王小麗，陳 翔，崔萬照

(中國空間技術研究院西安分院 空間微波技術重點實驗室，西安 710000)

0 引言

無源互調(Passive intermodulation,PIM)是指在兩個或多個大功率載波激勵下，微波器件由于其弱非線性而產(chǎn)生的一種互調現(xiàn)象，其廣泛存在于各種連接器、濾波器、雙/多工器及天線系統(tǒng)中。不同于有源交調，PIM無法通過濾波消除，是大功率微波器件及系統(tǒng)性能退化或失效的一種重要機制[1]，已成為大功率微波部件及系統(tǒng)研究中的關注焦點之一。

PIM問題嚴重威脅著通信系統(tǒng)的安全、正常工作，同時也制約著通信技術的進一步發(fā)展。微波器件大量應用于航天器及地面通信系統(tǒng)，其所產(chǎn)生的PIM產(chǎn)物一旦落入通信系統(tǒng)接收頻段，則會形成干擾，輕者影響通信質量，嚴重時直接堵塞信道，造成系統(tǒng)癱瘓。伴隨應用需求的不斷增長，多通道、大容量、抗干擾、遠距離通信等已成為衛(wèi)星通信技術發(fā)展的重要趨勢，足夠的發(fā)射功率是支撐以上技術發(fā)展的必要條件。而PIM問題是阻礙微波系統(tǒng)功率容量提升的障礙之一，嚴重制約著衛(wèi)星通信技術的發(fā)展。為節(jié)省體積空間，降低載荷重量，收發(fā)共用天線是當前及未來通信衛(wèi)星所采用的一種重要體制。在收發(fā)共用體制下，大功率發(fā)射通道所產(chǎn)生的PIM產(chǎn)物很容易落入高靈敏度的接收通道，從而形成嚴重的干擾問題，不解決PIM問題，收發(fā)共用體制必定面臨著很高的失效風險。另一方面，在地面移動通信應用中，多功能、多通道、高密度集成需求日漸凸顯，電磁環(huán)境日趨復雜，PIM問題隨之必將愈加嚴重。

綜上所述，PIM已成為當前及未來通信系統(tǒng)所普遍面臨的一種干擾問題，是工程應用中亟待解決的瓶頸問題。同時，PIM也是一種基礎性問題，其物理機理復雜多樣，分析預測困難，現(xiàn)有抑制手段還存在著很大的提升空間。針對PIM問題的全面研究對于有效解決PIM問題有著重要的意義。本文在前人研究基礎上，從PIM的產(chǎn)生機理、分析預測方法、檢測定位方法及抑制方法等方面，分別梳理總結了近幾年來最新的研究進展，在此基礎上，分析討論了其今后的研究重點及發(fā)展趨勢，為無源互調問題的研究提供一定參考。

1 無源互調產(chǎn)生機理和分析預測

1.1 無源互調產(chǎn)生機理

大量研究表明，PIM是由微波無源器件的弱非線性引起的，主要分為兩個方面：材料非線性和接觸非線性。

材料非線性主要是由具有非線性導電特性的材料媒質如鐵磁材料(鐵氧體、鎳、鈷)等引起，只要具有非線性導電特性的材料源暴露在電磁能量輻射的區(qū)域，其非線性輻射就會被激發(fā)，產(chǎn)生無源互調干擾。

接觸非線性是由金屬-金屬(Metal-Metal，MM)接觸不理想導致，MM接觸在微波器件中甚為普遍，但受金屬表面氧化物、臟污程度、連接壓力及表面粗糙度等影響，實際的MM接觸并非理想的電接觸狀態(tài)。在微觀結構中，由于金屬自然加工在表面存在許多隨機微凸體，看似緊密接觸的金屬連接結，實際的金屬接觸只發(fā)生在這些隨機微凸體上，形成接觸區(qū)域和非接觸區(qū)域，流經(jīng)金屬結的電流在向接觸微凸體聚集時，因接觸面積的突然變小形成收縮電阻，產(chǎn)生非線性，導致無源互調的產(chǎn)生。同時金屬受表面氧化物的影響，表面會生成一層納米級的氧化層，形成金屬-氧化物-金屬(Metal-Oxide-Metal，MOM)結構。微觀接觸金屬連接結如圖1所示?；贛OM結構，微凸體接觸界面的氧化層會形成薄的電壁勢壘，導致量子隧穿效應、熱電子發(fā)射效應等多種非線性電流傳輸特性[2]。

由于無源互調產(chǎn)生機理錯綜復雜，交叉融合了材料非線性、微觀接觸變形、氧化物非線性分析、射頻信號分析處理等多個交叉研究方向，所以其研究進展相對比較緩慢。Krstansky于1966年首次提出PIM的主要來源是鐵磁材料[3]，同時提出在磁滯材料上鍍一層足夠厚的線性材料可以抑制PIM，該方法至今仍然有效。1980年，Lee在冷軋鋼材料上發(fā)現(xiàn)PIM，至此以后更多磁滯特性材料被證明能產(chǎn)生PIM。1976年，Jaroslava Z.Wilcox等人提出電熱耦合理論[4]，利用熱傳導方程分析了同軸連接器的PIM。2006年，Wilkerson等人繼續(xù)從電熱耦合效應的角度對PIM 問題進行了研究[5]。2013年，西安交通大學葉鳴，賀永寧等人基于電熱耦合效應，對微帶線的PIM產(chǎn)生機理進行了研究[6]。上述可以看出，學術研究領域針對基于電熱耦合效應的PIM問題進行了大量研究，但電熱耦合效應作為一種特殊的PIM產(chǎn)生機理，引發(fā)的PIM在載波間隔頻率很窄(KHz級別)的情況下才予以考慮，在實際工程應用中，系統(tǒng)載波間隔頻率相對較寬，一般不考慮該效應的影響。

著名的IEC62037標準提出，對于互調敏感的場合，盡量避免使用磁滯材料及各種含鎳合金。因此材料非線性可以通過使用合適的材料避免，但接觸非線性在微波器件金屬連接結構中難以避免，成為人們的重點研究對象。針對接觸非線性的研究，最早于1980年 ，F(xiàn)arrokh Arazm等人通過測試不同金屬間接觸的電特性，得出金屬接觸中粗糙的表面形貌會產(chǎn)生非線性導電特性，從而產(chǎn)生無源互調[7]。2005年，Vicente等人對波導法蘭接觸面做了實驗研究[8][9]，證明即使是在鍍銀界面上仍然會存在接觸非線性并導致接觸PIM產(chǎn)生，進一步證實了接觸非線性的存在。2011年，西安交通大學葉鳴，賀永寧等人重點研究了波導連接中的非線性結構，針對微觀金屬接觸的量子隧穿效應和熱電子發(fā)射效應這兩種非線性導電過程[2]，對波導連接的PIM功率受接觸壓力、載波功率等因素的影響規(guī)律進行了系統(tǒng)的理論分析。2017年，趙小龍等人針對由MOM接觸非線性產(chǎn)生的PIM進行了分析建模和實驗驗證，提出了微觀金屬接觸界面的單點接觸模型[10]，推導得到金屬波導邊緣接觸引起的PIM電平的計算公式，總結得出金屬波導連接處的無源互調變化規(guī)律。

1.2 無源互調分析預測

非線性機理錯綜繁雜，采用單一且精準的模型對無源互調進行分析預測難度極高，PIM研究至今，提出了許多非線性數(shù)學模型對PIM產(chǎn)物功率進行計算，并基于無源互調的產(chǎn)生機理建立合理的物理模型和電路模型進行無源互調的分析預測。

1.2.1 數(shù)學模型

1968 年，Sea采用冪級數(shù)法表征器件的非線性特性[11]，推導了任意載波個數(shù)條件下的互調產(chǎn)物計算公式，并用冪級數(shù)系數(shù)和輸入載波的幅度來表示互調產(chǎn)物的幅度。但此模型存在一定的局限性：采用該模型對互調產(chǎn)物進行擬合時，發(fā)現(xiàn)高階互調產(chǎn)物在高功率范圍內(nèi)的擬合效果差，而且，在現(xiàn)階段能夠達到的計算精度的基礎上，不能得到更多項準確的系數(shù)，在一定程度上舍棄了更高階信息的影響，存在著不可避免的截斷誤差。2005年，西安電子科技大學張世全等人采用傅里葉級數(shù)法推導了雙載波情況下互調產(chǎn)物的幅度及其隨階數(shù)變化的一般表達式[12]，分析和討論了非線性器件互調產(chǎn)物的一般行為特性。相比于傳統(tǒng)的冪級數(shù)方法，該方法能快速計算各階PIM產(chǎn)物且無需進行參數(shù)擬合。M.T.Abuelma'atti采用雙指數(shù)模型來描述無源器件產(chǎn)生的PIM干擾[13]，它描述產(chǎn)生PIM的非線性表達式為

Vout(t)=V0{exp[Vin(t)/b1]-exp[Vin(t)/b2]}

(1)

將輸入信號

(2)

代入上式，展開推導并化簡，可得下邊帶中PIM3和PIM5產(chǎn)物的幅度為：

VPIM3=4V0I2(bV1)I1(bV2)

(3)

VPIM5=4V0I3(bV1)I2(bV2)

(4)

此模型優(yōu)點是可以直接采用高階來描述非線性特性，省去了測量眾多數(shù)據(jù)的麻煩，節(jié)約了測量成本。但是，在一定程度上，雙指數(shù)模型系數(shù)V0過于簡單，不足以準確表示非線性特性造成的PIM電平幅度變化。因此，考慮到無源互調的特征及雙指數(shù)模型的缺點，2019年，西安交通大學王洪廣教授團隊[14]結合雙指數(shù)模型和多項式模型的優(yōu)點，提出一種復合指數(shù)模型來描述非線性產(chǎn)生的無源互調干擾。提出的復合指數(shù)模型描述產(chǎn)生PIM干擾的非線性表示:

{exp[Vin(t)/b1]-exp[-Vin(t)/b2]}

(5)

復合指數(shù)模型的系數(shù)為輸入信號的多項式，彌補了雙指數(shù)模型由于系數(shù)簡單不足以準確描述PIM產(chǎn)物幅度變化的缺點，用該模型計算得出的三階PIM產(chǎn)物和五階PIM產(chǎn)物明顯比雙指數(shù)模型計算得到的結果更加精確，也更能準確的評估PIM電平幅度變化。圖2是用復合指數(shù)模型計算的PIM3和PIM5產(chǎn)物的功率與微波濾波器的測量數(shù)據(jù)比較結果：

圖2 復合指數(shù)模型計算的PIM3和PIM5產(chǎn)物的功率與微波濾波器的測量數(shù)據(jù)比較結果圖

但是用該模型推導出的高階互調功率表達式并非閉合形式，存在一定的截斷誤差，對于原本數(shù)值就很小的互調功率來說，會對計算產(chǎn)生一定的影響。而且對于多載波輸入的情況來說，推導過程也會更加復雜。

1.2.2 物理模型

基于電接觸理論，Vicente和Hartnagel等人在文獻[8]中提出了針對粗糙波導法蘭面接觸的物理模型，用高斯分布描述粗糙表面微凸體的高度分布，建立了外界壓力與金屬結表面接觸面積之間的關系, 利用該模型對三階無源互調分量隨表面粗糙度、膜層厚度、外部壓力以及輸入功率的變化規(guī)律進行了分析，并對PIM電平發(fā)展趨勢進行預測，該文獻作為近年來最早出現(xiàn)的器件級的PIM研究被作為典范參考。

2018年，西安交通大學陳雄等人提出了一種針對同軸連接器的PIM預測方法，該研究建立了同軸連接器微觀層面接觸單元的接觸模型[15]，如圖3所示，模型中包括MM接觸和MOM接觸，兩者共同構成接觸非線性源，導致PIM產(chǎn)生?；诖四Ｐ停褂妹商乜灞平ê臀⒂^測量法，重建同軸連接器內(nèi)部不同觸點的隨機分布樣本，最終得到所有潛在PIM值的置信區(qū)間，而非單個PIM預測值。如圖4是利用蒙特卡洛法預測PIM電平與施加扭矩的關系和測量值的對比。該研究有助于分析同軸連接器上波動的PIM，并提供一種預測PIM的新方法。

圖3 微觀層面單元面積接觸模型

圖4 PIM電平與施加扭矩之間的關系

1.2.3 電路模型

一般情況下，在波導接觸表面上同時存在縫隙區(qū)域(MVM)、MOM接觸區(qū)域和MM接觸區(qū)域,微觀連接示意見圖1。由圖1可知，MM接觸微觀模型比較復雜，為了進一步模擬粗糙表面金屬接觸，葉鳴等人在文獻[2]中建立了粗糙表面接觸的等效電路模型，如圖5所示。MVM區(qū)域主要由真空(或空氣)支配，會產(chǎn)生非接觸電容，同時由于靜電發(fā)射和氣體擊穿產(chǎn)生非接觸電阻。而MOM和MM接觸區(qū)域主要由天然金屬氧化物、氧或碳的污染物形成的薄電介質層構成，該區(qū)域電流向微凸體附近聚集，接觸面積突然變小，產(chǎn)生收縮電阻；同時產(chǎn)生了接觸電容和隧穿電阻。該研究基于量子隧穿效應和熱電子發(fā)射效應等非線性導電特性求出等效電路中的各個參量，從而利用等效電路對波導連接的PIM進行理論分析和數(shù)值計算，預測波導連接處粗糙金屬表面的PIM電平發(fā)展趨勢。

圖5 粗糙表面金屬接觸等效電路模型

近年來，同軸連接器也逐漸成為人們新的PIM研究對象。與波導相比，同軸連接器結構復雜，包含不止兩個接觸結構，諸如內(nèi)導體、外導體、附屬機械緊固結構等，因此同軸的PIM分析存在大量的研究對象，這就導致同軸連接器PIM問題研究難度高，研究進度長期滯后。2018年，湖南大學溫和教授團隊[16]研究了松動的同軸連接器，其認為松動的同軸連接器是大功率和高頻通信系統(tǒng)中PIM的重要來源。因此，其基于緊密接觸模型研究提出了松動的接觸面模型和相應的阻抗特性，并首次提出了一種電路模型來分析松動接觸同軸連接器中的PIM干擾，如圖6所示。通過電路可以計算松動接觸條件下的PIM電平。

圖6 單位面積內(nèi)松動接觸的等效電路

圖中，流過非線性電阻Rij的非線性電流 表達式為：

(6)

式中：Rtc_mm和ΔI是單位接觸面積中接觸電阻和電流的增量，ΔLS是單位接觸面積中增加的電感。

式(6)表明，同軸連接器松動度的增加，附加阻ΔZ= ΔRtc_mm+jωΔLS隨之增加，導致流過非線性電阻的電流增加，產(chǎn)生的PIM增加。從而導致松動同軸連接器的PIM干擾增加。

2 無源互調的檢測定位技術

2.1 無源互調檢測技術

由于無源互調產(chǎn)生機理錯綜繁雜，PIM來源不一，為了快速高效解決工程應用中的PIM問題，最直接的方法就是通過實驗測量對系統(tǒng)PIM進行評估，以此來衡量系統(tǒng)或微波器件的PIM水平，這導致高性能的無源互調檢測技術十分關鍵，成為國內(nèi)外PIM問題研究的熱點領域。

2007年，A.P.Shitvov等人基于探針近場耦合測試方法對微帶線的PIM產(chǎn)物實現(xiàn)了在線測試[17]；2018年，西安交通大學高凡等人提出一種利用近場耦合原理的PIM測量方法[18]，該測量方法通過縫隙波導激勵不同物理接觸狀態(tài)的非線性源，并對其產(chǎn)生的PIM產(chǎn)物進行測試分析，該測量方法具有較高的靈敏度。同年，中國空間技術研究院西安分院提出一種相位可調的多輸入多輸出無源互調測試系統(tǒng)[19]，該系統(tǒng)通過調節(jié)多個輸入載波信號的相位，輸出多個不同頻率的載波信號，利用得到的多個多載波波束的信號，測量其在空間和反射面交疊產(chǎn)生的PIM信號。

由于無源互調自身的特殊性,其測量系統(tǒng)的結構復雜，要求高。一般地，無源互調測量系統(tǒng)應具有大功率信號源、高靈敏度接收機、低PIM組件等特點，此外，無源互調測量系統(tǒng)與頻率和帶寬的相關性都很強，系統(tǒng)難以通用，一般需要根據(jù)測試目的進行專門的制作。測量時不僅要測量無源部件的PIM產(chǎn)物，還要對整級系統(tǒng)進行測量，因此，如何設計一個低PIM的測量系統(tǒng)是進行無源互調測量首先必須解決的問題。為了改進PIM測試系統(tǒng)以實現(xiàn)低PIM，2018年，Davide Smacchia等人[20]為無源互調測量開發(fā)了新型測試系統(tǒng)，與Vicente.C等提出的測試系統(tǒng)相比[21]，其提出的測試系統(tǒng)利用多工器實現(xiàn)濾波器和雙工器一體化，減少級聯(lián)結構，降低了系統(tǒng)自身產(chǎn)生的PIM干擾。以發(fā)射互調測試系統(tǒng)為例，如圖7所示，傳統(tǒng)測試系統(tǒng)中的輸入輸出濾波器(紅色框中的部分)被集成到一個低PIM多工器，實現(xiàn)器件一體化，多工器的一個通道引導反射PIM信號到達信號接收端，剩下通道用于引入載波信號并在多工器中進行合成和濾波。該測試系統(tǒng)既避免了多個濾波器級聯(lián)連接產(chǎn)生PIM干擾的問題，又實現(xiàn)了測試系統(tǒng)的緊湊性，在經(jīng)典的正向互調和反射互調測試系統(tǒng)的基礎上極大的提高了測量精度和效率。但該測試系統(tǒng)在實現(xiàn)一體化的同時，對系統(tǒng)所需的寬帶多工器規(guī)格要求很高，在器件選擇方面應多加注意。

圖7 一體化反射PIM測試系統(tǒng)

2019年，Davide Smacchia[22]等人再次針對反射互調測試系統(tǒng)，提出減小測試系統(tǒng)PIM的方法。該方法通過在測試系統(tǒng)終端負載之前插入專用低通濾波器，該濾波器允許載波信號通過，同時抑制來自波導終端的PIM干擾,保護測試系統(tǒng)免受終端負載產(chǎn)生的PIM影響。提出的PIM測試系統(tǒng)如圖8所示。而且，為了驗證該方法的實際應用，用K波段的PIM測試系統(tǒng)進行了幾組測量，圖9顯示了在有和沒有專用低通濾波器(LPF)的情況下進行的測量結果比較。

圖8 反射互調的低PIM測試系統(tǒng)

圖9 有無低通濾波器(LPF)的情況下測量結果比較

可以看出，低通濾波器的插入大大減輕了測試系統(tǒng)本身產(chǎn)生的PIM，其性能大約提升20-25 dB左右。該研究利用低通濾波器大幅度改善了反射PIM測試系統(tǒng)的測試性能。

傳統(tǒng)的PIM測試方法中，系統(tǒng)自身的PIM除了來自于終端負載的PIM干擾之外，用來分離載波信號和互調信號的收發(fā)雙工器也是PIM的一個重要來源。針對收發(fā)雙工器需要同時具有低PIM和高收發(fā)隔離的性能要求，中國空間技術研究院西安分院提出一種采用90°相位3dB電橋結合低通濾波器實現(xiàn)寬帶無源互調測量的方法[23]，利用電橋的寬帶特性，實現(xiàn)寬帶寬內(nèi)的互調信號接收，同時利用低PIM的帶通濾波器分離載波信號和互調信號，實現(xiàn)了高隔離的目的。此方法通過將90°相位3dB電橋和低通濾波器靈活組合，巧妙解決了傳統(tǒng)測試方法中高收發(fā)隔離和寬帶寬的矛盾，實現(xiàn)了寬帶范圍內(nèi)的高靈敏度無源互調產(chǎn)物測試。

為了提升無源互調測試系統(tǒng)的精確度，提升模塊測試精度是常用的思路，但構建成本高昂。近年來，人們從PIM校準方法入手，開發(fā)新的 PIM 測試標準校準方案，實現(xiàn)多種可調的無源互調參考源，以提升測試系統(tǒng)精準度，這已成為PIM測試領域一個前沿的研究方向。2017年，西安交通大學大學陳雄等人[24]提出一種雙端口可調無源互調源，該可調PIM源基于電路方法實現(xiàn)，利用一個偏置的二極管提供可變非線性源，通過耦合網(wǎng)絡和合適的功率分配最終實現(xiàn)雙向的互調輸出。該電路結構在PIM測試中可有效提供雙端口動態(tài)互調校準的PIM參考。同年，陳雄等人提出一種使用轉盤式非線性實現(xiàn)的可調無源互調源[25]，該PIM源通過控制電磁場輻射鍍鎳鍍層材料位置面積實現(xiàn)可調節(jié)，避免使用了非線性強度大的二極管，不需要通過復雜的衰減網(wǎng)絡即可得到合適的PIM強度值，產(chǎn)生調制PIM波形以用于PIM測試儀器的校準，提升PIM測試準確度。

2.2 無源互調定位技術

微波部件或子系統(tǒng)內(nèi)部存在多個PIM故障源，這些故障源在空間環(huán)境下會被放大從而產(chǎn)生嚴重的PIM干擾，通常只能在多種組合測試條件和長時間觀察下才有可能得到可靠的數(shù)據(jù)，即使測得PIM分量，也難以有效地定位其發(fā)生點，如果可以確定PIM故障源及隱患位置，則可以針對性地提出解決辦法，對于無源互調問題的解決是十分有效的方法之一。

早期關于PIM定位技術研究的公開文獻相對較少，常見定位方法主要分為兩種：微波全息成像法和外加激勵法。微波全息成像法是由Aspden在1989年提出的一種確定反射面的無源互調產(chǎn)物產(chǎn)生位置的方法[26]，由兩個獨立的發(fā)射天線產(chǎn)生不同的載波信號，并打向待測反射面，在反射面的近場通過微波掃描設備掃描互調頻率，以此實現(xiàn)對散射場的采樣，這樣可以測得二維平面上各點反射波的幅度與相位。通過分析數(shù)據(jù)，得出反射面上互調場的分布。此方法也可以用于估算反射面天線的性能。外加激勵法[27]的本質是: 利用兩個信號源產(chǎn)生兩路載波信號，用載波信號激勵待測器件產(chǎn)生 PIM，同時用聚焦的高功率聲波波束激勵待測器件，由于高功率的聲波信號會使得待測器件產(chǎn)生振動，所以會影響器件的 PIM 特性，將高功率聲波的頻率調制到 PIM 產(chǎn)物的邊帶上，然后通過對邊帶分量的檢測以實現(xiàn)對 PIM 的定位。

2016年，Anristu公司根據(jù)定向天線的原理設計出商用的PIM定位天線[28]，在使用時，僅需要在疑似的PIM產(chǎn)生位置掃描天線即就可快速確定PIM發(fā)射位置，因此，近場天線可被作為PIM定位方法的輔助性工具。此外，2017年密蘇里科技大學EMC實驗室的Pomerenke D和Yang S報道了關于松動連接的PIM源定位研究[29]，該研究利用超聲波振動方法，提出了一種用于天線PIM定位的振動調制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括解調系統(tǒng)和聲學振動系統(tǒng)，前者用于檢測PIM信號，后者用于提供振動源，其PIM定位直接依賴于振動源的物理位置，因此，該方法極大地提高了PIM源的定位精度。

以上方法均是針對天線等開放結構的PIM定位，而關于封閉腔體結構的PIM定位研究相對較少。近年來，為了解決封閉腔體結構PIM定位的技術難題，浙江大學冉立新團隊在IEEE Trans.MTT上發(fā)表運用k變換的PIM定位方法[30,31]?；跁r域多載波概念，將PIM參考源引入標準PIM測試系統(tǒng)，如圖10所示。兩路可控相干激勵信號源1和源2和無源互調參考信號源3共用同一信號源，無源互調參考信號源3產(chǎn)生“虛擬”的無源互調參考信號，頻率為f3=αf1+βf2，初始相位為φ3，α、β為第一、第二待測無源互調信號的階數(shù)參數(shù)。在接收端通過相位比較器得到實際無源互調信號與“虛擬”無源互調參考信號之間相位差為Φ，并利用頻譜儀測量獲得實際PIM信號的幅度值A。通過等間隔線性改變兩路可控相干射頻信號其中任一路的頻率值，獲得多組無源互調信號的幅度值An和相位差值Φn，得其矢量信號形式AnejΦ。由矢量合成原理可得，測量得到的每個點的無源互幅度值An和相位差值Φn合成的矢量信號形式等于所有無源互調發(fā)生位置點的矢量信號形式的疊加

(7)

式中：F(kPIM)為在波矢k空間上的多載波信號。

圖10 無源互調測試架構

對函數(shù)F(kPIM)在波矢k空間進行逆傅里葉變換，根據(jù)得到的橫坐標值即可確定無源互調發(fā)生點的位置信息，從而在理論上實現(xiàn)任意多點的PIM發(fā)生點的定位。

上述逆傅里葉變換定位算法適用于寬帶系統(tǒng)的無源互調多點定位，因受本身傅里葉變換精度制約，對于相近的無源互調點的分辨或小尺度微波器件下的無源互調發(fā)生點位置的定位受到帶寬的限制，因此在窄帶條件下，往往無法對無源互調發(fā)生點進行定位。為了實現(xiàn)窄帶下無源互調的定位，該團隊提出了基于k空間多載波逆問題優(yōu)化定位算法的無源互調定位方法。該方法根據(jù)已知所有可疑的無源互調位置建立復數(shù)方程組，并對其構造優(yōu)化目標函數(shù)，使用最速梯度法等優(yōu)化解尋找最優(yōu)解參數(shù)，設定幅度閾值，尋找可能的PIM發(fā)生點，在窄帶條件下實現(xiàn)無源互調定位，但是缺點是需要較強的先驗條件，有一定局限性。基于此，該團隊提出了一種基于矩陣束方法的定位算法[32]，該算法在不需要無源互調可能發(fā)生的位置或數(shù)量的先驗條件下，可以準確判斷無源互調發(fā)生點的位置信息和幅度，有效地解決多個無源互調點的定位問題，且對噪聲具有魯棒性。

以上三種定位算法可以實現(xiàn)封閉微波腔體內(nèi)的多個無源互調點的同時定位，并且可以反映待測微波器件內(nèi)部電磁波傳播和反射情況，對促進封閉腔體結構PIM定位技術發(fā)展具有重要意義。

3 無源互調抑制技術

無源互調廣泛存在于各種大功率微波器件及系統(tǒng)中，是限制器件及系統(tǒng)可靠性的技術難題，為了實現(xiàn)器件及系統(tǒng)的性能提升，在工程應用中，抑制無源互調干擾是人們研究無源互調的最終目的。

在頻率預測方面，技術已經(jīng)相對成熟。要合理選擇發(fā)射頻帶和接收頻帶，盡量避免使發(fā)射頻帶的低階互調產(chǎn)物落入接收頻帶，避免PIM干擾；在材料非線性方面，可以直接使用合適的材料來避免產(chǎn)生非線性，比如避免使用鐵磁等具有磁滯性的材料即可消除材料非線性。

針對接觸非線性，人們采用的思路主要有三種：一是保持接觸面潔凈，采用鍍層工藝等方法減少污染。二是采用高壓法蘭或嚴格的連接力矩實現(xiàn)金屬之間的連接，達到降低PIM的目的。三是避免金屬接觸，從根源上消除接觸非線性。

近年來，人們研究設計出許多低PIM微波器件，如低PIM的雙工器設計，低PIM大型可折疊反射面天線設計等。其中避免金屬直接接觸的思想是抑制PIM的一個新思路。有專利[33]給出非接觸式調諧螺釘，可以降低由調諧螺釘?shù)慕饘俳佑|產(chǎn)生的PIM，同時可以避免電磁泄露，但缺點是結構復雜，不易加工[34]。2017年，中國空間技術研究院西安分院針對同軸連接器提出抑制措施[35]，通過在連接器陽頭內(nèi)導體外側和陰頭內(nèi)導體內(nèi)側上均勻覆蓋內(nèi)導體介質層，使兩者不存在金屬接觸，實現(xiàn)無源互調抑制。2018年，中國空間技術研究院西安分院陳翔等人基于間隙波導理論，提出非接觸電磁調控式寬帶大功率無源互調抑制方法，并以波導法蘭為例進行了初步驗證[36]，通過在常規(guī)法蘭面上增加周期性凸體結構形成人工磁導體(Artificial Magnetic Conductor , AMC)平面，和光滑金屬平面所構成的理想導電體(Perfect Electric Conductor，PEC)平面形成間隙，利用電磁禁帶特性，抑制電磁波泄露，同時形成非接觸結構，有效抑制了無源互調的產(chǎn)生。同年，該團隊針對低頻應用需求，提出了一種結構緊湊的折疊型非接觸波導法蘭(FCWF)結構[37]，該研究首次將非接觸電磁帶隙結構應用于解決大功率微波器件的PIM問題。設計的折疊非接觸波導法蘭由兩個部分組成，凸形部分在波導外壁以釘床形式構成AMC平面，凹形部分為空心階梯狀波導，其內(nèi)壁作為PEC平面。將凸形部分插入到凹形部分中，使彼此之間具有空氣間隙，如圖11所示。

圖11 折疊無接觸波導法蘭3D圖

該研究基于間隙波導理論，構造非接觸電磁帶隙結構，使得電磁場在波導間正常傳輸，不會從法蘭間隙中泄露。非接觸電磁帶隙結構避免了法蘭面的物理接觸，從根本上消除了接觸非線性，實現(xiàn)對PIM的有效抑制。圖12是使用不同界面材料時，標準法蘭和非接觸波導法蘭的PIM測試結果。由圖可知，非接觸波導法蘭的PIM性能接近于系統(tǒng)底噪水平且基本不受界面材料的影響，相比于標準波導法蘭，獲得了最大超過30dB的PIM抑制度。該結構可以大大簡化表面處理和組裝過程，減少了時間和制造成本，為低無源互調微波器件的設計提供了新的思路。

圖12 具有不同界面材料Al-Al，Al-Ag和Al-Ni的折疊無接觸波導法蘭和標準WR430法蘭的三階和五階PIM測量結果

2019年，中國空間技術研究院西安分院提出一種基片集成式低無源互調波導法蘭墊片[38]。該墊片通過介質基片集成，構造雙面平面型人工磁導體結構，安裝在普通波導法蘭結構之間，使普通波導法蘭面作為理想電導體平面，與墊片之間形成具有寬電磁禁帶特性的雙面無金屬接觸電磁帶隙結構，該墊片既保證電磁波不會泄露，又實現(xiàn)了金屬非接觸，有效抑制了接觸非線性，實現(xiàn)器件的低PIM性能。

4 結束語

本文從無源互調產(chǎn)生機理、分析預測方法、檢測定位方法及抑制方法等方面綜述了近幾年來國內(nèi)外在無源互調領域的研究進展，分析并總結了最新進展對無源互調領域應用的廣闊前景。

有效抑制無源互調干擾是無源互調工程研究中的主要方向。常規(guī)的抑制方法既需要對接觸面保證絕對的潔凈度，又需要精確的力矩固定，對加工裝配有很高的要求，而且也沒有從根本上消除接觸非線性，存在著長期可靠性問題。不同于傳統(tǒng)的改善接觸方式，非接觸結構不僅可以降低器件在加工以及裝配等方面的要求，而且穩(wěn)定性高，抑制無源互調效應效果顯著，具有廣闊的工程應用前景。隨著微波器件的結構不斷優(yōu)化以及新材料的開發(fā)使用，人們在抑制無源互調干擾研究不斷有新的突破，相信未來人們會更好地推動無源互調領域的快速發(fā)展，解決更多的無源互調干擾問題。