艦船通信系統(tǒng)的無源互調(diào)研究

引言

　　在通信系統(tǒng)中，當(dāng)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(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物（Intermodulation Product，IMP）。當(dāng)這些互調(diào)產(chǎn)物落人鄰近工作的接收機通帶內(nèi)時，就會形成寄生干擾。

　　在艦載通信鏈路中，由發(fā)射機和接收機產(chǎn)生的有源互調(diào)干擾，可通過適當(dāng)?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/系統(tǒng)">系統(tǒng)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(tǒng)不產(chǎn)生新的頻率分量。但是，實際上非線性變化在無源傳輸系統(tǒng)中是不可避免的，只是當(dāng)載波信號較小時，非線性產(chǎn)生的無源互調(diào)產(chǎn)物（Passive Intermodulation Product，PIMP）所引起的無源互調(diào)干擾（Passive Intermodulation Interference，PIMI）不大，而不為人們所注意而已。但當(dāng)載波信號較大時，這種互調(diào)干擾就較明顯了。PIMP通常在多載波通信環(huán)境中產(chǎn)生，典型的如共用寬帶天饋系統(tǒng)的船載通信系統(tǒng)、地面移動通信基站及衛(wèi)星地面接收站等，特別是要求大功率發(fā)射系統(tǒng)和高靈敏度接收系統(tǒng)同時存在于有限空間的艦船通信系統(tǒng)，其客觀存在的PIMI已不容忽視。

　　1 無源互調(diào)概論

　　歷史上，PIM現(xiàn)象首先是在要求收發(fā)天線共存于有限空間的艦船上觀察到的——這就是業(yè)界稱之為的“銹螺栓現(xiàn)象”（“Rusty bolt effect”），即因天線結(jié)構(gòu)元件銹蝕而產(chǎn)生通信干擾的現(xiàn)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(jì)70年代中期應(yīng)軍方要求，對因射頻連接器含有鐵磁材料的金屬零件而產(chǎn)生的PIMI問題進(jìn)行了深入研究，之后建議在美國軍用規(guī)范MIL－C－390l2B《射頻連接器通用規(guī)范》的修訂版中禁止應(yīng)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(xiàn)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(guī)定所有零件（除氣密封連接器外）都應(yīng)采用非磁性材料制成，材料磁導(dǎo)率值應(yīng)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(guī)定。所有這些都是預(yù)防PlMI產(chǎn)生的具體措施。這些要求也部分體現(xiàn)在我國軍標(biāo)GJB681及其修訂版GJB681A中。

　　1．1 無源互調(diào)產(chǎn)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(dǎo)法蘭盤，松動的調(diào)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(dāng)兩個導(dǎo)電連接器（如：插頭與插座）連接時，根據(jù)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(tài)：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(zhì)；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(xiàn)不規(guī)則和凹凸不平的接觸表面，主要有以下幾種接觸狀態(tài)：

　　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(gòu)成導(dǎo)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(jié)構(gòu)，是依靠隧道效應(yīng)和穿透薄膜的金屬橋進(jìn)行導(dǎo)電的，因而屬于半導(dǎo)體接觸導(dǎo)電，是非線性的；在接觸面之間夾有絕緣物質(zhì)的接觸處③則不導(dǎo)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(huán)繞間隙流過。在這兩種情況下，電流遭遇阻抗Z，產(chǎn)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(dǎo)體而引起隧道效應(yīng)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(gòu)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(wěn)定的擊穿，使導(dǎo)致PIM產(chǎn)生的形式具有偶然性，且幅度隨時間而變化。

　　對發(fā)生在靠近零電壓區(qū)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(tài)的好壞，決定了接觸非線性的程度。接觸非線性產(chǎn)生PIM的機理主要有：

　?。?）點機械接觸引起的機械效應(yīng)；

　?。?）點電子接觸引起的電子效應(yīng)；

　?。?）點電子接觸和局部大電流引起的熱效應(yīng)；

　?。?）強直流電流引起金屬導(dǎo)體中離子電遷移；

　?。?）接觸面的相對運動、振動和磨損；

　?。?）不同熱膨脹系數(shù)器件接觸引起熱循環(huán)。

　　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(fā)現(xiàn)的銹螺栓現(xiàn)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(chǎn)生機理主要表現(xiàn)在：

　?。?）鐵磁效應(yīng)。鐵磁材料（鐵、鈷、鎳等）具有大的磁導(dǎo)率，并隨磁場非線性變化，呈現(xiàn)磁滯特性，鐵磁材料能引起很強的PIMP，是產(chǎn)生PIM的主要因素。

　?。?）隧道貫穿。電子通過厚度小于10 nm的電介質(zhì)薄層直接由一個導(dǎo)體到另一個導(dǎo)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(yīng)。

　　（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(zhì)中的電致伸縮現(xiàn)象是同軸電纜中產(chǎn)生PIM的因素之一。

　?。?）磁致伸縮。磁場也能引起線度變化，主要產(chǎn)生于鐵磁材料之內(nèi)。

　?。?）微放電。材料內(nèi)可能存在微狹縫和砂眼，真空環(huán)境下由強電場產(chǎn)生離子氣體會引起的二次電子倍增放電。

　?。?）空間充電。充電載流子在接觸點進(jìn)人絕緣體或半導(dǎo)體內(nèi)，這個效應(yīng)產(chǎn)生于非均勻內(nèi)部電場中，在半導(dǎo)體申，由于同時存在電子和空穴，因而可產(chǎn)生很強的非線性電流電壓關(guān)系。

　　此外，還有離子導(dǎo)電、熱擊穿和雪崩引起的電介質(zhì)擊穿、熱離子發(fā)射效應(yīng)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(jìn)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(jìn)而產(chǎn)生無源互調(diào)——這可以用“趨膚效應(yīng)”加以解釋，即“直流電流在導(dǎo)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?qū)w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?qū)w表面流動的現(xiàn)象被稱為“趨膚效應(yīng)”。盡管目前難以全面說明因電鍍質(zhì)量產(chǎn)生非線性的機理，但是生產(chǎn)實踐證明，電鍍質(zhì)量確實影響著PIM產(chǎn)生電平。趨膚深度決定了電鍍層的厚度。

　　射頻電纜／波導(dǎo)與連接器的裝配工藝也影響著PIM指標(biāo)，這與接觸非線性有著類似的機理。

　　1．2 無源互調(diào)的特征

　　已知有源互調(diào)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(chǎn)生的，只要互調(diào)信號頻率等于或接近有用信號頻率，就產(chǎn)生有源互調(diào)干擾：

　　（1）有源電路的非線性相對固定，不隨時間而變化。

　?。?）由非線性特性可預(yù)知，分析理論相對成熟。

　?。?）指標(biāo)明確。軍標(biāo)或規(guī)范均能給出明確指標(biāo)要求。

　　（4）傳輸方向相對穩(wěn)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(diào)干擾幾近忽略。

　　與有源互調(diào)相比，無源互調(diào)呈現(xiàn)以下特點：

　?。?）隨功率而變。美國海軍研究所對PIM產(chǎn)生電平與輸入功率之間的關(guān)系進(jìn)行了研究?？傮w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(chǎn)生電平變化約3 dBm，業(yè)界一般認(rèn)為1:3的比例基本合理。

　?。?）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(fā)生改變，進(jìn)而影響非線性程度，本文后面的示例也證實了這一點。

　?。?）研究理論滯后。無源非線性特性準(zhǔn)確預(yù)測困難，至今一些現(xiàn)象仍不能完全用理論證實，仿真研究手段未有實質(zhì)突破，離工程化尚有相當(dāng)距離。

　?。?）產(chǎn)生環(huán)節(jié)多，傳輸方向非單一，難以采用傳統(tǒng)手段加以抑制。

　　（5）高階互調(diào)存在，且仍令人擔(dān)憂。

　　1．3 無源互調(diào)的表述

　　把一個頻率為f1、振幅為A1的Vi（t）信號經(jīng)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(dāng)兩個以上的信號通過一個非線性網(wǎng)絡(luò)時，其輸出信號Vo（t）除基波、各次諧波外，還包含所產(chǎn)生的PIMP的多種成分，再用傳輸方程表述將相當(dāng)復(fù)雜。這里，將PIMP頻率分量fPIM表述為：

　　式中：m，n均為整數(shù)，（|m|+|n|）定義為互調(diào)產(chǎn)物的階數(shù)。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(tǒng)，以確定可能產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)后產(chǎn)生的頻譜示意圖

　　由圖2可以看出，奇階互調(diào)分量毗鄰基波頻率，且分量幅度較大，可能進(jìn)人接收通帶內(nèi)，進(jìn)而形成干擾。對于高階互調(diào)與偶次諧波，因偏離基頻較遠(yuǎn)，接收機射頻濾波器通常可以濾除掉，因此無源三階互調(diào)（PIM3）是關(guān)注的重點，通常應(yīng)在技術(shù)指標(biāo)中予以明確。

　　PIMP通常用dBm或dBc來表示。dBm是以基準(zhǔn)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(guī)定的載波電平（如20W,即43dBm）基準(zhǔn)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：