舰船通信系统的无源互调研究

引言

　　在通信系统中，当两个或两个以上的射频信号通过非线性特性的器件传输时，合成信号中会产生互调产物（Intermodulation Product，IMP）。当这些互调产物落人邻近工作的接收机通带内时，就会形成寄生干扰。

　　在舰载通信链路中，由发射机和接收机产生的有源互调干扰，可通过适当的系统隔离控制其最小化，而无源非线性引起的PIM通常不能采用同样的方法加以抑制。理论上讲，无源线性系统不产生新的频率分量。但是，实际上非线性变化在无源传输系统中是不可避免的，只是当载波信号较小时，非线性产生的无源互调产物（Passive Intermodulation Product，PIMP）所引起的无源互调干扰（Passive Intermodulation Interference，PIMI）不大，而不为人们所注意而已。但当载波信号较大时，这种互调干扰就较明显了。PIMP通常在多载波通信环境中产生，典型的如共用宽带天馈系统的船载通信系统、地面移动通信基站及卫星地面接收站等，特别是要求大功率发射系统和高灵敏度接收系统同时存在于有限空间的舰船通信系统，其客观存在的PIMI已不容忽视。

　　1 无源互调概论

　　历史上，PIM现象首先是在要求收发天线共存于有限空间的舰船上观察到的——这就是业界称之为的“锈螺栓现象”（“Rusty bolt effect”），即因天线结构元件锈蚀而产生通信干扰的现象［3j。因此，最早开展PIM研究的就是美国海军研究所（Naval ResearchLaboratory），于20世纪70年代中期应军方要求，对因射频连接器含有铁磁材料的金属零件而产生的PIMI问题进行了深入研究，之后建议在美国军用规范MIL－C－390l2B《射频连接器通用规范》的修订版中禁止应用铁磁材料，强烈要求把铁磁材料直接排除在外，并提醒通信部门必须警惕由于铁磁材料引起的潜在问题，这些建议部分体现在以后的MIL-C-39012C版和Mll-PRF-39012版中。在这些版本对材料的要求中，都明确规定所有零件（除气密封连接器外）都应采用非磁性材料制成，材料磁导率值应小于2.0。另外，还对接触件中心及壳体采用的材料、镀层金属的种类和镀层的厚度作了具体规定。所有这些都是预防PlMI产生的具体措施。这些要求也部分体现在我国军标GJB681及其修订版GJB681A中。

　　1．1 无源互调产生机理

　　PIM是由无源器件的非线性引起的。无源非线性有3种可能的主要模式，一类为接触非线性，另一类为材料非线性，还有一类就是工艺非线性。前者表示任何具有非线性电流与电压行为的接触，如弯折不匀的同轴电缆，不尽平整的波导法兰盘，松动的调谐螺丝，松动的铆接、氧化和腐蚀的接触等；材料非线性指具有固有非线性电特性的材料，如铁磁材料和碳纤维等；后者指因加工工艺引起的电传输非线性。

　　1．1．1 接触非线性

　　当两个导电连接器（如：插头与插座）连接时，根据接触力大小、力均匀度、接触面平整度及金属氧化程度会形成以下几种接触状态：金属接触；接触面之间夹有金属膜氧化物；接触面之间夹有绝缘介质；微小空气间隔；大的空气间隔。其非线性接触面及电子模型如图l所示。

图1 接触非线性表面及其电子电路模型

　　由于表面粗糙度的影响．在微观上呈现不规则和凹凸不平的接触表面，主要有以下几种接触状态：

　　金属接触部位①和金属膜氧化物接触部位②形成电流的主要通道，形成的收缩电阻和膜层电阻可构成导体的接触电阻。金属－氧化物－金属连接处②中的氧化物可能是单分子结构，是依靠隧道效应和穿透薄膜的金属桥进行导电的，因而属于半导体接触导电，是非线性的；在接触面之间夹有绝缘物质的接触处③则不导电：电流绕到金属接触处通过。在较大空气间隙处⑤，电流同样环绕间隙流过。在这两种情况下，电流遭遇阻抗Z，产生一个间隙电压，间隙电压V是潜在的，可能激活任何一个半导体而引起隧道效应和微观的弧击穿。接触面的电容C、电感L和电阻R等成分构成电子线路，其等效电路模型如图1（b）所示，其V-I特性是非线性的。在微小间隙处④，由于电流的波动或有较强信号时，很容易形成微观的击穿，这些不稳定的击穿，使导致PIM产生的形式具有偶然性，且幅度随时间而变化。

　　对发生在靠近零电压区域的不确定接触非线性，可用图1（a）来表示。接触表面接触状态的好坏，决定了接触非线性的程度。接触非线性产生PIM的机理主要有：

　　（1）点机械接触引起的机械效应；

　　（2）点电子接触引起的电子效应；

　　（3）点电子接触和局部大电流引起的热效应；

　　（4）强直流电流引起金属导体中离子电迁移；

　　（5）接触面的相对运动、振动和磨损；

　　（6）不同热膨胀系数器件接触引起热循环。

　　此外，还有金属接触的松动和滑动以及氧化层或污染物的形成。前面提到的美国海军研究所发现的锈螺栓现象就属于接触非线性引起的PIM。

　　1．1．2 材料非线性

　　材料非线性引起PIM的产生机理主要表现在：

　　（1）铁磁效应。铁磁材料（铁、钴、镍等）具有大的磁导率，并随磁场非线性变化，呈现磁滞特性，铁磁材料能引起很强的PIMP，是产生PIM的主要因素。

　　（2）隧道贯穿。电子通过厚度小于10 nm的电介质薄层直接由一个导体到另一个导体的隧道贯穿，如由氧化层分离的金属之间的电子隧道效应。

　　（3）接触电容。由接触表面薄层和污染层所引起的电容。

　　（4）电致伸缩。电场会引起线度变化，纯净非极性电介质中的电致伸缩现象是同轴电缆中产生PIM的因素之一。

　　（5）磁致伸缩。磁场也能引起线度变化，主要产生于铁磁材料之内。

　　（6）微放电。材料内可能存在微狭缝和砂眼，真空环境下由强电场产生离子气体会引起的二次电子倍增放电。

　　（7）空间充电。充电载流子在接触点进人绝缘体或半导体内，这个效应产生于非均匀内部电场中，在半导体申，由于同时存在电子和空穴，因而可产生很强的非线性电流电压关系。

　　此外，还有离子导电、热击穿和雪崩引起的电介质击穿、热离子发射效应等引起的材料非线性。

　　1．1．3 工艺非线性

　　一般的射频连接器均会进行表面刨光和电镀工艺处理。加工工艺决定着表面平整度与电镀层的厚度。过于粗糙的表面和不合适的镀层厚度将引起无源非线性，进而产生无源互调——这可以用“趋肤效应”加以解释，即“直流电流在导体中沿着整个横截面以均匀相等的密度流动，而射频电流则趋向导体表面的“皮肤”。随着频率的增高，这种“皮肤”越来越薄。这种在高频时电

　　流趋向导体表面流动的现象被称为“趋肤效应”。尽管目前难以全面说明因电镀质量产生非线性的机理，但是生产实践证明，电镀质量确实影响着PIM产生电平。趋肤深度决定了电镀层的厚度。

　　射频电缆／波导与连接器的装配工艺也影响着PIM指标，这与接触非线性有着类似的机理。

　　1．2 无源互调的特征

　　已知有源互调是指两个及以上干扰信号通过接收机前端有源电路的非线性所产生的，只要互调信号频率等于或接近有用信号频率，就产生有源互调干扰：

　　（1）有源电路的非线性相对固定，不随时间而变化。

　　（2）由非线性特性可预知，分析理论相对成熟。

　　（3）指标明确。军标或规范均能给出明确指标要求。

　　（4）传输方向相对稳定。可通过增加带通／带阻滤波器或改善滤波器性能加以抑制，高阶互调干扰几近忽略。

　　与有源互调相比，无源互调呈现以下特点：

　　（1）随功率而变。美国海军研究所对PIM产生电平与输入功率之间的关系进行了研究。总体上讲，输人功率越大，PIM越大。美国安费诺公司的实验证实，输入功率每变化一个dBm，PIM产生电平变化约3 dBm，业界一般认为1:3的比例基本合理。

　　（2）随时间而变。材料表面氧化、连接处接触压力、电缆弯曲程度等均会随时间发生改变，进而影响非线性程度，本文后面的示例也证实了这一点。

　　（3）研究理论滞后。无源非线性特性准确预测困难，至今一些现象仍不能完全用理论证实，仿真研究手段未有实质突破，离工程化尚有相当距离。

　　（4）产生环节多，传输方向非单一，难以采用传统手段加以抑制。

　　（5）高阶互调存在，且仍令人担忧。

　　1．3 无源互调的表述

　　把一个频率为f1、振幅为A1的Vi（t）信号经过一个具有非线性VI特性的无源两端口元件时，其输出信号Vo（t）中除基波外，还包含多次谐波：

　　当两个以上的信号通过一个非线性网络时，其输出信号Vo（t）除基波、各次谐波外，还包含所产生的PIMP的多种成分，再用传输方程表述将相当复杂。这里，将PIMP频率分量fPIM表述为：

　　式中：m，n均为整数，（|m|+|n|）定义为互调产物的阶数。该式可用于表述任何具有多路射频输人信号共用非线性传输装置的通信系统，以确定可能产生的PIMP，其频谱分布如图2所示。

图2 两个信号通过非线性网络后产生的频谱示意图

　　由图2可以看出，奇阶互调分量毗邻基波频率，且分量幅度较大，可能进人接收通带内，进而形成干扰。对于高阶互调与偶次谐波，因偏离基频较远，接收机射频滤波器通常可以滤除掉，因此无源三阶互调（PIM3）是关注的重点，通常应在技术指标中予以明确。

　　PIMP通常用dBm或dBc来表示。dBm是以基准量P0＝1mW作为零功率电平（0 dBm）日寸的功率分贝。dBc是在某个规定的载波电平（如20W,即43dBm）基准下的分贝量度。任意功率Px的功率电平定义为：

　　若在Pf1＝Pf2＝20 W时测得PIM3的电平为－100 dBm，则用dBc表示为：

 2 无源互调分析

　　水面舰船的通信、导航、雷达、对抗、识别等系统的射频部分自成系统，而舰船通信系统内部”卫星通信、超短波通信、短波通信、对空导航通信等分系统的射频系统也相对独立，各自产生的无源互调不仅对分系统内部，更主要是对其他分系统，甚至其他系统的无线接收设各产生干扰，是舰船通信系统EMC设计应该考虑的对象。这里的分析不针对运用联合孔径与面阵天线等技术集成后的射频综合系统或集成电子桅杆。

　　2．1 无源互调现状

　　舰载通信系统中的射频天馈系统、射频多路耦合器、电缆／波导组件等是产生PIM的主要部位。此外，外部环境中的支撑结构、天线塔器件以及附近的任何金属物体也会对PIM有影响。

　　2.1.1 天馈系统

　　天馈系统包括天线、射频电缆、安装座及支架等。目前其反射互调PIM3值一般在－120 dBc左右，设计制作良好者可达－130 dBc以下，其辐射互调尚难以精确测试。

　　宽带收信天线：被动接收本地其他天线辐射的大信号，而在自身内部产生PIMI，进而影响后端接收机的正常工作。

　　宽带发信天线：多个载波信号通过其非线性产生互调分量，天线将其辐射出去后对本地其他接收机产生PIMI干扰。

　　宽带收发天线：宽带收发天线的PIM影响最为严重，是设计者考虑的主要对象。

　　2．1．2 多路耦合器

　　多路耦合器亦称合路器：舰船通信系统使用的有收信多路耦合器、发信多路耦合器及收发多路耦合器。对于V／UHF收发多路耦合器，其PIM3值在－ 95～－113 dBc之间，采用高端元器件者可达－123 dBc。

　　发信多路耦合器：多个载波信号通过其非线性产生传输互调，再经射频电缆与天线辐射出去后对本地接收机产生PIMI干扰。

　　收发多路耦合器：既有传输互调，也存在反射互调，其传输互调分量通过天线辐射出去影响本地接收；其发射互调分量对同一多路耦合器下其他电台的接收形成PIMI。收发多路耦合器是PIM研究考虑的重点。

　　收信多路耦合器：因它的有用输人信号较小，一般对其PIM指标未作严格考核，但当本地干扰信号较大时，亦不能忽视。

　　2．1．3 电缆与波导组件

　　射频电缆／波导组件由电缆／波导、插头及附件（紧固件、水密件）等组成，由于其材料结构、加工工艺等存在不足，不同程度存在非线性。此外，电缆／波导组件与设各上插座的连接部位也可能产生PIM分量，这取决于插座与插头材料的异同及连接的紧密程度。对于未提出PIM要求的舰船通信射频电缆组件，测试其PIM3值一般在－OR dBc左右，差者甚至劣于－80 dBc。目前国内专业厂商已能制作优于－145 dBc的电缆组件。

　　2．2 无源互调分析

　　现以某舰船对空超短波通信子系统为例，分析PIM及其对系统性能的影响。该超短波通信子系统设各组成框图如图3所示。在系统方案论证中，主要针对宽带噪声、谐波、阻塞以及多径干扰所引起EMC开展了分析，这里就PIM对性能影响进行分析。

图3 某型舰对空超短波通信子系统组成框图

　　图4为PIMI基本测试框图。图中，3部电台A、电台B和电台C同时发射会产生6个三阶互调频率fjT12,fjT21,fjT13,fjT31,fjT23和f1T32，其分布如图5所示，即：

图4 PIMI测试框图

图5 信号与PIM3干扰之频谱分布图

　　电台A和电台B同时发射所产生的两个三阶互调频率fjT12和fjT21；fjT12＝2f1-f2；fjT21＝2f2一f1；

　　电台A和电台C同时发射所产生的两个三阶互调频率fjT13和fjT31; fjT13＝2f1-f3；fjT31＝2f3一f1；

　　电台B和电台C同时发射所产生的两个三阶互调频率fjT23和f1T32; fjT23＝2f2-f3；f1T32＝2f3一f2。

　　当三部电台发射功率均为60 W，在UHF频段测试所得的PIM3量值见表1。

表1 PIM3测试数据表

　　一般情况下，这6个三阶互调频率中，有些可能会落在VHF所在的108～174 MHz与UHF所在的225～400 MHz之外，形成对其他频段的干扰，而落在本频段内的就对本频段产生干扰。

　　测试发现：

　　（1）一个三阶无源互调频率点，不仅使得电台不能

　　在该频率点接收，还影响以该频点作为中｀b的一段频带内的电台正常接收；

　　（2）VHF频段发信所产生的PIM3会导致UHF频段接收机的接收异常，反之亦然；

　　（3）PIM5同样存在，大功率对空超短波电台所产生的无源五阶互调分量对工作在VHF频段低端30～88 MHz的对海超短波电台存在干扰；

　　（4）当干扰以跳频模式发射时，所产生的PIMI是时间上断续的一个频带，对话音通信不会造成彻底阻塞，但会引起背景噪声，而对数据通信则可能导致误码率升高；

　　（5）多电台同时以跳频模式发射时，所产生的PIMI频带很宽，规避接收与精确测试均困难；

　　（6）测试过程中，没有观测到偶阶无源互调分量，或者偶阶无源互调分量的幅度已超出测试仪器的精度。3 无源互调测试

　　通常，PIMI测量系统可以分为无辐射型和辐射型两种类型，前者适合对非线性材料、连接器、同轴电缆、滤波器和波导器件的研究，一般置于屏蔽室内，终端加一匹配负载，理想情况下不辐射任何能量；后者适合于对辐射结构（如天线、馈线、结构部件）的研究，通常放在消音室或开放测量场地，受本地信号环境影响较大。无辐射测量系统又分为反射互调测试与传输互调测试两类。反射互调测试的基本测试组成框图如图6所示。

图6 反射无源互调测试框图

　　测试前，应*估测试系统本身的自互调指标低于DUT中预期产生的互调电平至少lO dB，而对于发射功率高于43 dBm的情况，需低于DUT中预期产生的互调电平至少20 dB，才能保证测试的准确与有效。PIM测试系统主要由模拟信号源、大功率射频功放、低互调频谱仪、低互调合路器、低互调双工器或定向耦合器、低互调大功率匹配负载、高性能功率计、PC机及测试软件等部分组成。

　　4 降低PIMI的技术措施

　　PIMI的存在，警示在进行舰船通信系统设计时，不仅要兼顾传统的有源互调干扰、谐波及带外杂散所引起的性能下降，也应将PIMI纳人系统技术设计考虑范畴，需对以往的设计方法重新进行*估。

　　4．1 系统设计时的考虑

　　PIMI是双方面的，是干扰方与受扰方相互交融的结果，是一种能量冲突的权衡。干扰是外因，内因是无源非线性。正确处理内因与外因之间的关系，是降低PIMI影响的基础。在既有通信技术体制基础上，一是如何控制干扰源的能量、频率、方向及发生时刻；二是增强受干扰设各的抗干扰能力。基于PIM的系统设计应综合考虑PIMI值的大小与接收机前端抗干扰的能力，若接收机前端抗干扰能力强，则对PIMI的要求就会低一些，反之则需进一步控制PIMI在一个可接受的范围内。此外，要综合平衡系统内各设各、零部件的PIM指标，重点提升瓶颈设各PIM指标。对系统而言，孤立对某个环节提出PIM要求，而忽视其他环节，其效果将难以充分体现。

　　值得注意的是，往往单一设备性能指标均符合要求，但组成系统后却发现相互共存困难，整个系统难以发挥最佳效能——这是系统设计者面临的问题之一。单个设各指标不求新、求尖，而求合理，这个“合理”应是包含整个EMC在内的综合考虑。例如：无线电收／发设各的发射功率与接收灵敏度就是一对矛盾，发射功率增加可以提升通信距离，但易对共址工作的接收机造成干扰；宽带天馈系统可以减小舰面天线布置的压力，却更容易受到PIMI的干扰。在系统顶层设计时，应统一规划，逐级分解PIM指标，使各级系统、各层设各共同承担PIM带来的压力，而不应只在系统组成之后再来检测、发现已组成系统存在的干扰问题，这样的代价可能是难以接受的。

　　此外，从技术管理角度出发，合理设置各设备工作频率，保证绝大多数无源三阶互调频率不落在其他正在工作接收机的工作频率点或其毗邻范围，这是规避干扰的一种办法。

　　4．2 设备研制前的考虑

　　在做好设备指标分配的基础上，重视材料选择、接触设计、界面选择、内部连接、电缆夹紧装置和电镀等六个方面的设计，以达到预防PIM影响的目的。在射频传输通路中，应注意尽量采用低无源互调射频元器件及零部件，避免使用铁质材料；所有射频元器件设计，要留有足够功率余量；射频连接件应使用相同材质及相同处理工艺；电镀所有的表面，防止氧化；确保电镀的均匀以及足够的厚度。

　　4．3 工程设计与施工中的考虑

　　工程设计与施工中主要应注意1.1节中提到的“工艺非线性”和“接触非线性”对PIM的影响，以期达到降低PIM影响的要求。注重射频电缆／波导与连接器的装配工艺；射频连接时，避免不同材料间的直接接触；尽量焊接所有的结点，使接触连接结点的数量最少化；施工中所有的接触连接结点必须是精确的，并且在足够的压力下还能维持良好的电气连接；在机械加工、装配、运输和安装过程中注意使产品保持足够的表面光洁度，避免污染,不受损伤。

　　4.4技术更新是降低PIM影响的有效途径

　　纵观舰船通信系统现状，PIM客观存在，制约着系统性能的进一步提升。这既有基础元器件发展参差不一的原因，更存在着技术体制制约的因素。寻求技术更新是舰船通信系统设计的发展方向。

　　（1）射频综合是降低PIMI的有效途径

　　舰船射频综合是综合运用联合孔径、结构设计、平面阵天线、材料、系统集成等技术，把原本分立的多副天线与舰上层建筑共外形于一体，以最优的舰上层建筑倾角、外形、阵群布置和材料应用来实现隐身。此外，还能部分消除天线与天线、天线与上层建筑间的电磁散射耦合效应，减低PIM，特别是辐射互调造成的压力，提升曳磁空间兼容性能。

　　（2）码分多址是值得考虑的技术体制

　　码分多址（CDMA）可大幅提高频率利用率，进而有效减低PIMI发生概率。目前，CDMA在民用移动通信领域已得以具体运用，但鉴于国内对其核心技术的掌握程度还欠完善，尚未在海军通信领域得到实质性的推广。尽管还存在一些不足，但CDMA对于减低PIM［发生几率的潜在优势，应是系统设计者值得考虑的技术体制之一。

　　（3）射频光传输是跨越EMC瓶颈的发展方向

　　信息技术在20世纪取得了巨大发展，其主要基础是微电子技术和以此为支撑的电子计算机和网络三大技术，因而人们常称其为“电子信息技术（IT）”。随着需求的不断增长，BIT在速率和电磁兼容性两方面的压力倍增。在信息传输领域，光传输局部替代电传输的初步成功使得人们逐渐注意到了光子技术在信息领域的潜在优势。因此，人们有理由相信．未来在舰船通信领域，尝试将射频前端集成于天线根部，使射频小信号以光信号的形式传输，这需要全光局部总线、超高速光传输及全天候射频前端等新技术的诞生，相应的PIM］也不再复杂，反射互调与传输互调干扰将趋于微小，业界只需专注于辐射互调了。如果再辅以对辐射互调灵敏的“射频综合”技术，那么，跨越射频EMC瓶颈就不再是梦想。

　　5结语

　　在简要阐述PIM产生机理的基础上，分析了舰载超短波通信系统的PIM现状，从系统设计的角度出发，介绍了减小及规避PIMI的一些方法，并给出了作者在实际工作中的一点体会。随着仿真技术的发展，PIM建模技术将逐渐趋于成熟，这更有助于系统工程师预知系统设计性能，控制技术风险，进一步降低PIMI对通信系统性能的影响。相信在不久的将来，涉及舰船通信体制的无源互调相关技术规范将逐步完善，密集电磁环境下的无源互调干扰会进一步得到有效控制。