由圖2可以看出，奇階互調分量毗鄰基波頻率，且分量幅度較大，可能進人接收通帶內，進而形成干擾。對于高階互調與偶次諧波，因偏離基頻較遠，接收機射頻濾波器通常可以濾除掉，因此無源三階互調（PIM3）是關注的重點，通常應在技術指標中予以明確。
PIMP通常用dBm或dBc來表示。dBm是以基準量P0＝1mW作為零功率電平（0 dBm）日寸的功率分貝。dBc是在某個規定的載波電平（如20W,即43dBm）基準下的分貝量度。任意功率Px的功率電平定義為：
?
若在Pf1＝Pf2＝20 W時測得PIM3的電平為－100 dBm，則用dBc表示為：
?
2 無源互調分析
水面艦船的通信、導航、雷達、對抗、識別等系統的射頻部分自成系統，而艦船通信系統內部”衛星通信、超短波通信、短波通信、對空導航通信等分系統的射頻系統也相對獨立，各自產生的無源互調不僅對分系統內部，更主要是對其他分系統，甚至其他系統的無線接收設各產生干擾，是艦船通信系統EMC設計應該考慮的對象。這里的分析不針對運用聯合孔徑與面陣天線等技術集成后的射頻綜合系統或集成電子桅桿。
2．1 無源互調現狀
艦載通信系統中的射頻天饋系統、射頻多路耦合器、電纜／波導組件等是產生PIM的主要部位。此外，外部環境中的支撐結構、天線塔器件以及附近的任何金屬物體也會對PIM有影響。
2.1.1 天饋系統
天饋系統包括天線、射頻電纜、安裝座及支架等。目前其反射互調PIM3值一般在－120 dBc左右，設計制作良好者可達－130 dBc以下，其輻射互調尚難以精確測試。
寬帶收信天線：被動接收本地其他天線輻射的大信號，而在自身內部產生PIMI，進而影響后端接收機的正常工作。
寬帶發信天線：多個載波信號通過其非線性產生互調分量，天線將其輻射出去后對本地其他接收機產生PIMI干擾。
寬帶收發天線：寬帶收發天線的PIM影響最為嚴重，是設計者考慮的主要對象。
2．1．2 多路耦合器
多路耦合器亦稱合路器：艦船通信系統使用的有收信多路耦合器、發信多路耦合器及收發多路耦合器。對于V／UHF收發多路耦合器，其PIM3值在－ 95～－113 dBc之間，采用高端元器件者可達－123 dBc。
發信多路耦合器：多個載波信號通過其非線性產生傳輸互調，再經射頻電纜與天線輻射出去后對本地接收機產生PIMI干擾。
收發多路耦合器：既有傳輸互調，也存在反射互調，其傳輸互調分量通過天線輻射出去影響本地接收；其發射互調分量對同一多路耦合器下其他電臺的接收形成PIMI。收發多路耦合器是PIM研究考慮的重點。
收信多路耦合器：因它的有用輸人信號較小，一般對其PIM指標未作嚴格考核，但當本地干擾信號較大時，亦不能忽視。
2．1．3 電纜與波導組件
射頻電纜／波導組件由電纜／波導、插頭及附件（緊固件、水密件）等組成，由于其材料結構、加工工藝等存在不足，不同程度存在非線性。此外，電纜／波導組件與設各上插座的連接部位也可能產生PIM分量，這取決于插座與插頭材料的異同及連接的緊密程度。對于未提出PIM要求的艦船通信射頻電纜組件，測試其PIM3值一般在－OR dBc左右，差者甚至劣于－80 dBc。目前國內專業廠商已能制作優于－145 dBc的電纜組件。
2．2 無源互調分析
現以某艦船對空超短波通信子系統為例，分析PIM及其對系統性能的影響。該超短波通信子系統設各組成框圖如圖3所示。在系統方案論證中，主要針對寬帶噪聲、諧波、阻塞以及多徑干擾所引起EMC開展了分析，這里就PIM對性能影響進行分析。
?
圖3 某型艦對空超短波通信子系統組成框圖
圖4為PIMI基本測試框圖。圖中，3部電臺A、電臺B和電臺C同時發射會產生6個三階互調頻率fjT12,fjT21,fjT13,fjT31,fjT23和f1T32，其分布如圖5所示，即：
?
圖4 PIMI測試框圖
?
圖5 信號與PIM3干擾之頻譜分布圖
電臺A和電臺B同時發射所產生的兩個三階互調頻率fjT12和fjT21；fjT12＝2f1-f2；fjT21＝2f2一f1；
電臺A和電臺C同時發射所產生的兩個三階互調頻率fjT13和fjT31; fjT13＝2f1-f3；fjT31＝2f3一f1；
電臺B和電臺C同時發射所產生的兩個三階互調頻率fjT23和f1T32; fjT23＝2f2-f3；f1T32＝2f3一f2。
當三部電臺發射功率均為60 W，在UHF頻段測試所得的PIM3量值見表1。
表1 PIM3測試數據表
?
一般情況下，這6個三階互調頻率中，有些可能會落在VHF所在的108～174 MHz與UHF所在的225～400 MHz之外，形成對其他頻段的干擾，而落在本頻段內的就對本頻段產生干擾。
測試發現：
（1）一個三階無源互調頻率點，不僅使得電臺不能
在該頻率點接收，還影響以該頻點作為中｀b的一段頻帶內的電臺正常接收；
（2）VHF頻段發信所產生的PIM3會導致UHF頻段接收機的接收異常，反之亦然；
（3）PIM5同樣存在，大功率對空超短波電臺所產生的無源五階互調分量對工作在VHF頻段低端30～88 MHz的對海超短波電臺存在干擾；
（4）當干擾以跳頻模式發射時，所產生的PIMI是時間上斷續的一個頻帶，對話音通信不會造成徹底阻塞，但會引起背景噪聲，而對數據通信則可能導致誤碼率升高；
（5）多電臺同時以跳頻模式發射時，所產生的PIMI頻帶很寬，規避接收與精確測試均困難；
（6）測試過程中，沒有觀測到偶階無源互調分量，或者偶階無源互調分量的幅度已超出測試儀器的精度。
3 無源互調測試
通常，PIMI測量系統可以分為無輻射型和輻射型兩種類型，前者適合對非線性材料、連接器、同軸電纜、濾波器和波導器件的研究，一般置于屏蔽室內，終端加一匹配負載，理想情況下不輻射任何能量；后者適合于對輻射結構（如天線、饋線、結構部件）的研究，通常放在消音室或開放測量場地，受本地信號環境影響較大。無輻射測量系統又分為反射互調測試與傳輸互調測試兩類。反射互調測試的基本測試組成框圖如圖6所示。
圖6 反射無源互調測試框圖
測試前，應*估測試系統本身的自互調指標低于DUT中預期產生的互調電平至少lO dB，而對于發射功率高于43 dBm的情況，需低于DUT中預期產生的互調電平至少20 dB，才能保證測試的準確與有效。PIM測試系統主要由模擬信號源、大功率射頻功放、低互調頻譜儀、低互調合路器、低互調雙工器或定向耦合器、低互調大功率匹配負載、高性能功率計、PC機及測試軟件等部分組成。
4 降低PIMI的技術措施
PIMI的存在，警示在進行艦船通信系統設計時，不僅要兼顧傳統的有源互調干擾、諧波及帶外雜散所引起的性能下降，也應將PIMI納人系統技術設計考慮范疇，需對以往的設計方法重新進行*估。
4．1 系統設計時的考慮
PIMI是雙方面的，是干擾方與受擾方相互交融的結果，是一種能量沖突的權衡。干擾是外因，內因是無源非線性。正確處理內因與外因之間的關系，是降低PIMI影響的基礎。在既有通信技術體制基礎上，一是如何控制干擾源的能量、頻率、方向及發生時刻；二是增強受干擾設各的抗干擾能力。基于PIM的系統設計應綜合考慮PIMI值的大小與接收機前端抗干擾的能力，若接收機前端抗干擾能力強，則對PIMI的要求就會低一些，反之則需進一步控制PIMI在一個可接受的范圍內。此外，要綜合平衡系統內各設各、零部件的PIM指標，重點提升瓶頸設各PIM指標。對系統而言，孤立對某個環節提出PIM要求，而忽視其他環節，其效果將難以充分體現。
值得注意的是，往往單一設備性能指標均符合要求，但組成系統后卻發現相互共存困難，整個系統難以發揮最佳效能——這是系統設計者面臨的問題之一。單個設各指標不求新、求尖，而求合理，這個“合理”應是包含整個EMC在內的綜合考慮。例如：無線電收／發設各的發射功率與接收靈敏度就是一對矛盾，發射功率增加可以提升通信距離，但易對共址工作的接收機造成干擾；寬帶天饋系統可以減小艦面天線布置的壓力，卻更容易受到PIMI的干擾。在系統頂層設計時，應統一規劃，逐級分解PIM指標，使各級系統、各層設各共同承擔PIM帶來的壓力，而不應只在系統組成之后再來檢測、發現已組成系統存在的干擾問題，這樣的代價可能是難以接受的。
此外，從技術管理角度出發，合理設置各設備工作頻率，保證絕大多數無源三階互調頻率不落在其他正在工作接收機的工作頻率點或其毗鄰范圍，這是規避干擾的一種辦法。
4．2 設備研制前的考慮
在做好設備指標分配的基礎上，重視材料選擇、接觸設計、界面選擇、內部連接、電纜夾緊裝置和電鍍等六個方面的設計，以達到預防PIM影響的目的。在射頻傳輸通路中，應注意盡量采用低無源互調射頻元器件及零部件，避免使用鐵質材料；所有射頻元器件設計，要留有足夠功率余量；射頻連接件應使用相同材質及相同處理工藝；電鍍所有的表面，防止氧化；確保電鍍的均勻以及足夠的厚度。
4．3 工程設計與施工中的考慮
工程設計與施工中主要應注意1.1節中提到的“工藝非線性”和“接觸非線性”對PIM的影響，以期達到降低PIM影響的要求。注重射頻電纜／波導與連接器的裝配工藝；射頻連接時，避免不同材料間的直接接觸；盡量焊接所有的結點，使接觸連接結點的數量最少化；施工中所有的接觸連接結點必須是精確的，并且在足夠的壓力下還能維持良好的電氣連接；在機械加工、裝配、運輸和安裝過程中注意使產品保持足夠的表面光潔度，避免污染,不受損傷。
4.4技術更新是降低PIM影響的有效途徑
縱觀艦船通信系統現狀，PIM客觀存在，制約著系統性能的進一步提升。這既有基礎元器件發展參差不一的原因，更存在著技術體制制約的因素。尋求技術更新是艦船通信系統設計的發展方向。
（1）射頻綜合是降低PIMI的有效途徑
艦船射頻綜合是綜合運用聯合孔徑、結構設計、平面陣天線、材料、系統集成等技術，把原本分立的多副天線與艦上層建筑共外形于一體，以最優的艦上層建筑傾角、外形、陣群布置和材料應用來實現隱身。此外，還能部分消除天線與天線、天線與上層建筑間的電磁散射耦合效應，減低PIM，特別是輻射互調造成的壓力，提升曳磁空間兼容性能。
（2）碼分多址是值得考慮的技術體制
碼分多址（CDMA）可大幅提高頻率利用率，進而有效減低PIMI發生概率。目前，CDMA在民用移動通信領域已得以具體運用，但鑒于國內對其核心技術的掌握程度還欠完善，尚未在海軍通信領域得到實質性的推廣。盡管還存在一些不足，但CDMA對于減低PIM［發生幾率的潛在優勢，應是系統設計者值得考慮的技術體制之一。
（3）射頻光傳輸是跨越EMC瓶頸的發展方向
信息技術在20世紀取得了巨大發展，其主要基礎是微電子技術和以此為支撐的電子計算機和網絡三大技術，因而人們常稱其為“電子信息技術（IT）”。隨著需求的不斷增長，BIT在速率和電磁兼容性兩方面的壓力倍增。在信息傳輸領域，光傳輸局部替代電傳輸的初步成功使得人們逐漸注意到了光子技術在信息領域的潛在優勢。因此，人們有理由相信．未來在艦船通信領域，嘗試將射頻前端集成于天線根部，使射頻小信號以光信號的形式傳輸，這需要全光局部總線、超高速光傳輸及全天候射頻前端等新技術的誕生，相應的PIM］也不再復雜，反射互調與傳輸互調干擾將趨于微小，業界只需專注于輻射互調了。如果再輔以對輻射互調靈敏的“射頻綜合”技術，那么，跨越射頻EMC瓶頸就不再是夢想。
5結語
在簡要闡述PIM產生機理的基礎上，分析了艦載超短波通信系統的PIM現狀，從系統設計的角度出發，介紹了減小及規避PIMI的一些方法，并給出了作者在實際工作中的一點體會。隨著仿真技術的發展，PIM建模技術將逐漸趨于成熟，這更有助于系統工程師預知系統設計性能，控制技術風險，進一步降低PIMI對通信系統性能的影響。相信在不久的將來，涉及艦船通信體制的無源互調相關技術規范將逐步完善，密集電磁環境下的無源互調干擾會進一步得到有效控制。
工商網監
評論