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摘要:在多載波收發系統中，無源交調的產生可能顯著惡化接收信號的信噪比，導致整個系統的工作受到影響，特別是對于普遍要求大功率發射和高靈敏度接收的衛星收發系統。介紹了一個三工器無源交調的分析與測試，并通過降低接觸非線性的措施，極大地改善了三工器的無源交調特性。

關鍵詞:無源交調;非線性;三工器

1引言

微波系統中，由于某些無源部件具有非線性媒質特性，當輸入多載波信號時，這些無源部件會產生載波信號的交調和諧波分量，這些信號就是無源交調產物(PIM)。隨著通信技術的不斷發展，衛星平臺能力不斷提高，衛星有效載荷的可用功率有了很大提高。真空大功率部件，如開關、連接器、同軸電纜、多工器、天線等的使用功率日益增大。同時，衛星接收系統一般是高靈敏度接收，無源交調對系統的影響逐漸變成一個越來越重要的問題［1］。

2無源交調產生機理

PIM是一個復雜問題，其機理還沒有完全研究清楚，對其精確建模分析也存在困難［2－3］。目前公認的原因包括接觸面非線性和材料非線性。

2．1接觸面非線性兩個金屬面相互接觸時，由于接觸面粗糙的影響，在微觀上總是凹凸不平的，一般狀態如圖1所示［4］。1)金屬接觸這是器件理想的接觸條件，但由于接觸面粗糙的影響，微觀上金屬的接觸多是點接觸。2)金屬－氧化膜－金屬接觸氧化膜可能是單分子結構，依靠隧道效應和穿透薄膜的金屬橋進行導電，屬于半導體接觸，具有相應的非線性。3)金屬－介質－金屬接觸金屬接觸面間有絕緣介質，不導電，交流信號可通過電容效應傳輸。4)微小縫隙無源部件的縫隙可造成電磁泄漏，一定電流密度的泄露可產生PIM。PIM是大能量電磁場在無源部件中產生的有源響應，在某種意義上說是電磁場使微小縫隙變成類似二極管一樣的器件產生的電磁現象［5］。射頻信號通過此類接觸面，在特性的相位條件下會產生間隙電壓V，可能激發微觀的電弧擊穿從而產生非線性。因此，采取各種措施降低接觸面的非線性，從本質上來說，就是要提高1)類金屬接觸面積，降低2)～4)類的接觸面積。如使用拋光表面或使用具有良好延展性鍍層材料，可以顯著提高器件金屬接觸面面積，改善器件PIM。對金屬結合面施加壓力，也可以起到改善PIM的作用。原因是金屬具有延展性，足夠的壓力可以使金屬接觸面積增加，同時減小微小縫隙;金屬氧化膜、表面污染物也可能在足夠的壓力下被刺穿，使得金屬與金屬直接接觸。而當器件表面受到污染或接觸面表面粗糙不平時，都將加劇器件非線性。特別是接觸壓力不足或由于振動使得器件接觸面微觀分離，將引發嚴重的非線性，嚴重惡化器件PIM。

2．2材料非線性鐵磁性材料在外加交變磁場條件下，磁場強度(H)和磁感應強度(B)是以磁滯曲線周期變化的(圖2所示)，這是非線性的周期變化特性，由此產生非線性。這種非線性主要由所含材料的鐵磁性強度、含量多少相關。

3輸出三工器設計

3．1無源交調干擾分析某星載收發系統框圖如圖3所示，發射系統包含3個輸出頻段:B1、B2和B3。三個輸出信號通過輸出三工器合成后送至一副共用天線陣輸出。在這個發射系統中，輸出三工器和發射天線都是可能的PIM產生源。而一旦有較大PIM產生并且落入接收機工作頻段內，該交調可能影響系統正常工作。該系統發射頻段(Tx)和接收頻段(Rx)在頻譜上的分布如圖4所示。由于無源交調分量隨階次降低很快，我們只考慮3階交調情況。其中B2和B3的交調頻段恰好覆蓋了系統的接收頻段。產生的PIM將顯著提高收受頻段的噪聲電平，使得有用信號被噪聲淹沒，影響系統正常工作。

3．2無源交調測試通過對系統的分析和測試，發現PIM的主要產生源是三工器。對三工器無源交調的測試使用了圖5的測試系統框圖。由于干擾頻率為B2和B3的交調分量，B1輸入端接負載。實際使用雙音信號對被測件三工器進行無源交調測試。濾波器通帶就是系統接收頻段，B2和B3上邊帶的3次交調可以通過，而B2和B3自身的頻段被抑制。通過頻譜儀A讀出信號功率，頻譜儀B讀出產生的交調功率。在B2、B3輸入功率為130W時，信號功率為3dBm，產生的交調功率為－76．9dBm，因此三工器的三階無源交調為－79．9dB。

3．3無源交調改進措施三工器采用鋁材，涂鍍沒有使用鎳等鐵磁性材料，無源交調的來源主要因素是接觸非線性。三工器一處金屬接合面有垂直于接合面的電流通過，該接觸平面接觸不良即可產生顯著的非線性。該接觸面尺寸為54mm×93．5mm的矩形，使用10顆M3螺釘固定連接面。該平面尺寸較大，良好的金屬接觸要求結合面兩側平面需要嚴格控制平面度與粗糙度。否則金屬面間會存在較大范圍微小縫隙，即可產生大量PIM。問題蓋板實物如圖7所示。由于蓋板加工的平面度和粗糙度，蓋板與腔體接合面存在微小縫隙。因此改善PIM的主要措施就是提高該平面的良好金屬接觸，降低微小間隙的比列。根據2．1節分析，采取以下措施對蓋板進行改進:1)清洗接合面，以及緊固螺釘孔內殘膠;2)在蓋板接合面填充適量銦絲，由于銦具有很好的延展性，當施加足夠壓力時，銦可以填充金屬平面間的微小間隙，使得金屬接觸良好;3)緊固螺釘孔內不使用螺紋膠，降低螺釘螺孔間的接觸電阻。更改前和更改后的無源交調測試了4組進行比較，測試結果見圖8。更改前由于金屬接觸好壞未進行控制，接觸“好與壞”更加隨機，離散型相對較大。采取措施進行改進后，無源交替抑制提升了約20dB，且數據一致性更高。

4結束語

本文對無源交調產生的原因進行了分析介紹。針對某三工器無源交調問題進行具體分析和測試，并采取了有效措施改進降低了三工器的無源交調，滿足了系統使用要求，驗證了分析的正確性。

參考文獻:

［3］唐志輝，李洪超，王蘇明．非線性媒質無源交調電平預測［J］．中國空間科學技術，2010(3):43－50．

［4］李明德．無源交調干擾的產生與預防［J］．機電元件，2005，25(2):3－18．

［5］禹旭敏，唐小宏，汪娟，等．大功率同軸諧振器連接縫隙EML和PIM研究［J］．中國空間科學技術，2016，36(2):81－86．

作者：楊光 閆歡 胡藝繽 單位：電子信息控制重點實驗室