任天雄,陳 雄,,3,劉任之

(1.天津大學(xué) 微電子學(xué)院,天津,30072;2.南方科技大學(xué) 電子與電氣工程系,深圳 518055;3.香港中文大學(xué) 電子工程學(xué)系,香港 999077)

0 引言

無源互調(diào)(passive intermodulation,PIM)是一種常見的非線性失真,主要是指當兩個或者多個不同頻率的載波信號通過無源器件時,由于器件的非線性導(dǎo)致產(chǎn)生新頻率干擾信號的現(xiàn)象。無源器件的非線性通常較弱,使得無源互調(diào)產(chǎn)物的強度一般遠低于載波信號的強度,可能也低于熱噪聲的強度,所以很多通信系統(tǒng)可以忽略PIM產(chǎn)物的影響。但在載波功率高、收發(fā)系統(tǒng)距離近或接收機靈敏度高的系統(tǒng)中,PIM信號可能會造成干擾,從而降低通信質(zhì)量?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)的頻譜資源日益緊張,共站、共址現(xiàn)象更加普及,接入系統(tǒng)的各種終端數(shù)量也在與日俱增,更加劇了互調(diào)干擾的危害。隨著通信系統(tǒng)向著大功率、寬帶、高密度、高集成的方向發(fā)展,互調(diào)干擾受到日益增加的關(guān)注。

互調(diào)產(chǎn)物的頻譜分布圖如圖1所示。PIM產(chǎn)物的階數(shù)定義為載波信號f1和f2的系數(shù)絕對值之和。偶數(shù)階的PIM產(chǎn)物與載波信號頻帶相距很遠,一般不會落入接收頻帶,因此,對于通信系統(tǒng)的影響也很小,而奇數(shù)階的PIM產(chǎn)物則容易落入接收頻帶造成干擾,并且無法使用濾波器濾除。PIM產(chǎn)物的功率會隨階數(shù)的增加而迅速降低,所以3階PIM產(chǎn)物作為最低階的PIM產(chǎn)物,造成的危害最大。但當系統(tǒng)中的射頻發(fā)射功率足夠大時,即使是高階的PIM產(chǎn)物相對載波頻率很小,由于接收機靈敏度很高,也會引起嚴重干擾,這種現(xiàn)象在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中較為常見,例如歐洲海事衛(wèi)星MARECS的43階產(chǎn)物和國際通信衛(wèi)星IS-V的27階產(chǎn)物落入接收頻帶[1]。雙載波情形下的低階PIM產(chǎn)物通道數(shù)較少,干擾信號往往產(chǎn)生于單個頻點,然而如果載波數(shù)量不斷增加,PIM產(chǎn)物的通道數(shù)也會隨之急劇增加,最終呈現(xiàn)出寬帶噪聲的特性[2]。

圖1 無源互調(diào)產(chǎn)生原理示意圖及產(chǎn)物頻譜圖Fig.1 Schematic of PIM generation and spectrum of PIM product

為了解決互調(diào)干擾造成的危害,針對PIM產(chǎn)生過程以及干擾機理,研究人員從不同角度入手提出了許多方法。文章將分別從微波器件的低PIM設(shè)計、PIM影響因素建模研究、PIM源定位、PIM信號數(shù)字處理、引入互調(diào)信號實現(xiàn)對消等方面對無源互調(diào)抑制與對消技術(shù)進行綜述和展望。

1 無源互調(diào)產(chǎn)生機理

抑制無源互調(diào)的生成可以確保通信系統(tǒng)的正常工作[3]。在無源器件的應(yīng)用中,溫度、銹蝕、氧化、應(yīng)力等多種因素都會導(dǎo)致PIM產(chǎn)物的生成,通過建模研究不同影響因素與PIM幅度之間的關(guān)系,可以得出主要的影響因素從而避免PIM產(chǎn)物生成。

無源器件中可能產(chǎn)生非線性的半導(dǎo)體效應(yīng)很多[4-6],并且影響因素之間還會耦合,使得對于PIM產(chǎn)物生成的物理建模十分復(fù)雜。因此,尋找主要的影響因素是抑制PIM產(chǎn)物生成的基礎(chǔ)。無源互調(diào)的產(chǎn)生機理可以分為接觸非線性、材料非線性、分布非線性等方面[7]。

對于接觸非線性的研究大多數(shù)基于對于接觸界面進行建模,通過考慮表面粗糙度、應(yīng)力、氧化等不同因素,來建立這些影響因素與互調(diào)產(chǎn)物幅度之間的關(guān)系式,這類研究是PIM機理研究中熱度最高的。2017年,Zhao X L等[8]對于對金屬-絕緣體-金屬(MIM)接觸非線性產(chǎn)生的PIM干擾進行了分析建模,提出PIM產(chǎn)物主要由模型中的接觸電阻、表面電流密度和非線性電流系數(shù)決定,實驗證明降低這三個影響因素,PIM電平分別降低60、60、20dB/10倍。文章還推導(dǎo)了矩形波導(dǎo)連接的PIM產(chǎn)物方程。Yang H P及其團隊[9]在2018年建立了松動連接器的接觸面模型,研究接觸表面附加阻抗和接觸電流對PIM產(chǎn)物的影響,提出接觸電流與接觸角成正比,并通過雙音測試,證明了模型的正確性。同年,Chen X等[10]提出了利用蒙特卡洛方法來研究同軸連接器的接觸非線性,相對傳統(tǒng)方法,引入統(tǒng)計學(xué)方法后可以預(yù)測互調(diào)產(chǎn)物的置信區(qū)間。2019年,Jin Q Y及其團隊[11]運用內(nèi)導(dǎo)體橫截面的有限元模型研究了不同材料、不同涂層厚度和黃銅中不同鐵含量對于PIM產(chǎn)物的影響,分析了PIM產(chǎn)物與電流密度分布之間的關(guān)系,通過實驗驗證了理論分析的正確性。該研究對于低PIM連接器的設(shè)計具有重大意義。2021年,Jin Q Y等[12]提出了一種連接器互調(diào)產(chǎn)物預(yù)測模型,該模型還考慮了PIM的功率和頻率依賴性。該等效電路模型結(jié)合了材料非線性和接觸非線性,同時考慮了隧穿效應(yīng)等物理效應(yīng)中的參數(shù),可以準確預(yù)測連接器的三階互調(diào)產(chǎn)物。

磁滯非線性效應(yīng)是磁性材料導(dǎo)致PIM的主要原因,當前主流的分析方法是利用瑞利模型對鐵磁材料進行建?；蛘呋趯嶒灁?shù)據(jù)進行建模。2013年,Sabata A.等[13]利用瑞利模型來研究全球移動通信系統(tǒng)(global system for mobile communications,GSM)信號傳輸和處理的設(shè)備結(jié)構(gòu)中由鐵磁材料夾雜物引起的互調(diào)失真問題,通過基于鐵磁材料構(gòu)建的同軸傳輸線進行實驗,驗證了模型的正確性。2017年,Chen X等[14]對可重構(gòu)鎳涂層陣列上的PIM進行了研究,將駐波磁場引入PIM產(chǎn)生的分析中,證明了PIM產(chǎn)物強度和磁場強度的關(guān)系。PIM產(chǎn)物幅度與陣列中鎳單元數(shù)量關(guān)系如圖2所示,初步證明了使用分布式非線性源合成互調(diào)產(chǎn)物的可行性,為之后用于對消的非線性源的研究開拓了方向。葉鳴等[15]于2020年研究了鐵磁材料鎳的PIM產(chǎn)生機制,模型主要基于磁疇疇壁的非線性振動過程。實驗驗證了鎳材料長度對三階PIM產(chǎn)物的影響,還證明了外加偏置直流磁場可以抑制鎳的互調(diào)電平,為PIM抑制提供了新思路。

圖2 陣列結(jié)構(gòu)及測試結(jié)果Fig.2 Structure and test result of cell array

由于尺度效應(yīng)引起的互調(diào)產(chǎn)物幅度較小,因而這方面的研究相對較少。尺度效應(yīng)主要指物理定律的適用范圍具有一定的尺度限制,不能隨意由宏觀向微觀或者由有限長度向無限長度推導(dǎo)。對于在傳輸線上均勻分布的非線性,不能簡單采用點源模型進行推導(dǎo),需要考慮尺度效應(yīng)的影響。2008 年,Zelenchuk D等[16]首次提出了一種具有分布非線性源的傳輸線長度模型來模擬PIM的產(chǎn)生機理,并通過對微帶線PIM產(chǎn)物的近場測量進行驗證,確定了可能的PIM抑制方法。首次表明在具有分布非線性的匹配傳輸線中,反向PIM產(chǎn)物由非線性散射產(chǎn)生。2011年,他們在考慮損耗和色散的情況下推導(dǎo)了PIM產(chǎn)物與傳輸線長度之間的關(guān)系,分析了PCB傳輸線寬度、長度、厚度、基底幾何參數(shù)對PIM產(chǎn)物的影響,為低PIM的PCB板設(shè)計提供了指南[17]。2021年,Chen X等[18]基于分布非線性模型研究了雙向PIM產(chǎn)物,分析了典型二端口網(wǎng)絡(luò)中的PIM產(chǎn)物定向分布效應(yīng),首次指明了具有一定尺度效應(yīng)的微波器件傳輸與反射PIM產(chǎn)物的關(guān)系,為PIM產(chǎn)物的雙向?qū)ο膶崿F(xiàn)提供了參考。

隨著仿真技術(shù)與實驗測量技術(shù)的發(fā)展,對PIM產(chǎn)物建模研究時可以考慮更多微觀的物理參數(shù),探究這些微觀參數(shù)與宏觀的影響因素之間的關(guān)系,并通過實驗驗證得出主要的影響因素。通過對于PIM產(chǎn)生機理的研究,可以更精準地預(yù)測PIM產(chǎn)物,對于低PIM器件設(shè)計、PIM生成抑制、PIM信號數(shù)字處理等方面都有很大的意義。

2 無源互調(diào)產(chǎn)物的抑制

雖然目前已經(jīng)有行業(yè)標準從表面處理以及連接器加固等角度實現(xiàn)PIM產(chǎn)物生成的抑制,并且低PIM線纜、連接器等器件發(fā)展如火如荼,但是在實際復(fù)雜的使用環(huán)境中,PIM產(chǎn)物生成依舊難以避免。因此使用互調(diào)對消解決PIM失真成為研究熱點。

2.1 低PIM器件設(shè)計

近年來,學(xué)術(shù)界提出了一系列低PIM無源器件設(shè)計方法。2013年,Christianson等[19]提出了一種利用匹配網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的低PIM天線接口。在同軸連接器前接入λ/4阻抗變化單元,可以減少流過連接器的電流量從而減小互調(diào)失真。實驗表明將互調(diào)源的輸入阻抗從50歐姆轉(zhuǎn)化至285歐姆,可以在最小化影響連接器傳輸特性的前提下實現(xiàn)減少互調(diào)信號強度20dB以上。2018年,Chen X等[20]提出了圖3所示的基于間隙波導(dǎo)技術(shù)的低PIM非接觸式波導(dǎo)法蘭,降低波導(dǎo)連接中接觸非線性引起的PIM。實驗結(jié)果表明,該器件不僅具有更小的尺寸,而且測得的最大PIM電平比傳統(tǒng)波導(dǎo)法蘭降低了30dB,并且該結(jié)果幾乎不受表面電鍍材料和接觸應(yīng)力的影響。這種采用非接觸式結(jié)構(gòu)代替金屬接觸結(jié)構(gòu)從而消除接觸非線性的方法是最近的研究熱點之一。2018年,Kozlov D及其團隊[21]提出了一種低PIM的PCB結(jié)構(gòu),可以降低由微帶線邊緣粗糙度導(dǎo)致的電流驅(qū)動非線性效應(yīng)。其原理為使用高介電常數(shù)的材料覆蓋微帶線邊緣可以降低電場強度。實驗結(jié)果證明,適當?shù)倪x擇涂層材料的電氣和幾何參數(shù),可以在不改變微帶線的特征阻抗和插入損耗等信號參數(shù)的情況下,降低三階互調(diào)產(chǎn)物電平達10dB。

圖3 折疊無接觸波導(dǎo)法蘭設(shè)計圖Fig.3 Sketch of the folded contactless waveguide flange

2.2 PIM信號數(shù)字域優(yōu)化

2019年,Miao X Q及其團隊[22]提出通過對衛(wèi)星通信中產(chǎn)生的PIM產(chǎn)物進行數(shù)字信號處理來抑制互調(diào)干擾。他們通過在數(shù)字域建模PIM失真信號來預(yù)測高階PIM信號,基于重建的PIM信號采用最小均方算法自適應(yīng)減輕PIM干擾,實驗證明該方法可以降低互調(diào)干擾抑制幅度達20dB。2020年,Waheed等[23]提出了通過使用原始發(fā)射數(shù)據(jù)作為參考來消除收發(fā)機數(shù)字前端中的PIM。他們設(shè)計的數(shù)字消除和參數(shù)估計解決方案的性能和處理復(fù)雜性通過實驗測量進行評估,結(jié)果表明提出的消除器是可行的,可以將自干擾抑制超過20dB。Lampu V等[24]于2021年針對頻分雙工(FDD)收發(fā)機系統(tǒng)中空間感應(yīng)PIM的影響,對基站接收機處感知到的PIM干擾建立了模型,并利用該模型生成PIM信號的估計值,從接收到的數(shù)據(jù)中抑制PIM信號,其原理如圖4所示。

圖4 參數(shù)估計與互調(diào)對消原理圖Fig.4 Procedure of parameter estimation and intermodulation cancellation

實驗表明,使用開發(fā)的數(shù)字抵消解決方案,可將接收到的空氣感應(yīng)PIM產(chǎn)物抑制超過20dB,在可實現(xiàn)的PIM產(chǎn)物抵消方面前景廣闊[24]。數(shù)字對消方面的研究還處于起步階段,通?；趯IM產(chǎn)物功率的預(yù)測,抑制的效果很大程度上受限于預(yù)測的準確度,對于用于預(yù)測的算力具有一定要求。除了基于產(chǎn)物估計生成新信號進行對消的方法外,還有很多數(shù)字處理方法可以實現(xiàn)互調(diào)對消。方天琪等[25]利用PIM的時變性和間斷性特點,提出可以利用LDPC信道編碼技術(shù)在無源互調(diào)干擾下有效改善通信質(zhì)量。

2.3 模擬域的PIM對消

如果能夠在受互調(diào)干擾的系統(tǒng)中引入與干擾信號幅度相同、相位相反的PIM信號,就可以實現(xiàn)PIM信號對消從而消除干擾。引入PIM信號可以直接引入特定幅度相位的PIM信號,或者通過反饋網(wǎng)絡(luò)、中介層等引入系統(tǒng)本身的PIM信號,也可以在系統(tǒng)中添加新的非線性源。

2008年,Li L等[26]通過將合成的三階互調(diào)產(chǎn)物信號注入X波段的行波管(TWT)功率放大器,實現(xiàn)了降低其三階互調(diào)產(chǎn)物的效果,最大降低幅度達15.74dB。同年,Henrie J等[27]提出在微波網(wǎng)絡(luò)中添加非線性中介層網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的PIM用來降低系統(tǒng)總反射PIM。實驗中使用N型連接器作為PIM源,調(diào)整傳輸線的長度來調(diào)節(jié)合適的相位,結(jié)果表明該中介網(wǎng)絡(luò)抵消系統(tǒng)PIM幅度達24dB。2009年,該團隊提出了在同軸電纜上鍍不同厚度鎳和金鍍層來制造不同幅度的PIM對消源,通過理論推導(dǎo)了鍍層厚度與IM幅度之間的關(guān)系式。實驗證明,相比于引入中介網(wǎng)絡(luò)的方法,該方法可以提高無源互調(diào)對消的精度和帶寬[28]。利用鎳鍍層做非線性源雖然是無源的,但是不可調(diào)節(jié),需要對于不同系統(tǒng)的PIM制定不同鍍層厚度的連接器。為了實現(xiàn)對消方法的廣泛應(yīng)用,需要制造可調(diào)節(jié)的非線性源。

2020年,Chen X等[29]提出,通過在低PIM無源微帶線周圍放置鐵氧體盤,通過調(diào)節(jié)鐵氧體盤的位置來調(diào)節(jié)PIM信號幅度與相位,將其引入系統(tǒng)實現(xiàn)對消PIM產(chǎn)物,實驗證明可以減小系統(tǒng)PIM達20dB。2020年,Jin Q Y等[30]對于不同的對消方法進行了仿真比較,詳細分析了每種方法的優(yōu)缺點。通過實驗發(fā)現(xiàn)加入三階PIM產(chǎn)物信號可以實現(xiàn)雙向抑制,引入反饋網(wǎng)絡(luò)方法的對消幅度最大,而插入PIM源在低功耗系統(tǒng)中最有效最經(jīng)濟。該研究為不同條件下選取不同對消方法提供了參考。2022年,Chen X等[31]提出了一種寬帶可調(diào)非線性源,可以實現(xiàn)65dB的幅度動態(tài)范圍和2π相位調(diào)節(jié)范圍。該非線性源利用微帶線介質(zhì)基板內(nèi)部具有場強梯度的電磁場作為激勵源,肖特基勢壘二極管位于基板腔體內(nèi)部作為非線性源,可通過調(diào)節(jié)二極管位置實現(xiàn)互調(diào)產(chǎn)物幅度和相位的調(diào)節(jié)。通過實驗證明在系統(tǒng)內(nèi)有單個及多個非線性源時,使用該可調(diào)非線性源均可實現(xiàn)對消。如表1所列,可以明顯看出該方案在性能方面的優(yōu)越性。該非線性源可預(yù)先接入通信系統(tǒng)中,當系統(tǒng)收到互調(diào)干擾影響時,通過調(diào)節(jié)產(chǎn)生互調(diào)信號的幅度和相位,實現(xiàn)互調(diào)對消。

表1 非線性源性能對比Tab.1 Comparison of different nonlinear sources

3 結(jié)論

從最近國內(nèi)外無源互調(diào)研究趨勢來看,產(chǎn)生機理依然是研究重點,以實際應(yīng)用為導(dǎo)向的無源互調(diào)抑制方面的研究也成為了熱點。互調(diào)抑制方面的技術(shù)研究正從單一應(yīng)用場景下的特定解決方案向著提出能夠解決不同頻帶、不同互調(diào)產(chǎn)物幅度的普適性方案發(fā)展,系統(tǒng)級互調(diào)抑制技術(shù)也受到更多關(guān)注[36]。

(1)設(shè)計低PIM器件可以實現(xiàn)重點改善系統(tǒng)中易產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物的連接部位、器件,可以一定程度上避免焊接、螺栓等帶來的接觸非線性干擾,但是這些器件一般需要結(jié)合特定的制造工藝,其大規(guī)模應(yīng)用仍需考慮成本、生產(chǎn)效率等因素。

(2)數(shù)字信號對消方法是利用建模及算法對PIM產(chǎn)物功率進行預(yù)測,根據(jù)預(yù)測值來構(gòu)造對應(yīng)的對消信號,從而實現(xiàn)PIM抑制。因此這種方法的抑制幅度往往取決于預(yù)測精度。但其在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中有著較好的應(yīng)用前景。

(3)通過引入對消信號、中介層、非線性源等方法來實現(xiàn)PIM的模擬域?qū)ο?。由于引入通信系統(tǒng)的對消信號一般具有較寬的幅度范圍,該方法在衛(wèi)星通信、遠洋船舶等場景都有著應(yīng)用潛力。

隨著對PIM機理研究的不斷深入,以及多種PIM抑制方法的發(fā)展,無源互調(diào)失真造成的影響一定會越來越小。