通信系统无源互调抑制技术研究进展

任天雄,陈 雄,,3,刘任之

(1.天津大学 微电子学院,天津,30072;2.南方科技大学 电子与电气工程系,深圳 518055;3.香港中文大学 电子工程学系,香港 999077)

0 引言

无源互调(passive intermodulation,PIM)是一种常见的非线性失真,主要是指当两个或者多个不同频率的载波信号通过无源器件时,由于器件的非线性导致产生新频率干扰信号的现象。无源器件的非线性通常较弱,使得无源互调产物的强度一般远低于载波信号的强度,可能也低于热噪声的强度,所以很多通信系统可以忽略PIM产物的影响。但在载波功率高、收发系统距离近或接收机灵敏度高的系统中,PIM信号可能会造成干扰,从而降低通信质量。现代通信系统的频谱资源日益紧张,共站、共址现象更加普及,接入系统的各种终端数量也在与日俱增,更加剧了互调干扰的危害。随着通信系统向着大功率、宽带、高密度、高集成的方向发展,互调干扰受到日益增加的关注。

互调产物的频谱分布图如图1所示。PIM产物的阶数定义为载波信号f1和f2的系数绝对值之和。偶数阶的PIM产物与载波信号频带相距很远,一般不会落入接收频带,因此,对于通信系统的影响也很小,而奇数阶的PIM产物则容易落入接收频带造成干扰,并且无法使用滤波器滤除。PIM产物的功率会随阶数的增加而迅速降低,所以3阶PIM产物作为最低阶的PIM产物,造成的危害最大。但当系统中的射频发射功率足够大时,即使是高阶的PIM产物相对载波频率很小,由于接收机灵敏度很高,也会引起严重干扰,这种现象在卫星通信系统中较为常见,例如欧洲海事卫星MARECS的43阶产物和国际通信卫星IS-V的27阶产物落入接收频带[1]。双载波情形下的低阶PIM产物通道数较少,干扰信号往往产生于单个频点,然而如果载波数量不断增加,PIM产物的通道数也会随之急剧增加,最终呈现出宽带噪声的特性[2]。

图1 无源互调产生原理示意图及产物频谱图Fig.1 Schematic of PIM generation and spectrum of PIM product

为了解决互调干扰造成的危害,针对PIM产生过程以及干扰机理,研究人员从不同角度入手提出了许多方法。文章将分别从微波器件的低PIM设计、PIM影响因素建模研究、PIM源定位、PIM信号数字处理、引入互调信号实现对消等方面对无源互调抑制与对消技术进行综述和展望。

1 无源互调产生机理

抑制无源互调的生成可以确保通信系统的正常工作[3]。在无源器件的应用中,温度、锈蚀、氧化、应力等多种因素都会导致PIM产物的生成,通过建模研究不同影响因素与PIM幅度之间的关系,可以得出主要的影响因素从而避免PIM产物生成。

无源器件中可能产生非线性的半导体效应很多[4-6],并且影响因素之间还会耦合,使得对于PIM产物生成的物理建模十分复杂。因此,寻找主要的影响因素是抑制PIM产物生成的基础。无源互调的产生机理可以分为接触非线性、材料非线性、分布非线性等方面[7]。

对于接触非线性的研究大多数基于对于接触界面进行建模,通过考虑表面粗糙度、应力、氧化等不同因素,来建立这些影响因素与互调产物幅度之间的关系式,这类研究是PIM机理研究中热度最高的。2017年,Zhao X L等[8]对于对金属-绝缘体-金属(MIM)接触非线性产生的PIM干扰进行了分析建模,提出PIM产物主要由模型中的接触电阻、表面电流密度和非线性电流系数决定,实验证明降低这三个影响因素,PIM电平分别降低60、60、20dB/10倍。文章还推导了矩形波导连接的PIM产物方程。Yang H P及其团队[9]在2018年建立了松动连接器的接触面模型,研究接触表面附加阻抗和接触电流对PIM产物的影响,提出接触电流与接触角成正比,并通过双音测试,证明了模型的正确性。同年,Chen X等[10]提出了利用蒙特卡洛方法来研究同轴连接器的接触非线性,相对传统方法,引入统计学方法后可以预测互调产物的置信区间。2019年,Jin Q Y及其团队[11]运用内导体横截面的有限元模型研究了不同材料、不同涂层厚度和黄铜中不同铁含量对于PIM产物的影响,分析了PIM产物与电流密度分布之间的关系,通过实验验证了理论分析的正确性。该研究对于低PIM连接器的设计具有重大意义。2021年,Jin Q Y等[12]提出了一种连接器互调产物预测模型,该模型还考虑了PIM的功率和频率依赖性。该等效电路模型结合了材料非线性和接触非线性,同时考虑了隧穿效应等物理效应中的参数,可以准确预测连接器的三阶互调产物。

磁滞非线性效应是磁性材料导致PIM的主要原因,当前主流的分析方法是利用瑞利模型对铁磁材料进行建模或者基于实验数据进行建模。2013年,Sabata A.等[13]利用瑞利模型来研究全球移动通信系统(global system for mobile communications,GSM)信号传输和处理的设备结构中由铁磁材料夹杂物引起的互调失真问题,通过基于铁磁材料构建的同轴传输线进行实验,验证了模型的正确性。2017年,Chen X等[14]对可重构镍涂层阵列上的PIM进行了研究,将驻波磁场引入PIM产生的分析中,证明了PIM产物强度和磁场强度的关系。PIM产物幅度与阵列中镍单元数量关系如图2所示,初步证明了使用分布式非线性源合成互调产物的可行性,为之后用于对消的非线性源的研究开拓了方向。叶鸣等[15]于2020年研究了铁磁材料镍的PIM产生机制,模型主要基于磁畴畴壁的非线性振动过程。实验验证了镍材料长度对三阶PIM产物的影响,还证明了外加偏置直流磁场可以抑制镍的互调电平,为PIM抑制提供了新思路。

图2 阵列结构及测试结果Fig.2 Structure and test result of cell array

由于尺度效应引起的互调产物幅度较小,因而这方面的研究相对较少。尺度效应主要指物理定律的适用范围具有一定的尺度限制,不能随意由宏观向微观或者由有限长度向无限长度推导。对于在传输线上均匀分布的非线性,不能简单采用点源模型进行推导,需要考虑尺度效应的影响。2008 年,Zelenchuk D等[16]首次提出了一种具有分布非线性源的传输线长度模型来模拟PIM的产生机理,并通过对微带线PIM产物的近场测量进行验证,确定了可能的PIM抑制方法。首次表明在具有分布非线性的匹配传输线中,反向PIM产物由非线性散射产生。2011年,他们在考虑损耗和色散的情况下推导了PIM产物与传输线长度之间的关系,分析了PCB传输线宽度、长度、厚度、基底几何参数对PIM产物的影响,为低PIM的PCB板设计提供了指南[17]。2021年,Chen X等[18]基于分布非线性模型研究了双向PIM产物,分析了典型二端口网络中的PIM产物定向分布效应,首次指明了具有一定尺度效应的微波器件传输与反射PIM产物的关系,为PIM产物的双向对消的实现提供了参考。

随着仿真技术与实验测量技术的发展,对PIM产物建模研究时可以考虑更多微观的物理参数,探究这些微观参数与宏观的影响因素之间的关系,并通过实验验证得出主要的影响因素。通过对于PIM产生机理的研究,可以更精准地预测PIM产物,对于低PIM器件设计、PIM生成抑制、PIM信号数字处理等方面都有很大的意义。

2 无源互调产物的抑制

虽然目前已经有行业标准从表面处理以及连接器加固等角度实现PIM产物生成的抑制,并且低PIM线缆、连接器等器件发展如火如荼,但是在实际复杂的使用环境中,PIM产物生成依旧难以避免。因此使用互调对消解决PIM失真成为研究热点。

2.1 低PIM器件设计

近年来,学术界提出了一系列低PIM无源器件设计方法。2013年,Christianson等[19]提出了一种利用匹配网络实现的低PIM天线接口。在同轴连接器前接入λ/4阻抗变化单元,可以减少流过连接器的电流量从而减小互调失真。实验表明将互调源的输入阻抗从50欧姆转化至285欧姆,可以在最小化影响连接器传输特性的前提下实现减少互调信号强度20dB以上。2018年,Chen X等[20]提出了图3所示的基于间隙波导技术的低PIM非接触式波导法兰,降低波导连接中接触非线性引起的PIM。实验结果表明,该器件不仅具有更小的尺寸,而且测得的最大PIM电平比传统波导法兰降低了30dB,并且该结果几乎不受表面电镀材料和接触应力的影响。这种采用非接触式结构代替金属接触结构从而消除接触非线性的方法是最近的研究热点之一。2018年,Kozlov D及其团队[21]提出了一种低PIM的PCB结构,可以降低由微带线边缘粗糙度导致的电流驱动非线性效应。其原理为使用高介电常数的材料覆盖微带线边缘可以降低电场强度。实验结果证明,适当的选择涂层材料的电气和几何参数,可以在不改变微带线的特征阻抗和插入损耗等信号参数的情况下,降低三阶互调产物电平达10dB。

图3 折叠无接触波导法兰设计图Fig.3 Sketch of the folded contactless waveguide flange

2.2 PIM信号数字域优化

2019年,Miao X Q及其团队[22]提出通过对卫星通信中产生的PIM产物进行数字信号处理来抑制互调干扰。他们通过在数字域建模PIM失真信号来预测高阶PIM信号,基于重建的PIM信号采用最小均方算法自适应减轻PIM干扰,实验证明该方法可以降低互调干扰抑制幅度达20dB。2020年,Waheed等[23]提出了通过使用原始发射数据作为参考来消除收发机数字前端中的PIM。他们设计的数字消除和参数估计解决方案的性能和处理复杂性通过实验测量进行评估,结果表明提出的消除器是可行的,可以将自干扰抑制超过20dB。Lampu V等[24]于2021年针对频分双工(FDD)收发机系统中空间感应PIM的影响,对基站接收机处感知到的PIM干扰建立了模型,并利用该模型生成PIM信号的估计值,从接收到的数据中抑制PIM信号,其原理如图4所示。

图4 参数估计与互调对消原理图Fig.4 Procedure of parameter estimation and intermodulation cancellation

实验表明,使用开发的数字抵消解决方案,可将接收到的空气感应PIM产物抑制超过20dB,在可实现的PIM产物抵消方面前景广阔[24]。数字对消方面的研究还处于起步阶段,通常基于对PIM产物功率的预测,抑制的效果很大程度上受限于预测的准确度,对于用于预测的算力具有一定要求。除了基于产物估计生成新信号进行对消的方法外,还有很多数字处理方法可以实现互调对消。方天琪等[25]利用PIM的时变性和间断性特点,提出可以利用LDPC信道编码技术在无源互调干扰下有效改善通信质量。

2.3 模拟域的PIM对消

如果能够在受互调干扰的系统中引入与干扰信号幅度相同、相位相反的PIM信号,就可以实现PIM信号对消从而消除干扰。引入PIM信号可以直接引入特定幅度相位的PIM信号,或者通过反馈网络、中介层等引入系统本身的PIM信号,也可以在系统中添加新的非线性源。

2008年,Li L等[26]通过将合成的三阶互调产物信号注入X波段的行波管(TWT)功率放大器,实现了降低其三阶互调产物的效果,最大降低幅度达15.74dB。同年,Henrie J等[27]提出在微波网络中添加非线性中介层网络,该网络产生的PIM用来降低系统总反射PIM。实验中使用N型连接器作为PIM源,调整传输线的长度来调节合适的相位,结果表明该中介网络抵消系统PIM幅度达24dB。2009年,该团队提出了在同轴电缆上镀不同厚度镍和金镀层来制造不同幅度的PIM对消源,通过理论推导了镀层厚度与IM幅度之间的关系式。实验证明,相比于引入中介网络的方法,该方法可以提高无源互调对消的精度和带宽[28]。利用镍镀层做非线性源虽然是无源的,但是不可调节,需要对于不同系统的PIM制定不同镀层厚度的连接器。为了实现对消方法的广泛应用,需要制造可调节的非线性源。

2020年,Chen X等[29]提出,通过在低PIM无源微带线周围放置铁氧体盘,通过调节铁氧体盘的位置来调节PIM信号幅度与相位,将其引入系统实现对消PIM产物,实验证明可以减小系统PIM达20dB。2020年,Jin Q Y等[30]对于不同的对消方法进行了仿真比较,详细分析了每种方法的优缺点。通过实验发现加入三阶PIM产物信号可以实现双向抑制,引入反馈网络方法的对消幅度最大,而插入PIM源在低功耗系统中最有效最经济。该研究为不同条件下选取不同对消方法提供了参考。2022年,Chen X等[31]提出了一种宽带可调非线性源,可以实现65dB的幅度动态范围和2π相位调节范围。该非线性源利用微带线介质基板内部具有场强梯度的电磁场作为激励源,肖特基势垒二极管位于基板腔体内部作为非线性源,可通过调节二极管位置实现互调产物幅度和相位的调节。通过实验证明在系统内有单个及多个非线性源时,使用该可调非线性源均可实现对消。如表1所列,可以明显看出该方案在性能方面的优越性。该非线性源可预先接入通信系统中,当系统收到互调干扰影响时,通过调节产生互调信号的幅度和相位,实现互调对消。

表1 非线性源性能对比Tab.1 Comparison of different nonlinear sources

3 结论

从最近国内外无源互调研究趋势来看,产生机理依然是研究重点,以实际应用为导向的无源互调抑制方面的研究也成为了热点。互调抑制方面的技术研究正从单一应用场景下的特定解决方案向着提出能够解决不同频带、不同互调产物幅度的普适性方案发展,系统级互调抑制技术也受到更多关注[36]。

(1)设计低PIM器件可以实现重点改善系统中易产生互调产物的连接部位、器件,可以一定程度上避免焊接、螺栓等带来的接触非线性干扰,但是这些器件一般需要结合特定的制造工艺,其大规模应用仍需考虑成本、生产效率等因素。

(2)数字信号对消方法是利用建模及算法对PIM产物功率进行预测,根据预测值来构造对应的对消信号,从而实现PIM抑制。因此这种方法的抑制幅度往往取决于预测精度。但其在卫星通信系统中有着较好的应用前景。

(3)通过引入对消信号、中介层、非线性源等方法来实现PIM的模拟域对消。由于引入通信系统的对消信号一般具有较宽的幅度范围,该方法在卫星通信、远洋船舶等场景都有着应用潜力。

随着对PIM机理研究的不断深入,以及多种PIM抑制方法的发展,无源互调失真造成的影响一定会越来越小。