卫星无源互调抑制及测量方法研究

丁亚玲，徐云东，张玉山

（上海卫星工程研究所，上海 200240）

0 引言

当两个或两个以上的载波通过一饱和或接近饱和的放大器时，因通道存在非线性，会产生互调干扰。若系统采用频分多址方式传输时，互调干扰可能会落入相邻通道内，降低该通道的载噪比，此类互调称为有源互调。在某些卫星通信系统中，一个天线同时用于发射和接收，利用双工器分离接收信号和发射信号，此时发射部分使用的金属——金属接头、铁磁材料制成的部件、天线等部件的弱非线性同样会引起互调干扰，此类干扰被称为PIM。无源互调幅度较小，对发射信号几乎不产生影响，但若这些微弱互调干扰信号通过收发共用双工器被耦合到接收机中，则有可能会对接收通道产生严重影响。本文对卫星收发共用通信系统的无源互调的幅度控制和测量进行了研究。

1 无源互调产生机理

PIM是一种非线性干扰，是信号通过无源部件（如双工器、隔离器、同轴电缆、连接器、天线、负载等）时产生的。虽然线性是无源部件的基本特性，但研究和实验表明无源部件也有微弱的非线性（尤其是在大功率下）。产生非线性的原因有两种：接触非线性和材料非线性。接触非线性是与有非线性电流电压的金属接触产生，如松动、被氧化和被污染等；材料非线性是指所用的材料，如铁磁、碳纤维、铁、钴、镍、铝等合金材料表现出非线性的电压电流特性。在单载波系统中产生的无源互调表现为有害噪声，多载波系统中产生的无源互调为各载波不同谐波的和频或差频信号以及宽带噪声。风云二号卫星有效载荷测量时，观察到宽带噪声形式的无源互调串入卫星接收通道。

无源互调与有源互调不同：通过合理配置滤波器，可消除有源互调影响，而无源互调出现在输出滤波器中或后面系统的微弱干扰信号，与接收信号的频率相同，很难消除。目前，PIM产生的精确微观机理仍不清楚，研究表明PIM产物的功率电平大小取决于部件的非线性程度。无源互调产物具有门限效应，国外研究测量表明，互调产物在输入电平没有达到门限值时不出现。无源互调产物随时间发生变化，在时间上不稳定，对温度也非常敏感，在各种测试条件下进行长期观测，才可获得可靠的数据。

2 PIM控制方法

虽然PIM产生原因复杂，但在设计、生产、测量和总装四个环节中采取针对性措施，完全可能实现卫星的低PIM，具体如下。

a）解决PIM干扰最有效的方法是对收发信号通道进行独立设计，并采取隔离措施减小PIM产物对接收通道的影响。若采用收发共用系统，高功率和低功率信号共用同一信号通道，则频率分配就成为决定PIM的关键。合理选择发射和接收频率，使PIM的阶数增高，PIM的功率电平会迅速降低。

b）避免出现可使通过导体的电流密度增大的尖锐边缘。机械部件的连接应紧密、精确安装，避免出现松动，避免在连接界面处出现金属氧化物等带有半导体特性的物质，导电面不允许存在多余物等，从而确保金属构件间电的连续性，否则会引起无源互调干扰，严重时引起宽带噪声。高质量的焊接会使引入的PIM噪声很小。

c）设计阶段应注意：在PIM的敏感区域尽量避免使用铁磁性材料（大量研究表明铁磁性材料易产生PIM），这类部件主要有环形器，隔离器，定向耦合器，终端负载等。如系统必须采用上述部件，就需用高电导率材料进行涂覆。射频部件设计时，应严格控制导体中电流密度的增加，可通过加大接触的横截面尺寸以降低电流密度。需要连接之处，尽量避免金属表面的连接，因为在这些接触表面可因氧化等原因形成金属－绝缘体－金属结（MIM），导致产生较大的PIM干扰。必须使用时，加大金属接触点的压力，以保证电流流过较大的接触面积，且压力增大有助于突破金属表面的氧化层并阻止其形成。在可能的条件下，采用粘接接头，但必须保证这些接头的质量，且无非线性材料、裂缝和腐蚀。系统中尽可能避免使用调谐螺钉，因为这种螺钉易松动或产生污染，从而产生PIM较大的产物。

d）调试装配时，系统各部件中的螺钉、铆钉、铰链和紧固件均应去磁处理。系统调试时使用无磁工具，包括钳子和螺丝刀。保持工作台无金属粉末和微粒，磁性粉末会被吸附到高场强之处，可能在系统测试期间一直寄生在射频器件中。一般，装配、调试过程与切削、锉削过程隔离。尽量使用整件，以降低PIM风险。精心调配，使各部件间失配为最小。

e）系统总装时应严格控制工艺过程，制定装配标准和规程。使用专业工具，包括力矩扳手等对连接器和电缆实现紧密安装，安装前所有电缆和连接器应进行PIM测量。

f）使用同轴电缆时，最好选用刚性屏蔽电缆；使用编织电缆时，应选用高编织密度电缆，同时避免编织物采用铁磁材料制造，镀银的铜是极好的一种选择，电缆的长度应尽可能短，特别是在电缆或波导拐弯处。

g）采取预防措施，防止器件的腐蚀：不用手触摸金属部件；同轴电缆安装前应从端部开始逐一清理干净；接插件接头使用后应清洁，但不得将其浸入液体中，这样会把污染物冲至难以清洗之处。

2.1 天线系统

卫星通信系统中，常有指令、信标、收／发天线等多副天线，是大功率信号发射与高灵敏度的接收通道的首要环节，而且天线反射面本身就是PIM的重要来源，因此天线系统的PIM控制至关重要。与天线系统PIM产生有关的因素有：

a）天线系统中为结构强度而使用了金属材料，MIM会导致PIM；

b）微小裂缝、微小细丝和金属结构中的洞等会引起PIM；

c）碳纤维及镀层的非线性；

d）与金属接触处的电子隧道效应和半导体效应；

e）材料结构不均匀对电导率的影响，热不平衡（能量）产生的粒子微观变化；

f）天线本体与某些部件边缘的处理过程，天线结构的铆接工艺等因素导致PIM；

g）在连接处的氧化、生锈或腐蚀。

反射器控制板的生产制造对PIM产生至关重要。对最常用的铆接铝制控制板，每个铆钉都是PIM产生的潜在因素，大型天线中该问题尤其突出，可在制造中改用胶粘解决。

高电流密度易产生互调产物。馈电通道设计是关键，原则上应采用整体馈电，但实际应用中几乎不可能，可使用目前已开发的具有高接触压力的法兰盘。另外，馈电副反射面的作用也不容忽视，特别是在轴对称系统中，整个副反射面及其支持结构对PIM有很大影响，副反射面顶点处对PIM非常敏感，副反射面支承结构及附件不宜采用金属－金属（M－M）接触。馈电通道设计中采用镀银铝结构，可消除不同类金属接触和不均匀膨胀引起的接触电势差；极化器加工采用电子束焊接；用电火花腐蚀的单片制造技术进行馈电部件整体加工。

2.2 同轴电缆

卫星系统中使用了大量同轴电缆，作为信号传输通路以及在天线和通信舱内的馈电系统间起转接作用，它们应确保有最小的群时延和损耗，在高功率多通道系统中也应保证不产生致命的PIM干扰。通信卫星中多个发射机和接收机共用一个馈源，形成共用天线工作模式，多路不同频率占有一定带宽的信号，通过同一传输电缆，会产生大量的互调产物。

同轴电缆互调干扰的主要影响因素是电缆的外编织层材料。分别用普通铜线、镀银铜线、镀镍铜线和不锈钢线构成编织物，互调测量的结果表明：在铜线上镀银极大地改善了同轴电缆的非线性特性，产生的无源互调最小，未发现明显的PIM产物；镀镍铜线产生的互调电平幅值较普通铜线高约13dB；不锈钢线产生了很高的三阶互调产物，电平幅值较普通铜线高约12dB；镀镍铜线和不锈钢线产生的PIM幅值有可比性，且对输入信号功率的响应曲线非常近似；在频段L，S，C进行的相同实验显示，对任何材料，三个波段的无源互调电平幅值对输入功率的响应非常相似，表明无源互调取决于编织材料的基本非线性特性；同轴电缆越长，产生的互调产物的电平幅值就越高，这是因为特定长度的电缆产生的互调产物大小由真正流过编织物接触点的总电流决定，电缆产生的总的互调产物是电缆中每个接触点互调产物的矢量和，即所有微观因素积累的和的宏观表现，因此随着长度的增加，接触点增多，互调产物的幅值就增大。

2.3 连接器

卫星系统中各种连接器的使用不可避免，而金属－金属连接器是PIM产生的重要来源，导致连接器触点电压电流非线性的因素有多个：半导体、电子隧道效应、电压滞后现象、电流的饱和效应、触点的几何学结构等。显微镜下检查连接器的细小结构，由于表面的粗糙程度可能会有单一的峰－峰接触发生，这些峰－峰值是接触压力的函数，可能发生塑性变形。因此随着接触压力的减小，接触表面会蜕变为单一接触点，此时电流密度将趋于非常大。当电流密度急剧增大时，电压电流的关系就与欧姆定理发生极大的偏差，形成PIM。

在微波频率下由于电流“趋肤”效应，频率1GHz时，约90%的电荷集中在连接器表面约数微米的区域，因此射频有效接触表面由真实接触表面仅仅数微米的环形带构成。金属表面总有由污染或氧化组成的边界层，在接触点处边界层会减少射频有效接触表面，电流通路可能会发生变化，表面峰值点的电流可能或大或小，即使很小的差别也会导致电子隧道效应的产生。

近期，提出了一种“无接触”连接器。它是一个双端口网络，传输损耗低，且中心导体间有空气介质，无物理接触。针对设计的频率，利用四分之一波长的阻抗特性进行阻抗变换。其内、外导体用低阻值的橡胶接头进行电气连接，达到设计的“无接触”，能减小无源互调。

3 PIM幅度预测

PIM是否对卫星产生危害的决定因素是其干扰的幅值。PIM的产物一般较小，随着阶次的增加幅值迅速减小。由于高灵敏度接收机的使用，要求的PIM功率电平非常小，典型值一般小于－130dBm（由通信链路计算确定）。直接测量此小功率电平的难度很大，有用信号易被测量系统产生的干扰淹没。

鉴于产生PIM的因素复杂，难以建立一明确的数学模型描述其非线性，故考虑利用低阶PIM幅值预测高阶PIM幅值。卫星系统的无源互调是多个分量的总和，而多数部件有或强或弱的非线性，尤其是在大功率条件下。为此，建立一数学模型，假设多级联部件中的某个部件为引起PIM的主要因素，认为系统的非线性主要在该级，其他级的部件为理想的线性器件，则可用单个传递函数模拟整个PIM产生过程，如图1所示。其中，理想线性部件的关系视作常数1处理。设非线性传递函数可表示为

式中：Cn为依赖于非线性的一组常数；Y，X分别为变量和自变量。

图1 无源器件非线性分析模型Fig.1 Nonlinear analysis model of passive compomemts

工程实际中，一般用双载波信号产生无源互调产物，即输入信号为两个载波信号：X＝A1cosθ1＋A2cosθ2，代入式（1），可确定各阶互调产物的幅值。任意奇次阶2if1＋（2j＋1）f2频率处的互调产物的幅值

三阶互调产物截断公式为Ypim3＝C3X3＋C5X5＋C7X7。测量三组三阶互调数据，解三元一次方程组，即可得到C3，C5，C7，由C5，C7即能得出五阶互调的幅值。同理，可预测更高阶的幅值。用该法可进行任意高阶PIM的幅值预测。

偶发宽带噪声的无源互调的幅值无法预测，需长期观测才能确定。若系统观测到宽带噪声形式的无源互调，则一般判断其连接部位出现问题，需对连接不良处进行处理，消除此类互调干扰。

4 PIM测量方法

对设计、加工完成的通信系统，需通过测量确定PIM干扰能否达到使用要求。PIM的测量系统有多种，根据测量类型主要可分为传输测量法、反射测量法和辐射测量法三种。

a）传输测量法

原理简单，测量系统易实现，测量原理如图2所示。常见的双端口微波部件的无源互调的测量可用此法。

图2 传输测量法原理Fig.2 Principle of transmission measurements

b）反射测量法

可用于多数非辐射的单端口、双端口和多端口部件PIM测量，并可用于天线本身及馈源的PIM测量，如天线、波束形成网络、双工器、同轴电缆、大功率负载、适配器和隔离器等。测量原理如图3所示。

图3 反射测量法原理Fig.3 Principle of reflection method

c）辐射测量法

可测量有能量辐射功能的部件，如喇叭、振子、螺旋、微带天线，以及安装了主馈源的反射面天线和阵列天线。为防止外界的电磁干扰，提高测量数据的准确性和可靠性，需将辐射部件置于吸波屏蔽暗室内。此法需用相应的接收天线检测PIM，测量结果为辐射部件和接收天线总的PIM数值。测量原理如图4所示。

图4 辐射测量法原理Fig.4 Principle of radiation measurements

5 风云二号卫星转发通道PIM测量方法

5.1 卫星工作模式

风云二号卫星运行于地球同步轨道，姿态控制为自旋稳定方式，有效载荷为扫描辐射计，可探测地球表面可见光、红外、水汽等气象信息。因采用自旋稳定控制，卫星扫描辐射计扫到地球的时间占卫星自旋周期内的小部分，当扫描辐射计扫描太空时可对扫描辐射计摄取的原始云图信息作降速处理，处理后的云图经星载数传与云图广播转发器分系统转发后供中心站和中小气象站接收使用，或在取图间隙转发测距信息和低速率信息等。云图转发通道如图5所示，采用收发共用天线，输入信号功率量级为10－11～10－7W，输出信号功率约20W。卫星信号公共传输部分均为结构腔体或结构件，设计时严格控制无源互调水平。

图5 风云二号卫星云图转发通道Fig.5 Cloud forward channel of FY－2satellite

5.2 转发通道无源互调测试方案

风云二号卫星的发送信号频率有7组，频率差最大26MHz，发送信号频率与接收信号频率差360MHz，故发射信号的25阶以上的交调才有可能落入接收通道。建立了一套风云二号卫星的无源互调测试系统，如图6所示。具体方法如下：在卫星旋转关节处天线安装端口连接高频电缆至测试设备，测试数传与云图转发分系统的无源互调。因无源互调存在功率门限性，用信号源向卫星云图转发器输入端发送测试信号，经卫星的变频、放大，使卫星的功放处于饱和输出状态，再将信号发送到地面测试设备（频谱仪）。若发射通道发射大功率信号激发产生无源互调耦合到卫星接收机，经传输通道近130dB的增益放大后，可在测试频谱仪中明显观察到。整星状态下测得转发通道的频谱如图7所示。由图可知：在通道带宽内除测试信号外无杂散谱线，说明发射信号产生的mf1±nf2形式的互调信号均淹没在接收机热噪声中。卫星测试过程中曾发现转发信号带宽内偶发宽带噪声，其间噪声带起伏变化，经过一段时间会恢复到正常频谱，其中两幅频谱如图8所示。该现象不同于微放电现象，因发生微放电现象，故障一直维持，直至无信号功率输入。经排查，发现宽带噪声无源互调均由收发共用部分的连接状态不良产生的。

6 结束语

本文对卫星无源互调抑制措施及测量方法进行了研究。采用收发共用设计的卫星通信系统应重视收发共用部件的无源互调控制，系统研制中在频率分配、机械设计、电气设计、材料结构、加工工艺和装配过程等方面制定减小PIM的方法和措施，以确保系统的PIM不影响系统正常工作。系统研制完成后还需用合适的测试方法进行测试，验证控制措施的有效性，确保卫星入轨后正常工作。

图6 风云二号卫星无源互调测试系统Fig.6 PIM test system of FY－2satellite

图7 卫星转发信号正常频谱Fig.7 Normal spectrum of forward signal

图8 卫星转发信号异常频谱Fig.8 Abnormal spectrum of forward signal