航天微波部件的无源互调抑制方法研究进展

王小丽，陈翔，李军，崔万照

中国空间技术研究院西安分院 空间微波技术重点实验室，西安，710100

无源互调(passive intermodulation, PIM)是指多个大功率载波信号通过微波无源部件时，由于微波无源部件中的弱非线性导致载波信号产生非线性互调的现象[1-2]。PIM广泛存在于各种连接器、滤波器、双/多工器及天线系统中。PIM产物一旦落入接收通带，会影响通信质量，严重时可能直接堵塞信道，造成通信中断。随着微波部件及系统传输功率的增加，PIM问题愈加严重。PIM干扰是大功率微波部件及系统性能退化或失效的机制之一，不但严重威胁通信系统的安全，也制约着卫星技术和通信工业的进一步发展[3-4]。例如，在空间技术应用中，PIM的发生会直接导致航天器与地面或航天器间的通信中断，严重危害航天器的在轨安全运行。同时，大功率、高灵敏度收发共用体制是未来卫星通信的重要发展趋势，而PIM问题成为该技术发展的重要障碍。此外，在民用基站、5G通信中，PIM也是一个重要的性能影响因素[5]。总之，PIM性能已成为通信系统中微波部件的重要考核指标。

由于PIM的产生机理复杂多样，其发生和表现形式呈现出很大的随机性，对微波部件及系统进行准确有效的PIM建模、分析及预测十分困难，多数情况下甚至是不可实现的。因此，避免微波部件及系统受PIM影响就离不开有效的PIM抑制方法和技术，且伴随各类应用需求的不断增长，对无源互调的抑制技术也提出了更高的要求。本文从多个方面详细总结归纳了近年来主流的、最新的无源互调抑制方法及发展现状，在此基础上探讨了未来无源互调抑制方法的发展趋势及重点关注方向，为无源互调基础研究和工程应用提供一定的参考。

1 无源互调产生机理

PIM是由微波部件中的无源非线性所导致，主要原因包括材料非线性和接触非线性两大类。通常情况下，无源非线性是一种弱非线性效应，只有在大功率载波情况下，才会产生明显的PIM干扰效应。材料非线性主要是由具有非线性导电特性的材料引起，只要具有非线性导电特性的材料(如铁磁性材料等)暴露在电磁环境内，无需部件发生物理接触，就会激发产生PIM干扰[6]。因此，在对PIM性能有要求的大功率部件及系统中，要避免使用各种非线性材料，从而消除由于材料非线性引入的PIM问题。

接触非线性主要是由金属与金属之间的非理想电接触引起。实际的金属表面存在氧化、脏污等现象，且在加工制造过程中，金属表面无法达到理想的光滑平整状态，会存在一定的粗糙度[7-8]，以上各种因素会导致金属接触面间无法实现理想接触，实际中微波部件及系统中的各类接触均为非理想接触[9]。非理想接触面的微观结构示意如图1所示，其中包含以下几种接触状态：1)金属与金属的连接处构成金属-金属(metal-metal, MM)接触；2)接触面之间有金属氧化物膜时，则会形成金属-氧化物-金属(metal-oxide-metal，MOM)接触；3)金属面之间夹杂绝缘介质时，则会形成金属-绝缘层-金属(metal-insulator-metal，MIM)接触；4)微小的空气间隙;5)较大的空气间隙。从图1可以看出，由于存在不同的接触状态，金属接触面实际中有许多微凸体接触结。在大功率微波传输时，当强电流流经接触面的金属微凸体接触结时，由于接触面积突然骤减，电流密度相应增大，在满足一定条件时，微凸体接触界面的氧化层或绝缘层会形成薄的电势垒，导致发生量子隧穿、热电子发射等多种载流子非线性效应[10]，进而引发非线性的电流-电压关系。接触结上的非线性I-V关系使得通过的多个载波信号产生非线性互调，即为无源互调效应。

图1 非理想接触面微观示意[11]Fig.1 Microscopic sketch of non-ideal contact surface

不同于材料非线性，由于金属接触结构在微波部件及系统中随处可见，接触非线性在微波部件中很难避免，因此接触非线性是微波部件及系统中的主要PIM根源。无源互调的抑制方法与如何消除接触非线性息息相关[12]。此外，接触非线性受电接触表面的微观状态、连接力矩、结构松动、金属表面氧化及温度等多种因素影响，因而接触非线性导致的PIM问题种类繁多，例如各类连接器、波导法兰、电缆等部件的结构、工艺，以及螺钉连接、焊接及部件系统组装等制造安装过程所引入的PIM都各不相同。因此，实现稳定、可靠的PIM抑制十分困难和复杂。

2 无源互调抑制方法

针对接触非线性所导致的PIM问题，实现其抑制的主要途径分为改善电接触和消除电接触两种。改善电接触主要通过各类制造工艺、表面处理工艺及装配工艺控制，使得接触面获得更好的电接触状态，进而削弱接触非线性效应。消除电接触主要思想是避免金属面的直接接触，如通过表面处理形成介质隔膜，或者采用介质材料实现部分功能结构，以及避免形成切割电流和不连续性结构等。

在传统方法的基础上，近年来国内外发展了多种新型的PIM抑制方法，如一体化设计制造、构造非接触电磁带隙结构实现PIM抑制以及数字信号处理实现PIM抑制等。其中，一体化设计制造方法侧重并依赖于先进制造技术，构造非接触电磁带隙结构实现PIM抑制是一种从电设计角度避免金属接触的全新方法，而数字信号处理实现PIM抑制则是在通信系统层面所采用的一种系统性干扰消除方法。

传统的PIM抑制技术和新兴的PIM抑制方法各有其优劣势，以下对各种PIM抑制方法做分类总结。

2.1 工艺优化PIM抑制方法

传统的PIM抑制方法主要通过表面处理工艺和制造装配工艺控制实现，通过复杂的表面处理工艺如电镀工艺对接触面进行镀层处理，改善金属表面因氧化、粗糙度等影响造成的非理想接触状态，或者采用高压连接等精确装配技术降低微波部件在长期服役环境中因温度等因素导致连接松动的可能性，通过改善电接触降低PIM影响，提升大功率微波部件的工作性能[13]。

在表面处理工艺中，采用镀银层处理居多。微波部件一般为铝材制作，而铝材的PIM特性较差，其表面容易形成氧化薄膜，若不对其表面进行镀层处理，因氧化物薄膜的存在会形成MIM接触非线性效应，导致较高的PIM电平产生。银具有良好的PIM特性，但其价格相对昂贵，不宜直接使用制造微波部件， 利用电镀工艺在铝制品部件表面镀银层是一种普遍且有效的PIM抑制方法。银镀层应无杂质且必须用铬酸盐进行钝化，一般镀层厚度应在6 μm以上，以避免镀层因厚度不够而对PIM抑制效果产生影响。除了传统镀银层，采用表面处理工艺形成的非金属化合物介质隔膜或使用介质材料的螺钉可以实现消除电接触的功能，避免因金属直接接触而产生接触非线性效应。

Macchiarella等研究了PIM与微波部件的镀层，螺钉的材质等因素的关系，研究表明均匀的镀层和合适的材料均对降低微波部件的PIM干扰有重要作用[14]。张可越等在平面倒F天线(planar inverted-F antenna, PIFA)接触结的基础上，提出了一种利用液态Ga-In合金(EGaIn)抑制PIM的方法[15]。将EGaIn置于引起PIM的接触位置，可以在室温下实现稳定的触点连接位置的可重构连接。该方法对金属焊料的改进有一定促进作用。

李韵等针对同轴连接器提出抑制措施，通过在连接器阳头内导体外侧和阴头内导体内侧上均匀覆盖内导体介质层，消除阴阳两导体之间的金属接触，实现无源互调干扰抑制[16]。张洪太等在同轴滤波器的基础上，利用非导电介质螺钉，在保证同轴滤波器结构完整的同时实现金属-非导电介质-金属接触，消除金属电接触，降低了部件的PIM干扰[17]。王琪等分析了同轴滤波器无源互调产生的位置，研究发现了表面镀层处理和不同材料的调节螺钉对无源互调效应的影响规律，采用介质隔离改变同轴连接器内导体和馈电杆的接触方式，对微波部件的工程制造有一定借鉴意义[18]。

在制造装配工艺方面，采用高压连接以及严格的连接力矩实现接触面足够紧密的连接是PIM抑制的惯用方法。利用增压台等高压结构在微波部件连接处实现接触面紧密接触，降低因连接松动、接触不良产生的PIM干扰，避免微波部件或系统因PIM干扰而出现性能下降甚至损坏的情况。文献[17]中，在同轴连接器的个别连接处采用了增压环等高压连接结构，当接触面压力达到要求的情况下，直接取掉固定螺钉，保证结构在无金属螺钉的情况下实现紧密连接，抑制接触不良带来的无源互调效应。

实际工程制造中，为便于微波部件加工组装，一般采用分割加工的方法对微波部件进行加工制造。先将微波部件分为几部分，部分制造加工完成后再用螺钉等进行组装固定。需要注意的是，分割加工之前需仔细分析部件内部表面电流分布，根据表面电流分布选择切割面，避免因切割造成部件表面电流不连续，导致PIM产生。

表面处理工艺和装配组装工艺的改进可以大限度地消除MOM、MIM及MM等结构，使得电接触面接近理想电接触状态，并保证接触面的足够紧密连接，从而降低金属在接触过程中产生的无源互调效应。但需要注意的是，电镀工艺中需要复杂的工艺控制，要求严格控制金属表面的镀层材料及厚度，因为“趋肤效应”的存在，不合适的镀层厚度将引起非线性，产生无源互调。当趋肤深度大于镀层厚度时，PIM电平还将会增大。装配组装工艺需要保证器件连接处精确的连接力矩，切割组装时需要精准的选择切割面以避免造成电流不连续，会带来相对高昂的制造成本。

2.2 结构优化PIM抑制方法

目前低PIM设计主要是通过降低单个部件的PIM值达到降低整个系统PIM干扰从而保证系统性能的目的，但对于高频大功率的通信系统来说，需要采用同轴射频接头及同轴电缆将各个微波部件连接起来，由于同轴射频接头的自身PIM问题及连接过程中会产生PIM等问题难以解决，所以系统中无源互调干扰问题非常严峻。针对此问题，国内外专家提出一体化设计制造的新型思想。

Dallaire等在Alphasat-XL卫星项目中负责设计制造了一款大型多波束收发共用馈源阵列天线[19]。如图2所示，馈源阵列由120个螺旋辐射元件以三角格形式紧密排列在一块七边形大型面板上，每个辐射元件都包括一个杯形螺旋辐射器，其背后连接用以供电的高性能双工器，双工器由通过同轴T型结连接的发射带通滤波器和接收带通滤波器组成。该设计减少了每个子部件内及部件之间的零件和接头数量，对大型面板及各个辐射元件采用一体化制造的方式，令所有元件加工为一个整体，整个阵列天线中不存在连接结构，各零件之间无金属连接松动、接触不良等问题，经实测，PIM水平基本与系统底噪水平相同，满足天线的低PIM需求。

Smacchia等针对无源互调测试系统进行了结构改进，为了降低无源互调测试系统自身的PIM值，将测试系统中滤波器和双工器等部件(图3虚线框中部件)集成至单个多工器中，利用单个多工器实现部分部件一体化加工，减少部件级联结构，降低了系统自身产生的PIM干扰[20]。殷新社等通过一体化设计，解决了微波双工器与天线馈源系统的无源互调抑制难题[21]。其通过精确计算部件尺寸及优化两种部件之间的相位，将双工器腔体与天线馈源底座实现一体化设计加工，避免了传统设计中用同轴射频接头及同轴线缆连接双工器与天线馈源，减少了连接器的使用，从而消减了因连接产生的接触非线性，避免了接头处PIM的产生，大大改善了部件的PIM特性，为大功率通信系统提供了新型的解决方案。

图3 一体化反射PIM测试系统Fig.3 Conducted PIM test bed for collecting backward PIM

电接触平面是微波结构中PIM的主要来源。一体化设计制造方法从减少微波部件间电接触连接结构的角度出发，用先进的材料和高超的工艺制造技术抑制无源互调的产生，实现微波部件的PIM性能优化。相比于表面处理工艺等改善电接触的传统方法， 该加工制造方法可以实现稳定的PIM抑制作用。但是，该方法不仅对部件材料提出严格要求以防加工时发生形变，而且需要强大的制造技术支撑。这给加工制造技术提出了更高的要求。

除了一体化结构优化方法，李霄枭基于腔体滤波器提出降低PIM的结构改进方法[22]。腔体滤波器的PIM主要来源于调谐结构及接头处的金属接触，为了降低PIM干扰，其对调谐结构进行优化，实现非接触耦合，并采用介质螺钉代替传统的金属螺钉，利用介质隔离方法减少金属螺钉产生的金属接触非线性，从而达到降低PIM干扰的目的。该结构的不足之处是，由于采用介质螺钉，端口会存在电磁泄漏，还需进一步改进优化。此外，为了减少金属接触面积以抑制PIM，采用扼流槽的扼流式法兰也得到普遍应用。扼流槽可以避免一部分电接触，有效降低PIM干扰，但该结构工作带宽窄，无法实现宽带性能，在实际应用中受到一定限制。

卫星有效载荷在发射、入轨及绕轨运行的过程中，会经历剧烈的温度变化及振动，温度的变化对于电接触结构的载流子输运过程有着不可预知的影响，温变状态下的热胀冷缩效应以及剧烈的振动会对接触面的微观接触状态产生影响，有可能破坏原始的电接触状态，进而增强非线性效应，加重无源互调干扰。为使无线收发系统的PIM性能满足航天在轨使用要求，各级子部件如天线，馈电元件和反射元件等应在高温和低温循环下进行PIM性能测试[23]，选择合格的部件，然后经过组装测试和系统联合测试的部件通过热真空测试，确保“天线+收发器端”系统满足在轨使用要求。

2.3 非接触式PIM抑制方法

针对由接触非线性引起的PIM干扰，采用非接触式结构代替传统金属接触结构是近几年兴起的一种新型思路。非接触式PIM抑制方法是基于间隙波导理论，从电设计角度出发，通过构造非接触电磁带隙(electromagnetic band gap, EBG)结构代替传统接触结构实现抑制PIM的一种方法。电磁带隙结构是使某一频率带无法在其间传播的一种周期性结构，它可以保证电磁波在不封闭的空间里正常传输而不泄露。利用这一特性，构造非接触式电磁带隙结构，既可以消除因金属接触产生的接触非线性效应，又可以利用电磁带隙结构特性保证电磁波的正常传输，一举两得，形成独特的抑制PIM干扰的新角度。陈翔等从非接触电磁带隙结构出发，设计制造了一款非接触波导法兰[24]，如图4所示。该波导法兰由阴阳两个部分组成，阳部的主体波导外壁用周期分布的金属柱阵列即钉床(bed of nails)的结构环绕包围，该钉床形式构成间隙波导技术中最常用的人工磁导体(artificial magnetic conductor, AMC)表面。阴部为空心阶梯状波导，其内壁作为理想电导体(perfect electrical conductor, PEC)平面。将两部分套扣在一起，如图4(d)所示，实现AMC平面与PEC平面平行放置，构造出基本的电磁带隙结构，利用其电磁禁带特性实现对特定频带下电磁场的屏蔽，保证电磁波沿波导方向正常传输而不泄露。非接触结构从根源上消除法兰接触面由于不良电接触产生的接触非线性，达到高效抑制PIM的目的。而且该结构不受限于繁杂的表面处理过程，组装简单，为低无源互调微波部件的设计提供了新的思路。

图4 折叠无接触波导法兰3D图Fig.4 3-D sketch of the proposed FCWF

基于非接触式抑制PIM的思想，针对波导法兰因接触非线性导致的PIM问题，陈翔等相继提出了多种新型非接触式低PIM法兰及转换结构[25-28]。文献[28]提出一种基片集成式低无源互调波导法兰垫片,如图5所示。

图5 基片集成式低无源互调波导法兰垫片示意Fig.5 Schematic diagram of substrate integrated low passive intermodulation waveguide flange gasket

该垫片通过介质基片集成，介质基片的两面排布整齐的金属单元阵列，构造双面平面型AMC结构，正反面周期性金属单元通过金属化通孔相连接，垫片安装在普通波导法兰结构之间作为过渡结构，过渡连接时使普通波导法兰面作为PEC平面，与垫片的AMC平面形成具有宽电磁禁带特性的双面无金属接触电磁带隙结构，实现无金属电接触条件下的电磁屏蔽。测试结果显示该结构对无源互调的平均抑制度达到20 dB以上，接近系统残余互调水平，表现出显著的PIM抑制性能。

采用非接触电磁带隙结构解决大功率微波无源互调问题是实现无源互调抑制的全新视角。其主要思想是利用非接触电磁带隙结构的无物理接触优势实现整体微波部件的全面非电接触化设计，全面消除传统微波部件中产生无源互调的接触非线性源，实现整体部件的稳定低无源互调特性。但是作为降低无源互调效应的创新方案，非接触式微波部件中除电接触之外的其他物理因素是否会额外引入非线性源，是未来研究中亟待解决的问题。

2.4 数字信号处理PIM抑制方法

无源互调作为一种宽带干扰，利用数字信号处理方法对其抑制的情况相对较少[29]。近年来，依赖于模拟或数字方法，在上行链路接收端自己造出一路功率相等、极性相反的无源互调信号，对PIM干扰信号进行对消是数字信号处理PIM抑制领域的一个全新且有效的方法。

PIM干扰信号对消原理如图6所示[30]，根据基带接收信号，构造新的PIM干扰信号，然后用接收信号与重建PIM干扰信号联合估计出时延、频偏和相偏，两者进行相消，最后得到有用信号，完成无源互调的自适应抑制。

图6 PIM 干扰信号的对消原理Fig. 6 PIM interference signal cancellation principle

张序琦基于数字信号处理的无源互调对消方法，针对双载波BPSK与QAM信号所产生的PIM干扰，推导了其时域表达式，将PIM干扰简化为类似调制信号的形式，利用实测信号对其进行验证，并修正了无源互调数学模型中的参数,根据无源互调干扰的数学模型，对实际干扰进行估计，进而将PIM干扰进行对消[31]。2011年，爱立信公司提出无源互调动态消除方法，通过测定多个函数系数，动态估计和消除无线通信节点中的时变PIM干扰[32]。后来，该公司提供PIM信号估算和抑制的方法，通过对具有不同极化的多个输入信号求和估计PIM信号以抑制PIM[33]。田露针对采用收发共用天线的高功率和高灵敏度的数字卫星收发系统，提出基于导频信号和基于盲估计的无源互调自适应抑制方法，考虑了无源互调的时变特性，提出时延和频率的联合估计算法，并完成宽带卫星通信系统无源互调对消算法的实现，数据仿真显示该算法可以有效补偿无源互调干扰，达到提高收发共用系统可靠性的目的[30,34-35]。Waheed等针对收发共用系统的无源互调效应，对接收器频带上可观察到的PIM失真推导了不同的信号模型以生成准确的抵消信号，利用抵消信号对PIM进行消除，实现PIM抑制，并通过实际的测量来评估设计的数字消除和参数估计解决方案的性能[36]。

安金坤等结合扩频信号特点，提出了扩频体制测控链路下的PIM全盲抑制算法[37]。该算法将无干扰扩频信号进行小波包分解，分解之后的信号满足高斯分布的特性，利用该特性无须收集扩频测控信号的任何先验信息，直接实现对含PIM干扰的扩频体制测控信号的盲处理，最终实现PIM干扰抑制性能。方天琪等人提出了利用低密度奇偶校验(low density parity check，LDPC)码减小PIM干扰对通信性能影响的方法[38]。

目前数字信号处理PIM抑制方法的研究尚处于起步阶段，宽带卫星通信系统PIM干扰信号对消算法可广泛应用于采用收发共用天线的高功率和高灵敏度的数字卫星系统，以达到降低运行风险以及提高收发共用系统可靠性的目的。但该抑制方法在计算量较大的数字处理方面存在一定局限性，算法还存在很大的优化空间。

3 结束语

无源互调问题广泛存在于大功率微波部件中并对卫星及地面通信系统产生严重干扰，因此有效抑制通信系统中的无源互调效应是无源互调研究的最终目的。除了避免使用各种非线性材料以消除材料非线性之外，从工艺优化、结构优化、电设计及数字信号处理抑制方法4个方面系统梳理了无源互调的主要抑制方法。

1)电镀工艺和装配组装工艺通过改善金属间不良电接触对PIM实现抑制，是抑制PIM干扰的常规处理方法。常用的微波部件如滤波器、双工器等结构复杂，在制造过程中无法一体化加工，不可避免的会出现结构切割，这要求装配组装工艺技术不断发展以满足部件的低PIM指标。

2)一体化设计制造是近年来抑制PIM的新兴方法之一。是避免大功率微波部件因结构分割加工以及通过焊接、螺钉固定等组装方式引起无源互调效应的有效措施。但先进的加工制造技术是一体化设计制造方法实现PIM抑制的前提和基础，需要不断探索一体化加工制造的优质材料，学习前卫的加工制造技术。

3)非接触式PIM抑制方法是从电设计角度出发实现PIM抑制的独特思路。该方法在微波无源部件中利用非接触电磁带隙结构实现金属非接触，同时保证电磁波沿给定方向正常传输而无泄漏，从根源上消除了电接触非线性，抑制无源互调效应效果显著，在PIM抑制领域具有广阔的应用前景。

4)数字信号处理方法基于PIM信号对消思想，利用数学模型及算法对PIM信号进行估计，并构造出与实际PIM信号相位相反的信号与其对消，达到抑制PIM的目的。为解决无源互调抑制难题提出区别于传统思路的数字信号领域的全新方案。

随着微波部件结构不断优化，装配技术不断进步以及新工艺和新材料的使用，人们在无源互调领域不断有新的突破，期待未来可以解决更多的无源互调问题。