艦船通信系統(tǒng)的無(wú)源互調(diào)研究 - 全文

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(guò)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(guò)適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)隔離控制其最小化，而無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)源互調(diào)產(chǎn)物（Passive Intermodulation Product，PIMP）所引起的無(wú)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(wú)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(chēng)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(kāi)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(wèn)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(mén)必須警惕由于鐵磁材料引起的潛在問(wèn)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(lèi)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(wú)源互調(diào)產(chǎn)生機(jī)理

　　PIM是由無(wú)源器件的非線性引起的。無(wú)源非線性有3種可能的主要模式，一類(lèi)為接觸非線性，另一類(lèi)為材料非線性，還有一類(lèi)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(pán)，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。

?

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(guò)。在較大空氣間隙處⑤，電流同樣環(huán)繞間隙流過(guò)。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(lái)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)；

　?。?）點(diǎn)電子接觸和局部大電流引起的熱效應(yīng)；

　　（4）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(guò)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)。

　　（3）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)。

　　（6）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。

　　（7）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(guò)于粗糙的表面和不合適的鍍層厚度將引起無(wú)源非線性，進(jìn)而產(chǎn)生無(wú)源互調(diào)——這可以用“趨膚效應(yīng)”加以解釋?zhuān)础爸绷麟娏髟趯?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(lái)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(chēng)為“趨膚效應(yīng)”。盡管目前難以全面說(shuō)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(lèi)似的機(jī)理。

　　1．2 無(wú)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(guò)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。

　?。?）由非線性特性可預(yù)知，分析理論相對(duì)成熟。

　　（3）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^(guò)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(wú)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)。

　?。?）研究理論滯后。無(wú)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。

　　（5）高階互調(diào)存在，且仍令人擔(dān)憂(yōu)。

　　1．3 無(wú)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(guò)一個(gè)具有非線性VI特性的無(wú)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：

?

　　當(dāng)兩個(gè)以上的信號(hào)通過(guò)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：

?

　　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。

?

圖2 兩個(gè)信號(hào)通過(guò)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)射頻濾波器通常可以濾除掉，因此無(wú)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(lái)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：

?

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

?

　　2 無(wú)源互調(diào)分析

　　水面艦船的通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、對(duì)抗、識(shí)別等系統(tǒng)的射頻部分自成系統(tǒng)，而艦船通信系統(tǒng)內(nèi)部”衛(wèi)星通信、超短波通信、短波通信、對(duì)空導(dǎo)航通信等分系統(tǒng)的射頻系統(tǒng)也相對(duì)獨(dú)立，各自產(chǎn)生的無(wú)源互調(diào)不僅對(duì)分系統(tǒng)內(nèi)部，更主要是對(duì)其他分系統(tǒng)，甚至其他系統(tǒng)的無(wú)線接收設(shè)各產(chǎn)生干擾，是艦船通信系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮的對(duì)象。這里的分析不針對(duì)運(yùn)用聯(lián)合孔徑與面陣天線等技術(shù)集成后的射頻綜合系統(tǒng)或集成電子桅桿。

　　2．1 無(wú)源互調(diào)現(xiàn)狀

　　艦載通信系統(tǒng)中的射頻天饋系統(tǒng)、射頻多路耦合器、電纜／波導(dǎo)組件等是產(chǎn)生PIM的主要部位。此外，外部環(huán)境中的支撐結(jié)構(gòu)、天線塔器件以及附近的任何金屬物體也會(huì)對(duì)PIM有影響。

　　2.1.1 天饋系統(tǒng)

　　天饋系統(tǒng)包括天線、射頻電纜、安裝座及支架等。目前其反射互調(diào)PIM3值一般在－120 dBc左右，設(shè)計(jì)制作良好者可達(dá)－130 dBc以下，其輻射互調(diào)尚難以精確測(cè)試。

　　寬帶收信天線：被動(dòng)接收本地其他天線輻射的大信號(hào)，而在自身內(nèi)部產(chǎn)生PIMI，進(jìn)而影響后端接收機(jī)的正常工作。

　　寬帶發(fā)信天線：多個(gè)載波信號(hào)通過(guò)其非線性產(chǎn)生互調(diào)分量，天線將其輻射出去后對(duì)本地其他接收機(jī)產(chǎn)生PIMI干擾。

　　寬帶收發(fā)天線：寬帶收發(fā)天線的PIM影響最為嚴(yán)重，是設(shè)計(jì)者考慮的主要對(duì)象。

　　2．1．2 多路耦合器

　　多路耦合器亦稱(chēng)合路器：艦船通信系統(tǒng)使用的有收信多路耦合器、發(fā)信多路耦合器及收發(fā)多路耦合器。對(duì)于V／UHF收發(fā)多路耦合器，其PIM3值在－ 95～－113 dBc之間，采用高端元器件者可達(dá)－123 dBc。

　　發(fā)信多路耦合器：多個(gè)載波信號(hào)通過(guò)其非線性產(chǎn)生傳輸互調(diào)，再經(jīng)射頻電纜與天線輻射出去后對(duì)本地接收機(jī)產(chǎn)生PIMI干擾。

　　收發(fā)多路耦合器：既有傳輸互調(diào)，也存在反射互調(diào)，其傳輸互調(diào)分量通過(guò)天線輻射出去影響本地接收；其發(fā)射互調(diào)分量對(duì)同一多路耦合器下其他電臺(tái)的接收形成PIMI。收發(fā)多路耦合器是PIM研究考慮的重點(diǎn)。

　　收信多路耦合器：因它的有用輸人信號(hào)較小，一般對(duì)其PIM指標(biāo)未作嚴(yán)格考核，但當(dāng)本地干擾信號(hào)較大時(shí)，亦不能忽視。

　　2．1．3 電纜與波導(dǎo)組件

　　射頻電纜／波導(dǎo)組件由電纜／波導(dǎo)、插頭及附件（緊固件、水密件）等組成，由于其材料結(jié)構(gòu)、加工工藝等存在不足，不同程度存在非線性。此外，電纜／波導(dǎo)組件與設(shè)各上插座的連接部位也可能產(chǎn)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(duì)于未提出PIM要求的艦船通信射頻電纜組件，測(cè)試其PIM3值一般在－OR dBc左右，差者甚至劣于－80 dBc。目前國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)廠商已能制作優(yōu)于－145 dBc的電纜組件。

　　2．2 無(wú)源互調(diào)分析

　　現(xiàn)以某艦船對(duì)空超短波通信子系統(tǒng)為例，分析PIM及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響。該超短波通信子系統(tǒng)設(shè)各組成框圖如圖3所示。在系統(tǒng)方案論證中，主要針對(duì)寬帶噪聲、諧波、阻塞以及多徑干擾所引起EMC開(kāi)展了分析，這里就PIM對(duì)性能影響進(jìn)行分析。

?

圖3 某型艦對(duì)空超短波通信子系統(tǒng)組成框圖

　　圖4為PIMI基本測(cè)試框圖。圖中，3部電臺(tái)A、電臺(tái)B和電臺(tái)C同時(shí)發(fā)射會(huì)產(chǎn)生6個(gè)三階互調(diào)頻率fjT12,fjT21,fjT13,fjT31,fjT23和f1T32，其分布如圖5所示，即：

?

圖4 PIMI測(cè)試框圖

?

圖5 信號(hào)與PIM3干擾之頻譜分布圖

　　電臺(tái)A和電臺(tái)B同時(shí)發(fā)射所產(chǎn)生的兩個(gè)三階互調(diào)頻率fjT12和fjT21；fjT12＝2f1-f2；fjT21＝2f2一f1；

　　電臺(tái)A和電臺(tái)C同時(shí)發(fā)射所產(chǎn)生的兩個(gè)三階互調(diào)頻率fjT13和fjT31; fjT13＝2f1-f3；fjT31＝2f3一f1；

　　電臺(tái)B和電臺(tái)C同時(shí)發(fā)射所產(chǎn)生的兩個(gè)三階互調(diào)頻率fjT23和f1T32; fjT23＝2f2-f3；f1T32＝2f3一f2。

　　當(dāng)三部電臺(tái)發(fā)射功率均為60 W，在UHF頻段測(cè)試所得的PIM3量值見(jiàn)表1。

表1 PIM3測(cè)試數(shù)據(jù)表

?

　　一般情況下，這6個(gè)三階互調(diào)頻率中，有些可能會(huì)落在VHF所在的108～174 MHz與UHF所在的225～400 MHz之外，形成對(duì)其他頻段的干擾，而落在本頻段內(nèi)的就對(duì)本頻段產(chǎn)生干擾。

　　測(cè)試發(fā)現(xiàn)：

　?。?）一個(gè)三階無(wú)源互調(diào)頻率點(diǎn)，不僅使得電臺(tái)不能

　　在該頻率點(diǎn)接收，還影響以該頻點(diǎn)作為中｀b的一段頻帶內(nèi)的電臺(tái)正常接收；

　?。?）VHF頻段發(fā)信所產(chǎn)生的PIM3會(huì)導(dǎo)致UHF頻段接收機(jī)的接收異常，反之亦然；

　?。?）PIM5同樣存在，大功率對(duì)空超短波電臺(tái)所產(chǎn)生的無(wú)源五階互調(diào)分量對(duì)工作在VHF頻段低端30～88 MHz的對(duì)海超短波電臺(tái)存在干擾；

　?。?）當(dāng)干擾以跳頻模式發(fā)射時(shí)，所產(chǎn)生的PIMI是時(shí)間上斷續(xù)的一個(gè)頻帶，對(duì)話音通信不會(huì)造成徹底阻塞，但會(huì)引起背景噪聲，而對(duì)數(shù)據(jù)通信則可能導(dǎo)致誤碼率升高；

　?。?）多電臺(tái)同時(shí)以跳頻模式發(fā)射時(shí)，所產(chǎn)生的PIMI頻帶很寬，規(guī)避接收與精確測(cè)試均困難；

　　（6）測(cè)試過(guò)程中，沒(méi)有觀測(cè)到偶階無(wú)源互調(diào)分量，或者偶階無(wú)源互調(diào)分量的幅度已超出測(cè)試儀器的精度。

　　3 無(wú)源互調(diào)測(cè)試

　　通常，PIMI測(cè)量系統(tǒng)可以分為無(wú)輻射型和輻射型兩種類(lèi)型，前者適合對(duì)非線性材料、連接器、同軸電纜、濾波器和波導(dǎo)器件的研究，一般置于屏蔽室內(nèi)，終端加一匹配負(fù)載，理想情況下不輻射任何能量；后者適合于對(duì)輻射結(jié)構(gòu)（如天線、饋線、結(jié)構(gòu)部件）的研究，通常放在消音室或開(kāi)放測(cè)量場(chǎng)地，受本地信號(hào)環(huán)境影響較大。無(wú)輻射測(cè)量系統(tǒng)又分為反射互調(diào)測(cè)試與傳輸互調(diào)測(cè)試兩類(lèi)。反射互調(diào)測(cè)試的基本測(cè)試組成框圖如圖6所示。

圖6 反射無(wú)源互調(diào)測(cè)試框圖

　　測(cè)試前，應(yīng)*估測(cè)試系統(tǒng)本身的自互調(diào)指標(biāo)低于DUT中預(yù)期產(chǎn)生的互調(diào)電平至少lO dB，而對(duì)于發(fā)射功率高于43 dBm的情況，需低于DUT中預(yù)期產(chǎn)生的互調(diào)電平至少20 dB，才能保證測(cè)試的準(zhǔn)確與有效。PIM測(cè)試系統(tǒng)主要由模擬信號(hào)源、大功率射頻功放、低互調(diào)頻譜儀、低互調(diào)合路器、低互調(diào)雙工器或定向耦合器、低互調(diào)大功率匹配負(fù)載、高性能功率計(jì)、PC機(jī)及測(cè)試軟件等部分組成。

　　4 降低PIMI的技術(shù)措施

　　PIMI的存在，警示在進(jìn)行艦船通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要兼顧傳統(tǒng)的有源互調(diào)干擾、諧波及帶外雜散所引起的性能下降，也應(yīng)將PIMI納人系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)考慮范疇，需對(duì)以往的設(shè)計(jì)方法重新進(jìn)行*估。

　　4．1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的考慮

　　PIMI是雙方面的，是干擾方與受擾方相互交融的結(jié)果，是一種能量沖突的權(quán)衡。干擾是外因，內(nèi)因是無(wú)源非線性。正確處理內(nèi)因與外因之間的關(guān)系，是降低PIMI影響的基礎(chǔ)。在既有通信技術(shù)體制基礎(chǔ)上，一是如何控制干擾源的能量、頻率、方向及發(fā)生時(shí)刻；二是增強(qiáng)受干擾設(shè)各的抗干擾能力?；赑IM的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮PIMI值的大小與接收機(jī)前端抗干擾的能力，若接收機(jī)前端抗干擾能力強(qiáng)，則對(duì)PIMI的要求就會(huì)低一些，反之則需進(jìn)一步控制PIMI在一個(gè)可接受的范圍內(nèi)。此外，要綜合平衡系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)各、零部件的PIM指標(biāo)，重點(diǎn)提升瓶頸設(shè)各PIM指標(biāo)。對(duì)系統(tǒng)而言，孤立對(duì)某個(gè)環(huán)節(jié)提出PIM要求，而忽視其他環(huán)節(jié)，其效果將難以充分體現(xiàn)。

　　值得注意的是，往往單一設(shè)備性能指標(biāo)均符合要求，但組成系統(tǒng)后卻發(fā)現(xiàn)相互共存困難，整個(gè)系統(tǒng)難以發(fā)揮最佳效能——這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者面臨的問(wèn)題之一。單個(gè)設(shè)各指標(biāo)不求新、求尖，而求合理，這個(gè)“合理”應(yīng)是包含整個(gè)EMC在內(nèi)的綜合考慮。例如：無(wú)線電收／發(fā)設(shè)各的發(fā)射功率與接收靈敏度就是一對(duì)矛盾，發(fā)射功率增加可以提升通信距離，但易對(duì)共址工作的接收機(jī)造成干擾；寬帶天饋系統(tǒng)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(tǒng)頂層設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)統(tǒng)一規(guī)劃，逐級(jí)分解PIM指標(biāo)，使各級(jí)系統(tǒng)、各層設(shè)各共同承擔(dān)PIM帶來(lái)的壓力，而不應(yīng)只在系統(tǒng)組成之后再來(lái)檢測(cè)、發(fā)現(xiàn)已組成系統(tǒng)存在的干擾問(wèn)題，這樣的代價(jià)可能是難以接受的。

　　此外，從技術(shù)管理角度出發(fā)，合理設(shè)置各設(shè)備工作頻率，保證絕大多數(shù)無(wú)源三階互調(diào)頻率不落在其他正在工作接收機(jī)的工作頻率點(diǎn)或其毗鄰范圍，這是規(guī)避干擾的一種辦法。

　　4．2 設(shè)備研制前的考慮

　　在做好設(shè)備指標(biāo)分配的基礎(chǔ)上，重視材料選擇、接觸設(shè)計(jì)、界面選擇、內(nèi)部連接、電纜夾緊裝置和電鍍等六個(gè)方面的設(shè)計(jì)，以達(dá)到預(yù)防PIM影響的目的。在射頻傳輸通路中，應(yīng)注意盡量采用低無(wú)源互調(diào)射頻元器件及零部件，避免使用鐵質(zhì)材料；所有射頻元器件設(shè)計(jì)，要留有足夠功率余量；射頻連接件應(yīng)使用相同材質(zhì)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(shè)計(jì)與施工中的考慮

　　工程設(shè)計(jì)與施工中主要應(yīng)注意1.1節(jié)中提到的“工藝非線性”和“接觸非線性”對(duì)PIM的影響，以期達(dá)到降低PIM影響的要求。注重射頻電纜／波導(dǎo)與連接器的裝配工藝；射頻連接時(shí)，避免不同材料間的直接接觸；盡量焊接所有的結(jié)點(diǎn)，使接觸連接結(jié)點(diǎn)的數(shù)量最少化；施工中所有的接觸連接結(jié)點(diǎn)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(jī)械加工、裝配、運(yùn)輸和安裝過(guò)程中注意使產(chǎn)品保持足夠的表面光潔度，避免污染,不受損傷。

　　4.4技術(shù)更新是降低PIM影響的有效途徑

　　縱觀艦船通信系統(tǒng)現(xiàn)狀，PIM客觀存在，制約著系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升。這既有基礎(chǔ)元器件發(fā)展參差不一的原因，更存在著技術(shù)體制制約的因素。尋求技術(shù)更新是艦船通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

　?。?）射頻綜合是降低PIMI的有效途徑

　　艦船射頻綜合是綜合運(yùn)用聯(lián)合孔徑、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、平面陣天線、材料、系統(tǒng)集成等技術(shù)，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(yōu)的艦上層建筑傾角、外形、陣群布置和材料應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)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(yīng)，減低PIM，特別是輻射互調(diào)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(shù)體制

　　碼分多址（CDMA）可大幅提高頻率利用率，進(jìn)而有效減低PIMI發(fā)生概率。目前，CDMA在民用移動(dòng)通信領(lǐng)域已得以具體運(yùn)用，但鑒于國(guó)內(nèi)對(duì)其核心技術(shù)的掌握程度還欠完善，尚未在海軍通信領(lǐng)域得到實(shí)質(zhì)性的推廣。盡管還存在一些不足，但CDMA對(duì)于減低PIM［發(fā)生幾率的潛在優(yōu)勢(shì)，應(yīng)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者值得考慮的技術(shù)體制之一。

　?。?）射頻光傳輸是跨越EMC瓶頸的發(fā)展方向

　　信息技術(shù)在20世紀(jì)取得了巨大發(fā)展，其主要基礎(chǔ)是微電子技術(shù)和以此為支撐的電子計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)三大技術(shù)，因而人們常稱(chēng)其為“電子信息技術(shù)（IT）”。隨著需求的不斷增長(zhǎng)，BIT在速率和電磁兼容性?xún)煞矫娴膲毫Ρ对?。在信息傳輸領(lǐng)域，光傳輸局部替代電傳輸?shù)某醪匠晒κ沟萌藗冎饾u注意到了光子技術(shù)在信息領(lǐng)域的潛在優(yōu)勢(shì)。因此，人們有理由相信．未來(lái)在艦船通信領(lǐng)域，嘗試將射頻前端集成于天線根部，使射頻小信號(hào)以光信號(hào)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(shù)的誕生，相應(yīng)的PIM］也不再?gòu)?fù)雜，反射互調(diào)與傳輸互調(diào)干擾將趨于微小，業(yè)界只需專(zhuān)注于輻射互調(diào)了。如果再輔以對(duì)輻射互調(diào)靈敏的“射頻綜合”技術(shù)，那么，跨越射頻EMC瓶頸就不再是夢(mèng)想。

　　5結(jié)語(yǔ)

　　在簡(jiǎn)要闡述PIM產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，分析了艦載超短波通信系統(tǒng)的PIM現(xiàn)狀，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，介紹了減小及規(guī)避PIMI的一些方法，并給出了作者在實(shí)際工作中的一點(diǎn)體會(huì)。隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，PIM建模技術(shù)將逐漸趨于成熟，這更有助于系統(tǒng)工程師預(yù)知系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能，控制技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步降低PIMI對(duì)通信系統(tǒng)性能的影響。相信在不久的將來(lái)，涉及艦船通信體制的無(wú)源互調(diào)相關(guān)技術(shù)規(guī)范將逐步完善，密集電磁環(huán)境下的無(wú)源互調(diào)干擾會(huì)進(jìn)一步得到有效控制。

?