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        大功率微波部件多載波無源互調(diào)分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        2021-03-16 09:14:02魏煥王新波白鶴崔萬照
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)分析系統(tǒng)

        魏煥,王新波,白鶴,崔萬照

        中國(guó)空間技術(shù)研究院 西安分院 空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710100

        現(xiàn)代通信系統(tǒng)(如衛(wèi)星通信系統(tǒng)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和航空電子系統(tǒng)),由于發(fā)射天線同時(shí)也作為接收天線使用(收發(fā)雙工),或者至少發(fā)射天線位于接收天線附近,大功率發(fā)射機(jī)和高靈敏度接收機(jī)處于有限空間內(nèi),結(jié)果產(chǎn)生了一種必須加以抑制的新的互調(diào)干擾源—無源互調(diào)(passive intermodulation, PIM)。由于發(fā)射系統(tǒng)中各種無源部件都存在一定程度的非線性特性,在大功率、多通道系統(tǒng)中,這些無源部件的非線性會(huì)產(chǎn)生比工作頻率更高次的諧波,諧波與工作頻率混合會(huì)產(chǎn)生一組新的頻率,最終在空中產(chǎn)生一組干擾頻譜影響正常的通信[1-2]。以發(fā)射兩個(gè)載波為例,由于微波無源部件的非線性導(dǎo)致載波信號(hào)相互調(diào)制,產(chǎn)生載波頻率的組合產(chǎn)物落入接收通帶內(nèi)造成干擾的現(xiàn)象。衛(wèi)星通信系統(tǒng)受平臺(tái)空間限制要求收發(fā)共用,同時(shí)衛(wèi)星通信中對(duì)PIM要求比地面高很多,如典型值地面PIM要求2×43@153 dBc,衛(wèi)星通信PIM要求2×53@193 dBc,即衛(wèi)星通信比地面通信對(duì)PIM的要求高40 dB,更加嚴(yán)格[3-4]。

        隨著新一代衛(wèi)星載荷技術(shù)向更高功率、更寬頻段、更高靈敏度接收的方向發(fā)展,衛(wèi)星系統(tǒng)工作性能的可靠性備受關(guān)注。當(dāng)輸入功率增大時(shí),產(chǎn)生的PIM功率電平也會(huì)相應(yīng)增大,對(duì)通信系統(tǒng)造成的干擾就會(huì)更加嚴(yán)重,一旦發(fā)生輕則使接收系統(tǒng)信噪比降低,誤碼率升高,影響整個(gè)通信系統(tǒng)的正常工作,嚴(yán)重時(shí)互調(diào)產(chǎn)物淹沒接收信號(hào),導(dǎo)致通道阻塞,通信中斷,使整個(gè)系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。

        常見的PIM分析通常用兩個(gè)載波分析部件或者系統(tǒng)PIM,而實(shí)際移動(dòng)通信系統(tǒng)工作中往往是多路載波同時(shí)工作[5],工程中一般采用總輸入功率相同的兩個(gè)邊頻載波的PIM估算多載波PIM。工程中采用雙載波近似分析多載波的依據(jù)是:1)輸入總功率相同條件下,多載波是兩個(gè)邊頻載波功率展開分布,單個(gè)頻率點(diǎn)輸入功率電平較低;2)低階PIM通常比高階PIM的量值高多個(gè)數(shù)量級(jí),兩個(gè)邊頻產(chǎn)生的PIM落入接收帶內(nèi)的PIM階數(shù)比多載波的低,在不考慮多載波相位分布和相同頻率點(diǎn)不同類型PIM疊加的條件下,這種近似分析可以簡(jiǎn)化分析與試驗(yàn)驗(yàn)證。

        國(guó)內(nèi)外已開展了多載波PIM分析研究,對(duì)多載波PIM階數(shù)與類型進(jìn)行了分析計(jì)算[6-7],同時(shí)采用實(shí)驗(yàn)研究了多載波貢獻(xiàn)載波對(duì)PIM功率電平的影響[8-9]。本文提出了多載波PIM頻率與系數(shù)組合計(jì)算分析方法,采用非線性模型對(duì)多載波PIM進(jìn)行了估算[10-11],可為大功率微波部件PIM分析設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

        1 多載波PIM分析

        多載波PIM分為兩種情況:同一頻段內(nèi)多個(gè)載波產(chǎn)生PIM和多個(gè)頻段之間的PIM。對(duì)于這兩種多載波PIM分析方法有所不同:1)同一頻段內(nèi)多載波PIM通常采用上邊頻(f1)與下邊頻(f2)兩個(gè)頻率PIM的分析測(cè)量來等效計(jì)算頻帶內(nèi)多個(gè)載波的PIM問題,移動(dòng)通信頻段內(nèi)PIM如圖1所示;2)移動(dòng)通信系統(tǒng)間的PIM如圖2所示,衛(wèi)星通信多個(gè)子系統(tǒng)之間的干擾如表1所示,一般采用合理的頻率規(guī)劃來避免多載波PIM。

        圖1 移動(dòng)通信系統(tǒng)內(nèi)的PIMFig.1 PIM in a mobile communication system

        圖2 移動(dòng)通信系統(tǒng)間的PIMFig.2 PIM among mobile communication systems

        表1 衛(wèi)星典型頻率組合與PIM階數(shù)[12]

        2 多載波PIM分析方法

        對(duì)于多載波PIM分析方法主要包含兩個(gè)方面,一是PIM頻率分布及類型的確定,二是PIM功率電平的確定。

        2.1 多載波PIM頻率分布及階數(shù)的計(jì)算

        由表2和表3可以看出,多載波PIM數(shù)量多,相同階數(shù)的PIM可對(duì)應(yīng)多個(gè)PIM頻率點(diǎn),且包含至少一個(gè)載波系數(shù)組合,即不同階數(shù)、PIM頻率點(diǎn)、貢獻(xiàn)載波數(shù)(系數(shù)組合中非零項(xiàng)的總和即為對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)PIM貢獻(xiàn)載波的數(shù)量)、PIM數(shù)量這4個(gè)因素共同交織在一起構(gòu)成了多載波PIM的復(fù)雜性。

        根據(jù)文獻(xiàn)[13]分析,相同PIM階數(shù)、不同頻率點(diǎn)的PIM功率電平,由于貢獻(xiàn)載波數(shù)不同導(dǎo)致PIM功率電平分布在較寬范圍。因此,在實(shí)際的頻率設(shè)計(jì)中,對(duì)于PIM需要考慮3個(gè)方面。第一,計(jì)算接收頻帶內(nèi)PIM頻率點(diǎn)的分布與PIM階數(shù);第二,找出PIM階數(shù)最低的頻率點(diǎn);第三,計(jì)算PIM階數(shù)最低頻率點(diǎn)的PIM功率電平,判斷其是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

        對(duì)于發(fā)射載波等間隔分布與非等間隔分布兩種情況,還需要詳細(xì)計(jì)算PIM頻率點(diǎn)的分布、PIM階數(shù)和貢獻(xiàn)載波數(shù)。因此,對(duì)于接收靈敏度要求高的系統(tǒng)應(yīng)詳細(xì)分析多載波PIM頻率及分布。

        表2 PIM階數(shù)與對(duì)應(yīng)的互調(diào)數(shù)量

        表3 3階PIM頻率分布與對(duì)應(yīng)的系數(shù)組合

        2.2 多載波PIM功率電平的確定

        通常情況下,確定多載波PIM功率電平有兩種途徑。一種是直接測(cè)試,搭建多載波PIM測(cè)試系統(tǒng),按照第2.1小節(jié)方法計(jì)算多載波PIM頻率分布,實(shí)驗(yàn)測(cè)量多載波對(duì)應(yīng)的PIM頻率分布點(diǎn)的功率電平;另一種是通過雙載波實(shí)驗(yàn)測(cè)量來分析計(jì)算多載波PIM電平。

        近年來,研究者提出通過雙載波測(cè)量估算多載波PIM電平的方法:一種是通過雙載波PIM測(cè)量數(shù)據(jù),再采用合適的PIM非線性計(jì)算模型預(yù)測(cè)多載波PIM功率電平[14-17];另一種是通過輸入與多載波總功率相等的兩路載波測(cè)量PIM功率電平,再留有一定系統(tǒng)設(shè)計(jì)余量保證多載波系統(tǒng)PIM問題不會(huì)發(fā)生。兩種多載波PIM功率電平確定方法優(yōu)缺點(diǎn)如表4所示。

        表4 多載波PIM電平確定方法總結(jié)

        目前的方法都存在一個(gè)普遍問題,即實(shí)驗(yàn)或者計(jì)算過程中沒有考慮多載波輸入信號(hào)相位分布問題,這有兩方面原因:1)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中增加輸入多載波信號(hào)相位控制功能對(duì)測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)要求較高,實(shí)現(xiàn)難度大大增加,而出現(xiàn)某種相位組合條件PIM功率電平的時(shí)間相對(duì)較短,且對(duì)系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生危害性影響;2)多載波PIM功率電平隨發(fā)射載波相位變化分布范圍相對(duì)較大,但隨相位變化分布的變化范圍與隨PIM階數(shù)的變化相比可以折中考慮,實(shí)際中采用雙載波輸入總功率與多載波輸入總功率相等的條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試一般就可以滿足指標(biāo)要求。

        3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        對(duì)TNC雙陰連接器開展輸入總功率相同條件下兩路和四路載波的PIM試驗(yàn)。兩路波頻率設(shè)定為2.16 GHz和2.205 GHz,4載波頻率設(shè)定為2.16 GHz、2.175 GHz、2.19 GHz和2.205 GHz,接收頻帶為[2.04 GHz,2.08 GHz],輸入總功率50 dBm。

        對(duì)于兩路載波輸入,接收頻帶內(nèi)產(chǎn)生1個(gè)PIM頻點(diǎn),即2.07 GHz;對(duì)于4路載波輸入,接收頻帶內(nèi)共產(chǎn)生9個(gè)PIM頻率點(diǎn),即2.04 GHz、2.045 GHz、2.05 GHz、2.055 GHz、2.06 GHz、2.065 GHz、2.07 GHz、2.075 GHz和2.08 GHz。設(shè)定4載波PIM計(jì)算接收帶內(nèi)最高PIM階數(shù)為9階時(shí),共產(chǎn)生40個(gè)4路載波系數(shù)組合??紤]PIM系統(tǒng)中5階及其更高階數(shù)的檢測(cè)靈敏度達(dá)-140 dBm,表5列出了系統(tǒng)可檢測(cè)到的PIM功率電平的頻率點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的系數(shù)組合。

        表5 PIM頻率點(diǎn)及系數(shù)組合

        由表5可以看出4路波系數(shù)組合復(fù)雜,同一個(gè)PIM頻率點(diǎn)包含多個(gè)階數(shù)的PIM,且貢獻(xiàn)載波不同,不同類型的PIM相互疊加在一起。分析接收帶內(nèi)3個(gè)可檢測(cè)的PIM頻率點(diǎn),可以看出兩路載波在2.07 GHz處產(chǎn)生1個(gè)5階PIM;4路載波分別在2.04 GHz處產(chǎn)生1個(gè)7階PIM和1個(gè)9階PIM,且均為3個(gè)貢獻(xiàn)載波,在2.055 GHz處共產(chǎn)生4個(gè)7階PIM,包含3個(gè)貢獻(xiàn)載波和4個(gè)貢獻(xiàn)載波的組合,在2.07 GHz處產(chǎn)生1個(gè)包含2個(gè)貢獻(xiàn)載波的5階PIM、2個(gè)包含3個(gè)與4個(gè)貢獻(xiàn)載波的7階PIM、1個(gè)包含3個(gè)貢獻(xiàn)載波的9階PIM。

        采用文獻(xiàn)[11]出的復(fù)合指數(shù)非線性模型計(jì)算PIM,采用TNC雙陰連接器的雙載波測(cè)量數(shù)據(jù)估計(jì)PIM非線性模型參數(shù),根據(jù)非線性模型計(jì)算接收帶內(nèi)4載波PIM電平。圖3給出了計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以看出接收頻帶內(nèi)雙載波PIM功率電平最高,非線性模型計(jì)算4載波功率電平與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果誤差最大值小于5 dB。結(jié)合表5的分析與圖3的結(jié)果可以看出:接收帶內(nèi)最低階PIM相同的條件下,輸入總功率相同時(shí)兩路載波PIM功率電平比4路載波功率電平高。初步分析是由于4路載波PIM功率在接收帶內(nèi)PIM功率分散在不同頻率點(diǎn)上,且可能包含4路載波相位等因素導(dǎo)致其PIM功率電平相對(duì)較低。

        圖3 TNC雙陰連接器PIM測(cè)試結(jié)果Fig.3 Test result of TNC-KK Connector on PIM

        4 結(jié)束語(yǔ)

        根據(jù)本文提出的PIM頻率及分布類型分析方法,可計(jì)算多載波PIM具體分布,其方法簡(jiǎn)單;結(jié)合非線性模型可以預(yù)測(cè)接收頻帶內(nèi)PIM功率電平,可對(duì)多載波系統(tǒng)的PIM作初步評(píng)估。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果表明,在不考慮多載波相位分布條件下,接收頻帶內(nèi)雙載波PIM功率電平比多載波高。但隨著載波數(shù)量的增加,接收頻帶內(nèi)多載波產(chǎn)生的PIM會(huì)更加復(fù)雜,考慮多載波PIM測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的成本和復(fù)雜度,采用雙載波等效驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)來評(píng)估PIM需充分考慮系統(tǒng)載波數(shù),通過計(jì)算評(píng)估等效實(shí)驗(yàn)可靠性。

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