空間大功率微波器件無(wú)源互調(diào)最新研究進(jìn)展①

王小麗，陳 翔，崔萬(wàn)照

(中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院 空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710000)

0 引言

無(wú)源互調(diào)(Passive intermodulation,PIM)是指在兩個(gè)或多個(gè)大功率載波激勵(lì)下，微波器件由于其弱非線性而產(chǎn)生的一種互調(diào)現(xiàn)象，其廣泛存在于各種連接器、濾波器、雙/多工器及天線系統(tǒng)中。不同于有源交調(diào)，PIM無(wú)法通過濾波消除，是大功率微波器件及系統(tǒng)性能退化或失效的一種重要機(jī)制[1]，已成為大功率微波部件及系統(tǒng)研究中的關(guān)注焦點(diǎn)之一。

PIM問題嚴(yán)重威脅著通信系統(tǒng)的安全、正常工作，同時(shí)也制約著通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。微波器件大量應(yīng)用于航天器及地面通信系統(tǒng)，其所產(chǎn)生的PIM產(chǎn)物一旦落入通信系統(tǒng)接收頻段，則會(huì)形成干擾，輕者影響通信質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)直接堵塞信道，造成系統(tǒng)癱瘓。伴隨應(yīng)用需求的不斷增長(zhǎng)，多通道、大容量、抗干擾、遠(yuǎn)距離通信等已成為衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)，足夠的發(fā)射功率是支撐以上技術(shù)發(fā)展的必要條件。而PIM問題是阻礙微波系統(tǒng)功率容量提升的障礙之一，嚴(yán)重制約著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展。為節(jié)省體積空間，降低載荷重量，收發(fā)共用天線是當(dāng)前及未來(lái)通信衛(wèi)星所采用的一種重要體制。在收發(fā)共用體制下，大功率發(fā)射通道所產(chǎn)生的PIM產(chǎn)物很容易落入高靈敏度的接收通道，從而形成嚴(yán)重的干擾問題，不解決PIM問題，收發(fā)共用體制必定面臨著很高的失效風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，在地面移動(dòng)通信應(yīng)用中，多功能、多通道、高密度集成需求日漸凸顯，電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，PIM問題隨之必將愈加嚴(yán)重。

綜上所述，PIM已成為當(dāng)前及未來(lái)通信系統(tǒng)所普遍面臨的一種干擾問題，是工程應(yīng)用中亟待解決的瓶頸問題。同時(shí)，PIM也是一種基礎(chǔ)性問題，其物理機(jī)理復(fù)雜多樣，分析預(yù)測(cè)困難，現(xiàn)有抑制手段還存在著很大的提升空間。針對(duì)PIM問題的全面研究對(duì)于有效解決PIM問題有著重要的意義。本文在前人研究基礎(chǔ)上，從PIM的產(chǎn)生機(jī)理、分析預(yù)測(cè)方法、檢測(cè)定位方法及抑制方法等方面，分別梳理總結(jié)了近幾年來(lái)最新的研究進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上，分析討論了其今后的研究重點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)，為無(wú)源互調(diào)問題的研究提供一定參考。

1 無(wú)源互調(diào)產(chǎn)生機(jī)理和分析預(yù)測(cè)

1.1 無(wú)源互調(diào)產(chǎn)生機(jī)理

大量研究表明，PIM是由微波無(wú)源器件的弱非線性引起的，主要分為兩個(gè)方面：材料非線性和接觸非線性。

材料非線性主要是由具有非線性導(dǎo)電特性的材料媒質(zhì)如鐵磁材料(鐵氧體、鎳、鈷)等引起，只要具有非線性導(dǎo)電特性的材料源暴露在電磁能量輻射的區(qū)域，其非線性輻射就會(huì)被激發(fā)，產(chǎn)生無(wú)源互調(diào)干擾。

接觸非線性是由金屬-金屬(Metal-Metal，MM)接觸不理想導(dǎo)致，MM接觸在微波器件中甚為普遍，但受金屬表面氧化物、臟污程度、連接壓力及表面粗糙度等影響，實(shí)際的MM接觸并非理想的電接觸狀態(tài)。在微觀結(jié)構(gòu)中，由于金屬自然加工在表面存在許多隨機(jī)微凸體，看似緊密接觸的金屬連接結(jié)，實(shí)際的金屬接觸只發(fā)生在這些隨機(jī)微凸體上，形成接觸區(qū)域和非接觸區(qū)域，流經(jīng)金屬結(jié)的電流在向接觸微凸體聚集時(shí)，因接觸面積的突然變小形成收縮電阻，產(chǎn)生非線性，導(dǎo)致無(wú)源互調(diào)的產(chǎn)生。同時(shí)金屬受表面氧化物的影響，表面會(huì)生成一層納米級(jí)的氧化層，形成金屬-氧化物-金屬(Metal-Oxide-Metal，MOM)結(jié)構(gòu)。微觀接觸金屬連接結(jié)如圖1所示?；贛OM結(jié)構(gòu)，微凸體接觸界面的氧化層會(huì)形成薄的電壁勢(shì)壘，導(dǎo)致量子隧穿效應(yīng)、熱電子發(fā)射效應(yīng)等多種非線性電流傳輸特性[2]。

由于無(wú)源互調(diào)產(chǎn)生機(jī)理錯(cuò)綜復(fù)雜，交叉融合了材料非線性、微觀接觸變形、氧化物非線性分析、射頻信號(hào)分析處理等多個(gè)交叉研究方向，所以其研究進(jìn)展相對(duì)比較緩慢。Krstansky于1966年首次提出PIM的主要來(lái)源是鐵磁材料[3]，同時(shí)提出在磁滯材料上鍍一層足夠厚的線性材料可以抑制PIM，該方法至今仍然有效。1980年，Lee在冷軋鋼材料上發(fā)現(xiàn)PIM，至此以后更多磁滯特性材料被證明能產(chǎn)生PIM。1976年，Jaroslava Z.Wilcox等人提出電熱耦合理論[4]，利用熱傳導(dǎo)方程分析了同軸連接器的PIM。2006年，Wilkerson等人繼續(xù)從電熱耦合效應(yīng)的角度對(duì)PIM 問題進(jìn)行了研究[5]。2013年，西安交通大學(xué)葉鳴，賀永寧等人基于電熱耦合效應(yīng)，對(duì)微帶線的PIM產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究[6]。上述可以看出，學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域針對(duì)基于電熱耦合效應(yīng)的PIM問題進(jìn)行了大量研究，但電熱耦合效應(yīng)作為一種特殊的PIM產(chǎn)生機(jī)理，引發(fā)的PIM在載波間隔頻率很窄(KHz級(jí)別)的情況下才予以考慮，在實(shí)際工程應(yīng)用中，系統(tǒng)載波間隔頻率相對(duì)較寬，一般不考慮該效應(yīng)的影響。

著名的IEC62037標(biāo)準(zhǔn)提出，對(duì)于互調(diào)敏感的場(chǎng)合，盡量避免使用磁滯材料及各種含鎳合金。因此材料非線性可以通過使用合適的材料避免，但接觸非線性在微波器件金屬連接結(jié)構(gòu)中難以避免，成為人們的重點(diǎn)研究對(duì)象。針對(duì)接觸非線性的研究，最早于1980年 ，F(xiàn)arrokh Arazm等人通過測(cè)試不同金屬間接觸的電特性，得出金屬接觸中粗糙的表面形貌會(huì)產(chǎn)生非線性導(dǎo)電特性，從而產(chǎn)生無(wú)源互調(diào)[7]。2005年，Vicente等人對(duì)波導(dǎo)法蘭接觸面做了實(shí)驗(yàn)研究[8][9]，證明即使是在鍍銀界面上仍然會(huì)存在接觸非線性并導(dǎo)致接觸PIM產(chǎn)生，進(jìn)一步證實(shí)了接觸非線性的存在。2011年，西安交通大學(xué)葉鳴，賀永寧等人重點(diǎn)研究了波導(dǎo)連接中的非線性結(jié)構(gòu)，針對(duì)微觀金屬接觸的量子隧穿效應(yīng)和熱電子發(fā)射效應(yīng)這兩種非線性導(dǎo)電過程[2]，對(duì)波導(dǎo)連接的PIM功率受接觸壓力、載波功率等因素的影響規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析。2017年，趙小龍等人針對(duì)由MOM接觸非線性產(chǎn)生的PIM進(jìn)行了分析建模和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出了微觀金屬接觸界面的單點(diǎn)接觸模型[10]，推導(dǎo)得到金屬波導(dǎo)邊緣接觸引起的PIM電平的計(jì)算公式，總結(jié)得出金屬波導(dǎo)連接處的無(wú)源互調(diào)變化規(guī)律。

1.2 無(wú)源互調(diào)分析預(yù)測(cè)

非線性機(jī)理錯(cuò)綜繁雜，采用單一且精準(zhǔn)的模型對(duì)無(wú)源互調(diào)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)難度極高，PIM研究至今，提出了許多非線性數(shù)學(xué)模型對(duì)PIM產(chǎn)物功率進(jìn)行計(jì)算，并基于無(wú)源互調(diào)的產(chǎn)生機(jī)理建立合理的物理模型和電路模型進(jìn)行無(wú)源互調(diào)的分析預(yù)測(cè)。

1.2.1 數(shù)學(xué)模型

1968 年，Sea采用冪級(jí)數(shù)法表征器件的非線性特性[11]，推導(dǎo)了任意載波個(gè)數(shù)條件下的互調(diào)產(chǎn)物計(jì)算公式，并用冪級(jí)數(shù)系數(shù)和輸入載波的幅度來(lái)表示互調(diào)產(chǎn)物的幅度。但此模型存在一定的局限性：采用該模型對(duì)互調(diào)產(chǎn)物進(jìn)行擬合時(shí)，發(fā)現(xiàn)高階互調(diào)產(chǎn)物在高功率范圍內(nèi)的擬合效果差，而且，在現(xiàn)階段能夠達(dá)到的計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，不能得到更多項(xiàng)準(zhǔn)確的系數(shù)，在一定程度上舍棄了更高階信息的影響，存在著不可避免的截?cái)嗾`差。2005年，西安電子科技大學(xué)張世全等人采用傅里葉級(jí)數(shù)法推導(dǎo)了雙載波情況下互調(diào)產(chǎn)物的幅度及其隨階數(shù)變化的一般表達(dá)式[12]，分析和討論了非線性器件互調(diào)產(chǎn)物的一般行為特性。相比于傳統(tǒng)的冪級(jí)數(shù)方法，該方法能快速計(jì)算各階PIM產(chǎn)物且無(wú)需進(jìn)行參數(shù)擬合。M.T.Abuelma'atti采用雙指數(shù)模型來(lái)描述無(wú)源器件產(chǎn)生的PIM干擾[13]，它描述產(chǎn)生PIM的非線性表達(dá)式為

Vout(t)=V0{exp[Vin(t)/b1]-exp[Vin(t)/b2]}

(1)

將輸入信號(hào)

(2)

代入上式，展開推導(dǎo)并化簡(jiǎn)，可得下邊帶中PIM3和PIM5產(chǎn)物的幅度為：

VPIM3=4V0I2(bV1)I1(bV2)

(3)

VPIM5=4V0I3(bV1)I2(bV2)

(4)

此模型優(yōu)點(diǎn)是可以直接采用高階來(lái)描述非線性特性，省去了測(cè)量眾多數(shù)據(jù)的麻煩，節(jié)約了測(cè)量成本。但是，在一定程度上，雙指數(shù)模型系數(shù)V0過于簡(jiǎn)單，不足以準(zhǔn)確表示非線性特性造成的PIM電平幅度變化。因此，考慮到無(wú)源互調(diào)的特征及雙指數(shù)模型的缺點(diǎn)，2019年，西安交通大學(xué)王洪廣教授團(tuán)隊(duì)[14]結(jié)合雙指數(shù)模型和多項(xiàng)式模型的優(yōu)點(diǎn)，提出一種復(fù)合指數(shù)模型來(lái)描述非線性產(chǎn)生的無(wú)源互調(diào)干擾。提出的復(fù)合指數(shù)模型描述產(chǎn)生PIM干擾的非線性表示:

{exp[Vin(t)/b1]-exp[-Vin(t)/b2]}

(5)

復(fù)合指數(shù)模型的系數(shù)為輸入信號(hào)的多項(xiàng)式，彌補(bǔ)了雙指數(shù)模型由于系數(shù)簡(jiǎn)單不足以準(zhǔn)確描述PIM產(chǎn)物幅度變化的缺點(diǎn)，用該模型計(jì)算得出的三階PIM產(chǎn)物和五階PIM產(chǎn)物明顯比雙指數(shù)模型計(jì)算得到的結(jié)果更加精確，也更能準(zhǔn)確的評(píng)估PIM電平幅度變化。圖2是用復(fù)合指數(shù)模型計(jì)算的PIM3和PIM5產(chǎn)物的功率與微波濾波器的測(cè)量數(shù)據(jù)比較結(jié)果：

圖2 復(fù)合指數(shù)模型計(jì)算的PIM3和PIM5產(chǎn)物的功率與微波濾波器的測(cè)量數(shù)據(jù)比較結(jié)果圖

但是用該模型推導(dǎo)出的高階互調(diào)功率表達(dá)式并非閉合形式，存在一定的截?cái)嗾`差，對(duì)于原本數(shù)值就很小的互調(diào)功率來(lái)說，會(huì)對(duì)計(jì)算產(chǎn)生一定的影響。而且對(duì)于多載波輸入的情況來(lái)說，推導(dǎo)過程也會(huì)更加復(fù)雜。

1.2.2 物理模型

基于電接觸理論，Vicente和Hartnagel等人在文獻(xiàn)[8]中提出了針對(duì)粗糙波導(dǎo)法蘭面接觸的物理模型，用高斯分布描述粗糙表面微凸體的高度分布，建立了外界壓力與金屬結(jié)表面接觸面積之間的關(guān)系, 利用該模型對(duì)三階無(wú)源互調(diào)分量隨表面粗糙度、膜層厚度、外部壓力以及輸入功率的變化規(guī)律進(jìn)行了分析，并對(duì)PIM電平發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，該文獻(xiàn)作為近年來(lái)最早出現(xiàn)的器件級(jí)的PIM研究被作為典范參考。

2018年，西安交通大學(xué)陳雄等人提出了一種針對(duì)同軸連接器的PIM預(yù)測(cè)方法，該研究建立了同軸連接器微觀層面接觸單元的接觸模型[15]，如圖3所示，模型中包括MM接觸和MOM接觸，兩者共同構(gòu)成接觸非線性源，導(dǎo)致PIM產(chǎn)生。基于此模型，使用蒙特卡洛逼近法和微觀測(cè)量法，重建同軸連接器內(nèi)部不同觸點(diǎn)的隨機(jī)分布樣本，最終得到所有潛在PIM值的置信區(qū)間，而非單個(gè)PIM預(yù)測(cè)值。如圖4是利用蒙特卡洛法預(yù)測(cè)PIM電平與施加扭矩的關(guān)系和測(cè)量值的對(duì)比。該研究有助于分析同軸連接器上波動(dòng)的PIM，并提供一種預(yù)測(cè)PIM的新方法。

圖3 微觀層面單元面積接觸模型

圖4 PIM電平與施加扭矩之間的關(guān)系

1.2.3 電路模型

一般情況下，在波導(dǎo)接觸表面上同時(shí)存在縫隙區(qū)域(MVM)、MOM接觸區(qū)域和MM接觸區(qū)域,微觀連接示意見圖1。由圖1可知，MM接觸微觀模型比較復(fù)雜，為了進(jìn)一步模擬粗糙表面金屬接觸，葉鳴等人在文獻(xiàn)[2]中建立了粗糙表面接觸的等效電路模型，如圖5所示。MVM區(qū)域主要由真空(或空氣)支配，會(huì)產(chǎn)生非接觸電容，同時(shí)由于靜電發(fā)射和氣體擊穿產(chǎn)生非接觸電阻。而MOM和MM接觸區(qū)域主要由天然金屬氧化物、氧或碳的污染物形成的薄電介質(zhì)層構(gòu)成，該區(qū)域電流向微凸體附近聚集，接觸面積突然變小，產(chǎn)生收縮電阻；同時(shí)產(chǎn)生了接觸電容和隧穿電阻。該研究基于量子隧穿效應(yīng)和熱電子發(fā)射效應(yīng)等非線性導(dǎo)電特性求出等效電路中的各個(gè)參量，從而利用等效電路對(duì)波導(dǎo)連接的PIM進(jìn)行理論分析和數(shù)值計(jì)算，預(yù)測(cè)波導(dǎo)連接處粗糙金屬表面的PIM電平發(fā)展趨勢(shì)。

圖5 粗糙表面金屬接觸等效電路模型

近年來(lái)，同軸連接器也逐漸成為人們新的PIM研究對(duì)象。與波導(dǎo)相比，同軸連接器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含不止兩個(gè)接觸結(jié)構(gòu)，諸如內(nèi)導(dǎo)體、外導(dǎo)體、附屬機(jī)械緊固結(jié)構(gòu)等，因此同軸的PIM分析存在大量的研究對(duì)象，這就導(dǎo)致同軸連接器PIM問題研究難度高，研究進(jìn)度長(zhǎng)期滯后。2018年，湖南大學(xué)溫和教授團(tuán)隊(duì)[16]研究了松動(dòng)的同軸連接器，其認(rèn)為松動(dòng)的同軸連接器是大功率和高頻通信系統(tǒng)中PIM的重要來(lái)源。因此，其基于緊密接觸模型研究提出了松動(dòng)的接觸面模型和相應(yīng)的阻抗特性，并首次提出了一種電路模型來(lái)分析松動(dòng)接觸同軸連接器中的PIM干擾，如圖6所示。通過電路可以計(jì)算松動(dòng)接觸條件下的PIM電平。

圖6 單位面積內(nèi)松動(dòng)接觸的等效電路

圖中，流過非線性電阻Rij的非線性電流 表達(dá)式為：

(6)

式中：Rtc_mm和ΔI是單位接觸面積中接觸電阻和電流的增量，ΔLS是單位接觸面積中增加的電感。

式(6)表明，同軸連接器松動(dòng)度的增加，附加阻ΔZ= ΔRtc_mm+jωΔLS隨之增加，導(dǎo)致流過非線性電阻的電流增加，產(chǎn)生的PIM增加。從而導(dǎo)致松動(dòng)同軸連接器的PIM干擾增加。

2 無(wú)源互調(diào)的檢測(cè)定位技術(shù)

2.1 無(wú)源互調(diào)檢測(cè)技術(shù)

由于無(wú)源互調(diào)產(chǎn)生機(jī)理錯(cuò)綜繁雜，PIM來(lái)源不一，為了快速高效解決工程應(yīng)用中的PIM問題，最直接的方法就是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量對(duì)系統(tǒng)PIM進(jìn)行評(píng)估，以此來(lái)衡量系統(tǒng)或微波器件的PIM水平，這導(dǎo)致高性能的無(wú)源互調(diào)檢測(cè)技術(shù)十分關(guān)鍵，成為國(guó)內(nèi)外PIM問題研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。

2007年，A.P.Shitvov等人基于探針近場(chǎng)耦合測(cè)試方法對(duì)微帶線的PIM產(chǎn)物實(shí)現(xiàn)了在線測(cè)試[17]；2018年，西安交通大學(xué)高凡等人提出一種利用近場(chǎng)耦合原理的PIM測(cè)量方法[18]，該測(cè)量方法通過縫隙波導(dǎo)激勵(lì)不同物理接觸狀態(tài)的非線性源，并對(duì)其產(chǎn)生的PIM產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)試分析，該測(cè)量方法具有較高的靈敏度。同年，中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院提出一種相位可調(diào)的多輸入多輸出無(wú)源互調(diào)測(cè)試系統(tǒng)[19]，該系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)多個(gè)輸入載波信號(hào)的相位，輸出多個(gè)不同頻率的載波信號(hào)，利用得到的多個(gè)多載波波束的信號(hào)，測(cè)量其在空間和反射面交疊產(chǎn)生的PIM信號(hào)。

由于無(wú)源互調(diào)自身的特殊性,其測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求高。一般地，無(wú)源互調(diào)測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)具有大功率信號(hào)源、高靈敏度接收機(jī)、低PIM組件等特點(diǎn)，此外，無(wú)源互調(diào)測(cè)量系統(tǒng)與頻率和帶寬的相關(guān)性都很強(qiáng)，系統(tǒng)難以通用，一般需要根據(jù)測(cè)試目的進(jìn)行專門的制作。測(cè)量時(shí)不僅要測(cè)量無(wú)源部件的PIM產(chǎn)物，還要對(duì)整級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，因此，如何設(shè)計(jì)一個(gè)低PIM的測(cè)量系統(tǒng)是進(jìn)行無(wú)源互調(diào)測(cè)量首先必須解決的問題。為了改進(jìn)PIM測(cè)試系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)低PIM，2018年，Davide Smacchia等人[20]為無(wú)源互調(diào)測(cè)量開發(fā)了新型測(cè)試系統(tǒng)，與Vicente.C等提出的測(cè)試系統(tǒng)相比[21]，其提出的測(cè)試系統(tǒng)利用多工器實(shí)現(xiàn)濾波器和雙工器一體化，減少級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)自身產(chǎn)生的PIM干擾。以發(fā)射互調(diào)測(cè)試系統(tǒng)為例，如圖7所示，傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)中的輸入輸出濾波器(紅色框中的部分)被集成到一個(gè)低PIM多工器，實(shí)現(xiàn)器件一體化，多工器的一個(gè)通道引導(dǎo)反射PIM信號(hào)到達(dá)信號(hào)接收端，剩下通道用于引入載波信號(hào)并在多工器中進(jìn)行合成和濾波。該測(cè)試系統(tǒng)既避免了多個(gè)濾波器級(jí)聯(lián)連接產(chǎn)生PIM干擾的問題，又實(shí)現(xiàn)了測(cè)試系統(tǒng)的緊湊性，在經(jīng)典的正向互調(diào)和反射互調(diào)測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上極大的提高了測(cè)量精度和效率。但該測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)一體化的同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)所需的寬帶多工器規(guī)格要求很高，在器件選擇方面應(yīng)多加注意。

圖7 一體化反射PIM測(cè)試系統(tǒng)

2019年，Davide Smacchia[22]等人再次針對(duì)反射互調(diào)測(cè)試系統(tǒng)，提出減小測(cè)試系統(tǒng)PIM的方法。該方法通過在測(cè)試系統(tǒng)終端負(fù)載之前插入專用低通濾波器，該濾波器允許載波信號(hào)通過，同時(shí)抑制來(lái)自波導(dǎo)終端的PIM干擾,保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)免受終端負(fù)載產(chǎn)生的PIM影響。提出的PIM測(cè)試系統(tǒng)如圖8所示。而且，為了驗(yàn)證該方法的實(shí)際應(yīng)用，用K波段的PIM測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了幾組測(cè)量，圖9顯示了在有和沒有專用低通濾波器(LPF)的情況下進(jìn)行的測(cè)量結(jié)果比較。

圖8 反射互調(diào)的低PIM測(cè)試系統(tǒng)

圖9 有無(wú)低通濾波器(LPF)的情況下測(cè)量結(jié)果比較

可以看出，低通濾波器的插入大大減輕了測(cè)試系統(tǒng)本身產(chǎn)生的PIM，其性能大約提升20-25 dB左右。該研究利用低通濾波器大幅度改善了反射PIM測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試性能。

傳統(tǒng)的PIM測(cè)試方法中，系統(tǒng)自身的PIM除了來(lái)自于終端負(fù)載的PIM干擾之外，用來(lái)分離載波信號(hào)和互調(diào)信號(hào)的收發(fā)雙工器也是PIM的一個(gè)重要來(lái)源。針對(duì)收發(fā)雙工器需要同時(shí)具有低PIM和高收發(fā)隔離的性能要求，中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院提出一種采用90°相位3dB電橋結(jié)合低通濾波器實(shí)現(xiàn)寬帶無(wú)源互調(diào)測(cè)量的方法[23]，利用電橋的寬帶特性，實(shí)現(xiàn)寬帶寬內(nèi)的互調(diào)信號(hào)接收，同時(shí)利用低PIM的帶通濾波器分離載波信號(hào)和互調(diào)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了高隔離的目的。此方法通過將90°相位3dB電橋和低通濾波器靈活組合，巧妙解決了傳統(tǒng)測(cè)試方法中高收發(fā)隔離和寬帶寬的矛盾，實(shí)現(xiàn)了寬帶范圍內(nèi)的高靈敏度無(wú)源互調(diào)產(chǎn)物測(cè)試。

為了提升無(wú)源互調(diào)測(cè)試系統(tǒng)的精確度，提升模塊測(cè)試精度是常用的思路，但構(gòu)建成本高昂。近年來(lái)，人們從PIM校準(zhǔn)方法入手，開發(fā)新的 PIM 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)方案，實(shí)現(xiàn)多種可調(diào)的無(wú)源互調(diào)參考源，以提升測(cè)試系統(tǒng)精準(zhǔn)度，這已成為PIM測(cè)試領(lǐng)域一個(gè)前沿的研究方向。2017年，西安交通大學(xué)大學(xué)陳雄等人[24]提出一種雙端口可調(diào)無(wú)源互調(diào)源，該可調(diào)PIM源基于電路方法實(shí)現(xiàn)，利用一個(gè)偏置的二極管提供可變非線性源，通過耦合網(wǎng)絡(luò)和合適的功率分配最終實(shí)現(xiàn)雙向的互調(diào)輸出。該電路結(jié)構(gòu)在PIM測(cè)試中可有效提供雙端口動(dòng)態(tài)互調(diào)校準(zhǔn)的PIM參考。同年，陳雄等人提出一種使用轉(zhuǎn)盤式非線性實(shí)現(xiàn)的可調(diào)無(wú)源互調(diào)源[25]，該P(yáng)IM源通過控制電磁場(chǎng)輻射鍍鎳鍍層材料位置面積實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)，避免使用了非線性強(qiáng)度大的二極管，不需要通過復(fù)雜的衰減網(wǎng)絡(luò)即可得到合適的PIM強(qiáng)度值，產(chǎn)生調(diào)制PIM波形以用于PIM測(cè)試儀器的校準(zhǔn)，提升PIM測(cè)試準(zhǔn)確度。

2.2 無(wú)源互調(diào)定位技術(shù)

微波部件或子系統(tǒng)內(nèi)部存在多個(gè)PIM故障源，這些故障源在空間環(huán)境下會(huì)被放大從而產(chǎn)生嚴(yán)重的PIM干擾，通常只能在多種組合測(cè)試條件和長(zhǎng)時(shí)間觀察下才有可能得到可靠的數(shù)據(jù)，即使測(cè)得PIM分量，也難以有效地定位其發(fā)生點(diǎn)，如果可以確定PIM故障源及隱患位置，則可以針對(duì)性地提出解決辦法，對(duì)于無(wú)源互調(diào)問題的解決是十分有效的方法之一。

早期關(guān)于PIM定位技術(shù)研究的公開文獻(xiàn)相對(duì)較少，常見定位方法主要分為兩種：微波全息成像法和外加激勵(lì)法。微波全息成像法是由Aspden在1989年提出的一種確定反射面的無(wú)源互調(diào)產(chǎn)物產(chǎn)生位置的方法[26]，由兩個(gè)獨(dú)立的發(fā)射天線產(chǎn)生不同的載波信號(hào)，并打向待測(cè)反射面，在反射面的近場(chǎng)通過微波掃描設(shè)備掃描互調(diào)頻率，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)散射場(chǎng)的采樣，這樣可以測(cè)得二維平面上各點(diǎn)反射波的幅度與相位。通過分析數(shù)據(jù)，得出反射面上互調(diào)場(chǎng)的分布。此方法也可以用于估算反射面天線的性能。外加激勵(lì)法[27]的本質(zhì)是: 利用兩個(gè)信號(hào)源產(chǎn)生兩路載波信號(hào)，用載波信號(hào)激勵(lì)待測(cè)器件產(chǎn)生 PIM，同時(shí)用聚焦的高功率聲波波束激勵(lì)待測(cè)器件，由于高功率的聲波信號(hào)會(huì)使得待測(cè)器件產(chǎn)生振動(dòng)，所以會(huì)影響器件的 PIM 特性，將高功率聲波的頻率調(diào)制到 PIM 產(chǎn)物的邊帶上，然后通過對(duì)邊帶分量的檢測(cè)以實(shí)現(xiàn)對(duì) PIM 的定位。

2016年，Anristu公司根據(jù)定向天線的原理設(shè)計(jì)出商用的PIM定位天線[28]，在使用時(shí)，僅需要在疑似的PIM產(chǎn)生位置掃描天線即就可快速確定PIM發(fā)射位置，因此，近場(chǎng)天線可被作為PIM定位方法的輔助性工具。此外，2017年密蘇里科技大學(xué)EMC實(shí)驗(yàn)室的Pomerenke D和Yang S報(bào)道了關(guān)于松動(dòng)連接的PIM源定位研究[29]，該研究利用超聲波振動(dòng)方法，提出了一種用于天線PIM定位的振動(dòng)調(diào)制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括解調(diào)系統(tǒng)和聲學(xué)振動(dòng)系統(tǒng)，前者用于檢測(cè)PIM信號(hào)，后者用于提供振動(dòng)源，其PIM定位直接依賴于振動(dòng)源的物理位置，因此，該方法極大地提高了PIM源的定位精度。

以上方法均是針對(duì)天線等開放結(jié)構(gòu)的PIM定位，而關(guān)于封閉腔體結(jié)構(gòu)的PIM定位研究相對(duì)較少。近年來(lái)，為了解決封閉腔體結(jié)構(gòu)PIM定位的技術(shù)難題，浙江大學(xué)冉立新團(tuán)隊(duì)在IEEE Trans.MTT上發(fā)表運(yùn)用k變換的PIM定位方法[30,31]?；跁r(shí)域多載波概念，將PIM參考源引入標(biāo)準(zhǔn)PIM測(cè)試系統(tǒng)，如圖10所示。兩路可控相干激勵(lì)信號(hào)源1和源2和無(wú)源互調(diào)參考信號(hào)源3共用同一信號(hào)源，無(wú)源互調(diào)參考信號(hào)源3產(chǎn)生“虛擬”的無(wú)源互調(diào)參考信號(hào)，頻率為f3=αf1+βf2，初始相位為φ3，α、β為第一、第二待測(cè)無(wú)源互調(diào)信號(hào)的階數(shù)參數(shù)。在接收端通過相位比較器得到實(shí)際無(wú)源互調(diào)信號(hào)與“虛擬”無(wú)源互調(diào)參考信號(hào)之間相位差為Φ，并利用頻譜儀測(cè)量獲得實(shí)際PIM信號(hào)的幅度值A(chǔ)。通過等間隔線性改變兩路可控相干射頻信號(hào)其中任一路的頻率值，獲得多組無(wú)源互調(diào)信號(hào)的幅度值A(chǔ)n和相位差值Φn，得其矢量信號(hào)形式AnejΦ。由矢量合成原理可得，測(cè)量得到的每個(gè)點(diǎn)的無(wú)源互幅度值A(chǔ)n和相位差值Φn合成的矢量信號(hào)形式等于所有無(wú)源互調(diào)發(fā)生位置點(diǎn)的矢量信號(hào)形式的疊加

(7)

式中：F(kPIM)為在波矢k空間上的多載波信號(hào)。

圖10 無(wú)源互調(diào)測(cè)試架構(gòu)

對(duì)函數(shù)F(kPIM)在波矢k空間進(jìn)行逆傅里葉變換，根據(jù)得到的橫坐標(biāo)值即可確定無(wú)源互調(diào)發(fā)生點(diǎn)的位置信息，從而在理論上實(shí)現(xiàn)任意多點(diǎn)的PIM發(fā)生點(diǎn)的定位。

上述逆傅里葉變換定位算法適用于寬帶系統(tǒng)的無(wú)源互調(diào)多點(diǎn)定位，因受本身傅里葉變換精度制約，對(duì)于相近的無(wú)源互調(diào)點(diǎn)的分辨或小尺度微波器件下的無(wú)源互調(diào)發(fā)生點(diǎn)位置的定位受到帶寬的限制，因此在窄帶條件下，往往無(wú)法對(duì)無(wú)源互調(diào)發(fā)生點(diǎn)進(jìn)行定位。為了實(shí)現(xiàn)窄帶下無(wú)源互調(diào)的定位，該團(tuán)隊(duì)提出了基于k空間多載波逆問題優(yōu)化定位算法的無(wú)源互調(diào)定位方法。該方法根據(jù)已知所有可疑的無(wú)源互調(diào)位置建立復(fù)數(shù)方程組，并對(duì)其構(gòu)造優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，使用最速梯度法等優(yōu)化解尋找最優(yōu)解參數(shù)，設(shè)定幅度閾值，尋找可能的PIM發(fā)生點(diǎn)，在窄帶條件下實(shí)現(xiàn)無(wú)源互調(diào)定位，但是缺點(diǎn)是需要較強(qiáng)的先驗(yàn)條件，有一定局限性?；诖耍搱F(tuán)隊(duì)提出了一種基于矩陣束方法的定位算法[32]，該算法在不需要無(wú)源互調(diào)可能發(fā)生的位置或數(shù)量的先驗(yàn)條件下，可以準(zhǔn)確判斷無(wú)源互調(diào)發(fā)生點(diǎn)的位置信息和幅度，有效地解決多個(gè)無(wú)源互調(diào)點(diǎn)的定位問題，且對(duì)噪聲具有魯棒性。

以上三種定位算法可以實(shí)現(xiàn)封閉微波腔體內(nèi)的多個(gè)無(wú)源互調(diào)點(diǎn)的同時(shí)定位，并且可以反映待測(cè)微波器件內(nèi)部電磁波傳播和反射情況，對(duì)促進(jìn)封閉腔體結(jié)構(gòu)PIM定位技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

3 無(wú)源互調(diào)抑制技術(shù)

無(wú)源互調(diào)廣泛存在于各種大功率微波器件及系統(tǒng)中，是限制器件及系統(tǒng)可靠性的技術(shù)難題，為了實(shí)現(xiàn)器件及系統(tǒng)的性能提升，在工程應(yīng)用中，抑制無(wú)源互調(diào)干擾是人們研究無(wú)源互調(diào)的最終目的。

在頻率預(yù)測(cè)方面，技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟。要合理選擇發(fā)射頻帶和接收頻帶，盡量避免使發(fā)射頻帶的低階互調(diào)產(chǎn)物落入接收頻帶，避免PIM干擾；在材料非線性方面，可以直接使用合適的材料來(lái)避免產(chǎn)生非線性，比如避免使用鐵磁等具有磁滯性的材料即可消除材料非線性。

針對(duì)接觸非線性，人們采用的思路主要有三種：一是保持接觸面潔凈，采用鍍層工藝等方法減少污染。二是采用高壓法蘭或嚴(yán)格的連接力矩實(shí)現(xiàn)金屬之間的連接，達(dá)到降低PIM的目的。三是避免金屬接觸，從根源上消除接觸非線性。

近年來(lái)，人們研究設(shè)計(jì)出許多低PIM微波器件，如低PIM的雙工器設(shè)計(jì)，低PIM大型可折疊反射面天線設(shè)計(jì)等。其中避免金屬直接接觸的思想是抑制PIM的一個(gè)新思路。有專利[33]給出非接觸式調(diào)諧螺釘，可以降低由調(diào)諧螺釘?shù)慕饘俳佑|產(chǎn)生的PIM，同時(shí)可以避免電磁泄露，但缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易加工[34]。2017年，中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院針對(duì)同軸連接器提出抑制措施[35]，通過在連接器陽(yáng)頭內(nèi)導(dǎo)體外側(cè)和陰頭內(nèi)導(dǎo)體內(nèi)側(cè)上均勻覆蓋內(nèi)導(dǎo)體介質(zhì)層，使兩者不存在金屬接觸，實(shí)現(xiàn)無(wú)源互調(diào)抑制。2018年，中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院陳翔等人基于間隙波導(dǎo)理論，提出非接觸電磁調(diào)控式寬帶大功率無(wú)源互調(diào)抑制方法，并以波導(dǎo)法蘭為例進(jìn)行了初步驗(yàn)證[36]，通過在常規(guī)法蘭面上增加周期性凸體結(jié)構(gòu)形成人工磁導(dǎo)體(Artificial Magnetic Conductor , AMC)平面，和光滑金屬平面所構(gòu)成的理想導(dǎo)電體(Perfect Electric Conductor，PEC)平面形成間隙，利用電磁禁帶特性，抑制電磁波泄露，同時(shí)形成非接觸結(jié)構(gòu)，有效抑制了無(wú)源互調(diào)的產(chǎn)生。同年，該團(tuán)隊(duì)針對(duì)低頻應(yīng)用需求，提出了一種結(jié)構(gòu)緊湊的折疊型非接觸波導(dǎo)法蘭(FCWF)結(jié)構(gòu)[37]，該研究首次將非接觸電磁帶隙結(jié)構(gòu)應(yīng)用于解決大功率微波器件的PIM問題。設(shè)計(jì)的折疊非接觸波導(dǎo)法蘭由兩個(gè)部分組成，凸形部分在波導(dǎo)外壁以釘床形式構(gòu)成AMC平面，凹形部分為空心階梯狀波導(dǎo)，其內(nèi)壁作為PEC平面。將凸形部分插入到凹形部分中，使彼此之間具有空氣間隙，如圖11所示。

圖11 折疊無(wú)接觸波導(dǎo)法蘭3D圖

該研究基于間隙波導(dǎo)理論，構(gòu)造非接觸電磁帶隙結(jié)構(gòu)，使得電磁場(chǎng)在波導(dǎo)間正常傳輸，不會(huì)從法蘭間隙中泄露。非接觸電磁帶隙結(jié)構(gòu)避免了法蘭面的物理接觸，從根本上消除了接觸非線性，實(shí)現(xiàn)對(duì)PIM的有效抑制。圖12是使用不同界面材料時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)法蘭和非接觸波導(dǎo)法蘭的PIM測(cè)試結(jié)果。由圖可知，非接觸波導(dǎo)法蘭的PIM性能接近于系統(tǒng)底噪水平且基本不受界面材料的影響，相比于標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)法蘭，獲得了最大超過30dB的PIM抑制度。該結(jié)構(gòu)可以大大簡(jiǎn)化表面處理和組裝過程，減少了時(shí)間和制造成本，為低無(wú)源互調(diào)微波器件的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

圖12 具有不同界面材料Al-Al，Al-Ag和Al-Ni的折疊無(wú)接觸波導(dǎo)法蘭和標(biāo)準(zhǔn)WR430法蘭的三階和五階PIM測(cè)量結(jié)果

2019年，中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院提出一種基片集成式低無(wú)源互調(diào)波導(dǎo)法蘭墊片[38]。該墊片通過介質(zhì)基片集成，構(gòu)造雙面平面型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，安裝在普通波導(dǎo)法蘭結(jié)構(gòu)之間，使普通波導(dǎo)法蘭面作為理想電導(dǎo)體平面，與墊片之間形成具有寬電磁禁帶特性的雙面無(wú)金屬接觸電磁帶隙結(jié)構(gòu)，該墊片既保證電磁波不會(huì)泄露，又實(shí)現(xiàn)了金屬非接觸，有效抑制了接觸非線性，實(shí)現(xiàn)器件的低PIM性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從無(wú)源互調(diào)產(chǎn)生機(jī)理、分析預(yù)測(cè)方法、檢測(cè)定位方法及抑制方法等方面綜述了近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外在無(wú)源互調(diào)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，分析并總結(jié)了最新進(jìn)展對(duì)無(wú)源互調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用的廣闊前景。

有效抑制無(wú)源互調(diào)干擾是無(wú)源互調(diào)工程研究中的主要方向。常規(guī)的抑制方法既需要對(duì)接觸面保證絕對(duì)的潔凈度，又需要精確的力矩固定，對(duì)加工裝配有很高的要求，而且也沒有從根本上消除接觸非線性，存在著長(zhǎng)期可靠性問題。不同于傳統(tǒng)的改善接觸方式，非接觸結(jié)構(gòu)不僅可以降低器件在加工以及裝配等方面的要求，而且穩(wěn)定性高，抑制無(wú)源互調(diào)效應(yīng)效果顯著，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。隨著微波器件的結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化以及新材料的開發(fā)使用，人們?cè)谝种茻o(wú)源互調(diào)干擾研究不斷有新的突破，相信未來(lái)人們會(huì)更好地推動(dòng)無(wú)源互調(diào)領(lǐng)域的快速發(fā)展，解決更多的無(wú)源互調(diào)干擾問題。