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。