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(gè)或兩個(gè)以上的射頻信號(hào)通過非線性特性的器件傳輸時(shí)，合成信號(hào)中會(huì)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(jī)通帶內(nèi)時(shí)，就會(huì)形成寄生干擾。

　　在艦載通信鏈路中，由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)產(chǎn)生的有源互調(diào)干擾，可通過適當(dāng)?shù)南到y(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(shí)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(hào)較小時(shí)，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(hào)較大時(shí)，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(dòng)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(shí)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(guó)海軍研究所（Naval ResearchLaboratory），于20世紀(jì)70年代中期應(yīng)軍方要求，對(duì)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(guó)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(qiáng)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(duì)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(duì)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(guó)軍標(biāo)GJB681及其修訂版GJB681A中。

　　1．1 無源互調(diào)產(chǎn)生機(jī)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(dòng)的調(diào)諧螺絲，松動(dòng)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(gè)導(dǎo)電連接器（如：插頭與插座）連接時(shí)，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(huì)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。

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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(gè)間隙電壓，間隙電壓V是潛在的，可能激活任何一個(gè)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(dòng)或有較強(qiáng)信號(hào)時(shí)，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(shí)間而變化。

　　對(duì)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(jī)理主要有：

　?。?）點(diǎn)機(jī)械接觸引起的機(jī)械效應(yīng)；

　?。?）點(diǎn)電子接觸引起的電子效應(yīng)；

　　（3）點(diǎn)電子接觸和局部大電流引起的熱效應(yīng)；

　?。?）強(qiáng)直流電流引起金屬導(dǎo)體中離子電遷移；

　?。?）接觸面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)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(dòng)和滑動(dòng)以及氧化層或污染物的形成。前面提到的美國(guó)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(jī)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(chǎng)非線性變化，呈現(xiàn)磁滯特性，鐵磁材料能引起很強(qiáng)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(gè)導(dǎo)體到另一個(gè)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)。

　?。?）接觸電容。由接觸表面薄層和污染層所引起的電容。

　?。?）電致伸縮。電場(chǎng)會(huì)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(chǎng)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(qiáng)電場(chǎng)產(chǎn)生離子氣體會(huì)引起的二次電子倍增放電。

　?。?）空間充電。充電載流子在接觸點(diǎn)進(jìn)人絕緣體或半導(dǎo)體內(nèi)，這個(gè)效應(yīng)產(chǎn)生于非均勻內(nèi)部電場(chǎng)中，在半導(dǎo)體申，由于同時(shí)存在電子和空穴，因而可產(chǎn)生很強(qiáng)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(huì)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(gè)橫截面以均勻相等的密度流動(dòng)，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(shí)電

　　流趨向?qū)w表面流動(dòng)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(jī)理，但是生產(chǎn)實(shí)踐證明，電鍍質(zhì)量確實(shí)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(jī)理。

　　1．2 無源互調(diào)的特征

　　已知有源互調(diào)是指兩個(gè)及以上干擾信號(hào)通過接收機(jī)前端有源電路的非線性所產(chǎn)生的，只要互調(diào)信號(hào)頻率等于或接近有用信號(hào)頻率，就產(chǎn)生有源互調(diào)干擾：

　?。?）有源電路的非線性相對(duì)固定，不隨時(shí)間而變化。

　　（2）由非線性特性可預(yù)知，分析理論相對(duì)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。

　?。?）傳輸方向相對(duì)穩(wěn)定?？赏ㄟ^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(diǎn)：

　?。?）隨功率而變。美國(guó)海軍研究所對(duì)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(guó)安費(fèi)諾公司的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，輸入功率每變化一個(gè)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(shí)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(huì)隨時(shí)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(shí)了這一點(diǎn)。

　　（3）研究理論滯后。無源非線性特性準(zhǔn)確預(yù)測(cè)困難，至今一些現(xiàn)象仍不能完全用理論證實(shí)，仿真研究手段未有實(shí)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。

　?。?）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(gè)頻率為f1、振幅為A1的Vi（t）信號(hào)經(jīng)過一個(gè)具有非線性VI特性的無源兩端口元件時(shí)，其輸出信號(hào)Vo（t）中除基波外，還包含多次諧波：

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　　當(dāng)兩個(gè)以上的信號(hào)通過一個(gè)非線性網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其輸出信號(hào)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：

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　　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(hào)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。

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圖2 兩個(gè)信號(hào)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(duì)于高階互調(diào)與偶次諧波，因偏離基頻較遠(yuǎn)，接收機(jī)射頻濾波器通?？梢詾V除掉，因此無源三階互調(diào)（PIM3）是關(guān)注的重點(diǎn)，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(gè)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：

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　　若在Pf1＝Pf2＝20 W時(shí)測(cè)得PIM3的電平為－100 dBm，則用dBc表示為：

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