摘要：對航天測控站S擴頻測控系統(tǒng)中出現(xiàn)的無源互調(diào)問題進行了探討。隨著測控體制的多樣化，在一些測控系統(tǒng)中出現(xiàn)了收發(fā)干擾的問題，在系統(tǒng)中進一步增加收阻或發(fā)阻濾波抑制并不能使問題得到改善。本文通過分析認(rèn)為測控系統(tǒng)中收發(fā)干擾問題即是無源互調(diào)問題，并根據(jù)無源互調(diào)的特點，結(jié)合實際工程情況，對上行鏈路中的連接器、饋源網(wǎng)絡(luò)、濾波器以及裝配等關(guān)鍵方面采取了改進措施，通過實際工程驗證，證實了所采取措施的有效性，解決了該測控系統(tǒng)中的無源互調(diào)問題。該問題的解決，希望為以后測控系統(tǒng)出現(xiàn)的類似問題提供可供參考的方向和方法。

關(guān)鍵詞：大功率；擴頻測控；收發(fā)干擾；無源互調(diào)

一、引言

無源互調(diào)（Passive Inter-Modulaton，PIM）是無源器件產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物。所有的無源器件實際上都存在一定程度的非線性，當(dāng)其工作在小信號條件下，可認(rèn)為是線性的，但隨著功率的增加，無源器件的非線性失真就會明顯地表現(xiàn)出來，即無源互調(diào)現(xiàn)象。當(dāng)無源互調(diào)產(chǎn)物落在有用頻帶內(nèi)，特別是接收帶內(nèi)時，將會影響系統(tǒng)的正常工作。

目前的研究[1]認(rèn)為，引起無源互調(diào)問題的原因主要是材料非線性和接觸非線性，前者是指具有固有非線性導(dǎo)電材料引起的非線性，如鐵、鎳、鈷及其合金、鑭系元素、鎂與鋁合金等鐵磁材料和碳纖維材料。后者是指具有非線性電流/電壓行為的接觸引起的非線性，如連接處的松動、腐蝕和氧化等，特別是接觸面電流密度越大，對無源互調(diào)越不利。

相比有源互調(diào)（Active Inter-Modulaton，AIM），無源互調(diào)有其特有的性質(zhì)[2]：無源互調(diào)產(chǎn)物無法用濾波器進行濾除，鏈路上加載的濾波器只能將其前面的無源互調(diào)產(chǎn)物濾除，濾波器之后的無源互調(diào)產(chǎn)物依然無法濾除；無源互調(diào)產(chǎn)物具有門限效應(yīng)，隨著功率的增加，互調(diào)產(chǎn)物會毫無征兆地出現(xiàn)；無源互調(diào)產(chǎn)物隨著時間而變化，材料的氧化、連接處接觸壓力變化、電纜彎曲程度等均會隨時間發(fā)生改變，進而影響系統(tǒng)的非線性程度；無源互調(diào)產(chǎn)物可呈現(xiàn)寬帶噪聲特性，類似測控系統(tǒng)中收帶底噪整體抬升的現(xiàn)象。

無源互調(diào)問題在移動通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)中得到了越來越多的重視，報道的文獻有很多[3-6]，但在國內(nèi)關(guān)于航天測控系統(tǒng)相關(guān)文獻報道寥寥無幾，據(jù)查到的文獻是在2000年北京跟蹤與通信技術(shù)研究所的閆春生等人發(fā)表過的一篇相關(guān)文章[7]，文章中對深空站建設(shè)中無源互調(diào)問題預(yù)防和控制進行了理論分析。

本文針對航天測控站中出現(xiàn)的無源互調(diào)問題進行了分析、針對性設(shè)計及驗證，最終解決了實際測控系統(tǒng)中出現(xiàn)的無源互調(diào)問題。

二、存在的問題

近年來，在新研的測控數(shù)傳系統(tǒng)S頻段擴頻測控系統(tǒng)中，有時會出現(xiàn)收發(fā)干擾問題，即在發(fā)射機輸出一定功率條件下，接收帶內(nèi)會產(chǎn)生隨機的干擾信號，具體表現(xiàn)為：在發(fā)射機功率輸出的情況下，在收帶內(nèi)突然冒出隨機的干擾信號或者出現(xiàn)收帶底噪整體抬升的現(xiàn)象；功率的增加，現(xiàn)象惡化更為嚴(yán)重；同時干擾信號隨著時間也存在一定的變化。收帶內(nèi)干擾信號頻譜如圖1所示。正是因為這些特征，最初的問題分析及排查是一個反復(fù)、漫長的過程。

三、原因排查分析

針對收發(fā)干擾問題，結(jié)合對無源互調(diào)的認(rèn)識，初步判定該問題是無源互調(diào)問題。

（一）擴頻信號分析

無源互調(diào)是指在大功率條件下，兩個或兩個以上的載波經(jīng)過無源器件時，由于無源器件的非線性，導(dǎo)致在無源器件中產(chǎn)生的載波頻率組合分量。在S頻段擴頻測控系統(tǒng)中，測控基帶輸出的擴頻信號是一個帶寬為20M左右的擴頻調(diào)制信號，通過對擴頻信號的頻譜特征分析[8]可知，一個擴頻信號可以由無數(shù)條離散譜線組成，其等效于一個多載波信號。在大功率條件下，收帶內(nèi)的互調(diào)產(chǎn)物隨著載波數(shù)目的增加而急劇增加，此時，無源互調(diào)干擾與寬帶噪聲沒有太大區(qū)別，這正是收帶底噪整體抬升的原因。

（二）干擾源分析

S頻段測控系統(tǒng)的基本框圖如圖2所示。

基帶設(shè)備輸出的擴頻調(diào)制信號，經(jīng)上行固態(tài)功放進行放大后送給天伺饋設(shè)備，同時外部有用信號經(jīng)天伺饋設(shè)備進行接收，并經(jīng)過下行低噪放進行放大后送給基帶設(shè)備進行解調(diào)處理。

收發(fā)干擾問題只有在上行功率輸出的條件下才會出現(xiàn)，因此首先排除了下行信道的問題。

為了進一步區(qū)分是有源干擾還是無源干擾，將系統(tǒng)分為有源（基帶設(shè)備、S固態(tài)功放）和無源（天伺饋設(shè)備）兩個部分分別進行試驗驗證。

首先，對有源部分鏈路進行測試。將基帶設(shè)備輸出的擴頻小信號經(jīng)S固態(tài)功放進行放大，利用雙工器的分頻作用，雙工器發(fā)射端接大功率負載，用于發(fā)頻功率吸收，接收端接收分頻信號，再經(jīng)低噪放放大后送至頻譜儀。

在S固態(tài)功放連續(xù)波功率800W輸出條件下，進行了多次測試及長時間拷機，頻譜儀上的收帶底噪均保持不變，沒有出現(xiàn)干擾現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，進一步試驗驗證了只要加入天伺饋設(shè)備，收帶內(nèi)就會出現(xiàn)干擾現(xiàn)象，并且在天伺饋設(shè)備鏈路中增加額外發(fā)阻或者收阻濾波器，并進行阻抗匹配調(diào)節(jié)，保證鏈路匹配良好的情況下，新加濾波器仍然不起作用。

上述試驗證實了該問題是由后端的無源設(shè)備是天伺饋設(shè)備引起的，其信號的特征和無源互調(diào)信號特性是一致的，從而判定S擴頻測控系統(tǒng)中出現(xiàn)的收發(fā)干擾問題就是無源互調(diào)問題。無源互調(diào)問題的產(chǎn)生機理十分復(fù)雜，目前還沒有完善的理論模型和行之有效的分析評估手段，在工程設(shè)計中，衡量系統(tǒng)無源互調(diào)水平主要依賴于試驗測試。

四、改進措施及驗證

在實際工程項目中，針對系統(tǒng)中比較容易產(chǎn)生無源互調(diào)的關(guān)鍵設(shè)備進行了改進。其中連接器、饋源、濾波器以及裝配等是重點考慮的對象。

（一）連接器

在大功率條件下，不同設(shè)備直連處是容易產(chǎn)生無源交調(diào)的地方，系統(tǒng)中主要有波同轉(zhuǎn)換、波紋管電纜接頭。

1.波同轉(zhuǎn)換

在波導(dǎo)極化開關(guān)與饋線的連接處一般采用波同轉(zhuǎn)換，一端為BJ22接口，另一端采用N型頭或者L29型接頭。采取的措施是：將N型接頭改為L29型接頭，增加連接器內(nèi)外導(dǎo)體的電流接觸面積，降低電流密度[9]；波同轉(zhuǎn)換采用直通式結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)腔體、調(diào)諧桿和連接器內(nèi)導(dǎo)體均一體化加工；波腔體內(nèi)部以及連接器內(nèi)導(dǎo)體采用鍍銀涂層。采用這些措施用來降低波同轉(zhuǎn)換的材料非線性以及接觸非線性。

2.波紋管電纜接頭

天伺饋設(shè)備中，在發(fā)射機輸出端到方位關(guān)節(jié)、方位關(guān)節(jié)到俯仰關(guān)節(jié)、俯仰關(guān)節(jié)到極化開關(guān)的三段電纜一般采用13/8波紋管電纜。試驗表明電纜的駐波系數(shù)小不見得無源互調(diào)產(chǎn)物就小，反之駐波系數(shù)大無源互調(diào)產(chǎn)物肯定高。波紋管電纜接頭的制作非常關(guān)鍵，制作過程中不僅要關(guān)注駐波系數(shù)指標(biāo)，同時，操作要規(guī)范，剝外被時不要傷到外導(dǎo)體；線纜切割截面要打磨，確保界面及內(nèi)導(dǎo)體平整光滑；要對線纜端、連接器進行酒精清洗，避免存在雜質(zhì)或污染；裝配時接頭要連接牢固，避免存在接觸不良的問題。

（二）饋源網(wǎng)絡(luò)

測控天線饋源網(wǎng)絡(luò)一般由網(wǎng)絡(luò)圓盤、隔板極化器和喇叭組成，如圖3所示。

網(wǎng)絡(luò)圓盤用于跟蹤信號的提取，由三層部件組成，外形呈圓形，接觸面積較大，部件間有縫隙，易產(chǎn)生接觸非線性。改進的措施是增加螺釘緊固，使部件間緊密接觸，同時增加部件內(nèi)部電橋的支撐，確保電氣性能的穩(wěn)定。

隔板極化器用于信號的極化分離，改進的措施是增加隔板厚度，避免在焊接時發(fā)生形變；加固隔板極化器與網(wǎng)絡(luò)圓盤的緊密連接；碳纖維材料喇叭改為全鋁材一體化喇叭，減少材料非線性引起的無源交調(diào)。

（三）濾波器

濾波器也是測控鏈路中常用的一類設(shè)備，主要是收阻、發(fā)阻濾波器和雙工器。濾波器的改進要點是在濾波器腔體內(nèi)表面進行鍍銀處理，雖然銀易與大氣中的硫化氫發(fā)生氧化反應(yīng)生成硫化銀，使銀表面變色，但不會對電氣性能包括無源互調(diào)性能產(chǎn)生任何影響；另一方面濾波器內(nèi)部諧振腔和調(diào)諧螺桿盡量一體化加工，邊緣處采用倒角處理，避免局部電流密度過大，引起微放電，降低濾波器電氣性能。

（四）裝配

在實際工作中發(fā)現(xiàn)，設(shè)備裝配對系統(tǒng)的無源交調(diào)性能也有很大的影響。天伺饋設(shè)備中的發(fā)饋線采用了較多的BJ22波導(dǎo)，尺寸大質(zhì)量重，裝配時，首先要對法蘭面及波導(dǎo)腔體內(nèi)部進行清洗，避免殘留物、汗液等存在；固定時，安裝面要受力均勻，接觸良好，同時做好饋線的支撐、固定工作；最后檢查饋線氣密性，避免水汽進入波導(dǎo)腔體內(nèi)部。

最后，對無源互調(diào)問題進行了驗證。通過多次拷機測試，收帶內(nèi)再沒有出現(xiàn)隨機冒尖或底噪整體抬升的現(xiàn)象，證實了改進措施的有效性和正確性。

五、結(jié)束語

本文對航天測控站出現(xiàn)的收發(fā)干擾問題進行了分析，確認(rèn)了測控系統(tǒng)中收發(fā)干擾問題就是大功率條件下的無源互調(diào)問題，根據(jù)無源互調(diào)的影響因素，對測控系統(tǒng)中關(guān)鍵部件進行了針對性改進，解決了實際測控系統(tǒng)中出現(xiàn)的無源互調(diào)問題，驗證了理論分析的準(zhǔn)確性。希望通過該問題的處理，為以后測控系統(tǒng)中出現(xiàn)的類似問題提供一定的工程借鑒意義。

無源互調(diào)問題是一個系統(tǒng)工程問題，是多載波系統(tǒng)中的正常現(xiàn)象，難以根本消除。在航天測控系統(tǒng)總體設(shè)計中，應(yīng)把該問題納入設(shè)計范疇，從系統(tǒng)收發(fā)頻率規(guī)劃、無源互調(diào)指標(biāo)的逐級分解等進行考慮，特別是在天伺饋設(shè)備中，從方案設(shè)計、加工、安裝、測試等各階段都要有切實可行的落實手段。

作者單位：李成虎 西南電子技術(shù)研究所

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