通信系統(tǒng)的無源互調(diào)研究

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1、摘要：在介紹無源互調(diào)（PIM）產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，分析了艦船通信系統(tǒng)的PIM現(xiàn)狀及基本測試方法，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，介紹了降低無源互調(diào)干擾（PIMI）的一些方法。結(jié)合工程實(shí)踐，給出了艦載超短波通信系統(tǒng)無源互調(diào)分析示例，這將有助于系統(tǒng)工程師預(yù)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能，控制技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步降低PIMI的影響。隨著涉及艦船通信的無源互調(diào)相關(guān)技術(shù)規(guī)范的逐步推出，密集電磁環(huán)境下的PIMI將得以有效控制?！　?.引言　　在通信系統(tǒng)中，當(dāng)兩個或兩個以上的射頻信號通過非線性特性的器件傳輸時，合成信號中會產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物（IntermodulationProduct，IMP）。當(dāng)這些互調(diào)產(chǎn)物落人鄰近工

2、作的接收機(jī)通帶內(nèi)時，就會形成寄生干擾?！　≡谂炤d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)載波信號較小時，非線性產(chǎn)生的無源互調(diào)產(chǎn)物（PassiveIntermodulationProduct，PIMP）所引起的無源互調(diào)干擾（PassiveIntermodulationInterference，PIMI）不大，而不為人們所注意而已。但當(dāng)載波信號較大時，這種互調(diào)干擾就較明顯了。PI

3、MP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?！　?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”（“Rustybolteffect”），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研究的就是美國海軍研究所（NavalResearchLaboratory），于20世紀(jì)70年代中期應(yīng)軍方要求，對因射頻連接器含

4、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)在我國軍

5、標(biāo)GJB681及其修訂版GJB681A中?！　?．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，松動的調(diào)諧螺絲，松動的鉚接、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接觸非線性　　當(dāng)兩個導(dǎo)電連接器（如：插頭與插座）連接時，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形成以下幾種接觸狀

6、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。在較大空氣間

7、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)生一個間隙電壓，間隙電壓V是潛在的，可能激活任何一個半導(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，由于電流的波動或有較強(qiáng)信號時，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，且幅度隨時間而變化?！　Πl(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