王小麗，陳翔，李軍，崔萬照

中國空間技術(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

無源互調(diào)(passive intermodulation, PIM)是指多個大功率載波信號通過微波無源部件時，由于微波無源部件中的弱非線性導(dǎo)致載波信號產(chǎn)生非線性互調(diào)的現(xiàn)象[1-2]。PIM廣泛存在于各種連接器、濾波器、雙/多工器及天線系統(tǒng)中。PIM產(chǎn)物一旦落入接收通帶，會影響通信質(zhì)量，嚴(yán)重時可能直接堵塞信道，造成通信中斷。隨著微波部件及系統(tǒng)傳輸功率的增加，PIM問題愈加嚴(yán)重。PIM干擾是大功率微波部件及系統(tǒng)性能退化或失效的機(jī)制之一，不但嚴(yán)重威脅通信系統(tǒng)的安全，也制約著衛(wèi)星技術(shù)和通信工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展[3-4]。例如，在空間技術(shù)應(yīng)用中，PIM的發(fā)生會直接導(dǎo)致航天器與地面或航天器間的通信中斷，嚴(yán)重危害航天器的在軌安全運(yùn)行。同時，大功率、高靈敏度收發(fā)共用體制是未來衛(wèi)星通信的重要發(fā)展趨勢，而PIM問題成為該技術(shù)發(fā)展的重要障礙。此外，在民用基站、5G通信中，PIM也是一個重要的性能影響因素[5]?？傊琍IM性能已成為通信系統(tǒng)中微波部件的重要考核指標(biāo)。

由于PIM的產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜多樣，其發(fā)生和表現(xiàn)形式呈現(xiàn)出很大的隨機(jī)性，對微波部件及系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確有效的PIM建模、分析及預(yù)測十分困難，多數(shù)情況下甚至是不可實(shí)現(xiàn)的。因此，避免微波部件及系統(tǒng)受PIM影響就離不開有效的PIM抑制方法和技術(shù)，且伴隨各類應(yīng)用需求的不斷增長，對無源互調(diào)的抑制技術(shù)也提出了更高的要求。本文從多個方面詳細(xì)總結(jié)歸納了近年來主流的、最新的無源互調(diào)抑制方法及發(fā)展現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上探討了未來無源互調(diào)抑制方法的發(fā)展趨勢及重點(diǎn)關(guān)注方向，為無源互調(diào)基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用提供一定的參考。

1 無源互調(diào)產(chǎn)生機(jī)理

PIM是由微波部件中的無源非線性所導(dǎo)致，主要原因包括材料非線性和接觸非線性兩大類。通常情況下，無源非線性是一種弱非線性效應(yīng)，只有在大功率載波情況下，才會產(chǎn)生明顯的PIM干擾效應(yīng)。材料非線性主要是由具有非線性導(dǎo)電特性的材料引起，只要具有非線性導(dǎo)電特性的材料(如鐵磁性材料等)暴露在電磁環(huán)境內(nèi)，無需部件發(fā)生物理接觸，就會激發(fā)產(chǎn)生PIM干擾[6]。因此，在對PIM性能有要求的大功率部件及系統(tǒng)中，要避免使用各種非線性材料，從而消除由于材料非線性引入的PIM問題。

接觸非線性主要是由金屬與金屬之間的非理想電接觸引起。實(shí)際的金屬表面存在氧化、臟污等現(xiàn)象，且在加工制造過程中，金屬表面無法達(dá)到理想的光滑平整狀態(tài)，會存在一定的粗糙度[7-8]，以上各種因素會導(dǎo)致金屬接觸面間無法實(shí)現(xiàn)理想接觸，實(shí)際中微波部件及系統(tǒng)中的各類接觸均為非理想接觸[9]。非理想接觸面的微觀結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，其中包含以下幾種接觸狀態(tài)：1)金屬與金屬的連接處構(gòu)成金屬-金屬(metal-metal, MM)接觸；2)接觸面之間有金屬氧化物膜時，則會形成金屬-氧化物-金屬(metal-oxide-metal，MOM)接觸；3)金屬面之間夾雜絕緣介質(zhì)時，則會形成金屬-絕緣層-金屬(metal-insulator-metal，MIM)接觸；4)微小的空氣間隙;5)較大的空氣間隙。從圖1可以看出，由于存在不同的接觸狀態(tài)，金屬接觸面實(shí)際中有許多微凸體接觸結(jié)。在大功率微波傳輸時，當(dāng)強(qiáng)電流流經(jīng)接觸面的金屬微凸體接觸結(jié)時，由于接觸面積突然驟減，電流密度相應(yīng)增大，在滿足一定條件時，微凸體接觸界面的氧化層或絕緣層會形成薄的電勢壘，導(dǎo)致發(fā)生量子隧穿、熱電子發(fā)射等多種載流子非線性效應(yīng)[10]，進(jìn)而引發(fā)非線性的電流-電壓關(guān)系。接觸結(jié)上的非線性I-V關(guān)系使得通過的多個載波信號產(chǎn)生非線性互調(diào)，即為無源互調(diào)效應(yīng)。

圖1 非理想接觸面微觀示意[11]Fig.1 Microscopic sketch of non-ideal contact surface

不同于材料非線性，由于金屬接觸結(jié)構(gòu)在微波部件及系統(tǒng)中隨處可見，接觸非線性在微波部件中很難避免，因此接觸非線性是微波部件及系統(tǒng)中的主要PIM根源。無源互調(diào)的抑制方法與如何消除接觸非線性息息相關(guān)[12]。此外，接觸非線性受電接觸表面的微觀狀態(tài)、連接力矩、結(jié)構(gòu)松動、金屬表面氧化及溫度等多種因素影響，因而接觸非線性導(dǎo)致的PIM問題種類繁多，例如各類連接器、波導(dǎo)法蘭、電纜等部件的結(jié)構(gòu)、工藝，以及螺釘連接、焊接及部件系統(tǒng)組裝等制造安裝過程所引入的PIM都各不相同。因此，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的PIM抑制十分困難和復(fù)雜。

2 無源互調(diào)抑制方法

針對接觸非線性所導(dǎo)致的PIM問題，實(shí)現(xiàn)其抑制的主要途徑分為改善電接觸和消除電接觸兩種。改善電接觸主要通過各類制造工藝、表面處理工藝及裝配工藝控制，使得接觸面獲得更好的電接觸狀態(tài)，進(jìn)而削弱接觸非線性效應(yīng)。消除電接觸主要思想是避免金屬面的直接接觸，如通過表面處理形成介質(zhì)隔膜，或者采用介質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)部分功能結(jié)構(gòu)，以及避免形成切割電流和不連續(xù)性結(jié)構(gòu)等。

在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，近年來國內(nèi)外發(fā)展了多種新型的PIM抑制方法，如一體化設(shè)計(jì)制造、構(gòu)造非接觸電磁帶隙結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)PIM抑制以及數(shù)字信號處理實(shí)現(xiàn)PIM抑制等。其中，一體化設(shè)計(jì)制造方法側(cè)重并依賴于先進(jìn)制造技術(shù)，構(gòu)造非接觸電磁帶隙結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)PIM抑制是一種從電設(shè)計(jì)角度避免金屬接觸的全新方法，而數(shù)字信號處理實(shí)現(xiàn)PIM抑制則是在通信系統(tǒng)層面所采用的一種系統(tǒng)性干擾消除方法。

傳統(tǒng)的PIM抑制技術(shù)和新興的PIM抑制方法各有其優(yōu)劣勢，以下對各種PIM抑制方法做分類總結(jié)。

2.1 工藝優(yōu)化PIM抑制方法

傳統(tǒng)的PIM抑制方法主要通過表面處理工藝和制造裝配工藝控制實(shí)現(xiàn)，通過復(fù)雜的表面處理工藝如電鍍工藝對接觸面進(jìn)行鍍層處理，改善金屬表面因氧化、粗糙度等影響造成的非理想接觸狀態(tài)，或者采用高壓連接等精確裝配技術(shù)降低微波部件在長期服役環(huán)境中因溫度等因素導(dǎo)致連接松動的可能性，通過改善電接觸降低PIM影響，提升大功率微波部件的工作性能[13]。

在表面處理工藝中，采用鍍銀層處理居多。微波部件一般為鋁材制作，而鋁材的PIM特性較差，其表面容易形成氧化薄膜，若不對其表面進(jìn)行鍍層處理，因氧化物薄膜的存在會形成MIM接觸非線性效應(yīng)，導(dǎo)致較高的PIM電平產(chǎn)生。銀具有良好的PIM特性，但其價(jià)格相對昂貴，不宜直接使用制造微波部件， 利用電鍍工藝在鋁制品部件表面鍍銀層是一種普遍且有效的PIM抑制方法。銀鍍層應(yīng)無雜質(zhì)且必須用鉻酸鹽進(jìn)行鈍化，一般鍍層厚度應(yīng)在6 μm以上，以避免鍍層因厚度不夠而對PIM抑制效果產(chǎn)生影響。除了傳統(tǒng)鍍銀層，采用表面處理工藝形成的非金屬化合物介質(zhì)隔膜或使用介質(zhì)材料的螺釘可以實(shí)現(xiàn)消除電接觸的功能，避免因金屬直接接觸而產(chǎn)生接觸非線性效應(yīng)。

Macchiarella等研究了PIM與微波部件的鍍層，螺釘?shù)牟馁|(zhì)等因素的關(guān)系，研究表明均勻的鍍層和合適的材料均對降低微波部件的PIM干擾有重要作用[14]。張可越等在平面倒F天線(planar inverted-F antenna, PIFA)接觸結(jié)的基礎(chǔ)上，提出了一種利用液態(tài)Ga-In合金(EGaIn)抑制PIM的方法[15]。將EGaIn置于引起PIM的接觸位置，可以在室溫下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的觸點(diǎn)連接位置的可重構(gòu)連接。該方法對金屬焊料的改進(jìn)有一定促進(jìn)作用。

李韻等針對同軸連接器提出抑制措施，通過在連接器陽頭內(nèi)導(dǎo)體外側(cè)和陰頭內(nèi)導(dǎo)體內(nèi)側(cè)上均勻覆蓋內(nèi)導(dǎo)體介質(zhì)層，消除陰陽兩導(dǎo)體之間的金屬接觸，實(shí)現(xiàn)無源互調(diào)干擾抑制[16]。張洪太等在同軸濾波器的基礎(chǔ)上，利用非導(dǎo)電介質(zhì)螺釘，在保證同軸濾波器結(jié)構(gòu)完整的同時實(shí)現(xiàn)金屬-非導(dǎo)電介質(zhì)-金屬接觸，消除金屬電接觸，降低了部件的PIM干擾[17]。王琪等分析了同軸濾波器無源互調(diào)產(chǎn)生的位置，研究發(fā)現(xiàn)了表面鍍層處理和不同材料的調(diào)節(jié)螺釘對無源互調(diào)效應(yīng)的影響規(guī)律，采用介質(zhì)隔離改變同軸連接器內(nèi)導(dǎo)體和饋電桿的接觸方式，對微波部件的工程制造有一定借鑒意義[18]。

在制造裝配工藝方面，采用高壓連接以及嚴(yán)格的連接力矩實(shí)現(xiàn)接觸面足夠緊密的連接是PIM抑制的慣用方法。利用增壓臺等高壓結(jié)構(gòu)在微波部件連接處實(shí)現(xiàn)接觸面緊密接觸，降低因連接松動、接觸不良產(chǎn)生的PIM干擾，避免微波部件或系統(tǒng)因PIM干擾而出現(xiàn)性能下降甚至損壞的情況。文獻(xiàn)[17]中，在同軸連接器的個別連接處采用了增壓環(huán)等高壓連接結(jié)構(gòu)，當(dāng)接觸面壓力達(dá)到要求的情況下，直接取掉固定螺釘，保證結(jié)構(gòu)在無金屬螺釘?shù)那闆r下實(shí)現(xiàn)緊密連接，抑制接觸不良帶來的無源互調(diào)效應(yīng)。

實(shí)際工程制造中，為便于微波部件加工組裝，一般采用分割加工的方法對微波部件進(jìn)行加工制造。先將微波部件分為幾部分，部分制造加工完成后再用螺釘?shù)冗M(jìn)行組裝固定。需要注意的是，分割加工之前需仔細(xì)分析部件內(nèi)部表面電流分布，根據(jù)表面電流分布選擇切割面，避免因切割造成部件表面電流不連續(xù)，導(dǎo)致PIM產(chǎn)生。

表面處理工藝和裝配組裝工藝的改進(jìn)可以大限度地消除MOM、MIM及MM等結(jié)構(gòu)，使得電接觸面接近理想電接觸狀態(tài)，并保證接觸面的足夠緊密連接，從而降低金屬在接觸過程中產(chǎn)生的無源互調(diào)效應(yīng)。但需要注意的是，電鍍工藝中需要復(fù)雜的工藝控制，要求嚴(yán)格控制金屬表面的鍍層材料及厚度，因?yàn)椤摆吥w效應(yīng)”的存在，不合適的鍍層厚度將引起非線性，產(chǎn)生無源互調(diào)。當(dāng)趨膚深度大于鍍層厚度時，PIM電平還將會增大。裝配組裝工藝需要保證器件連接處精確的連接力矩，切割組裝時需要精準(zhǔn)的選擇切割面以避免造成電流不連續(xù)，會帶來相對高昂的制造成本。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化PIM抑制方法

目前低PIM設(shè)計(jì)主要是通過降低單個部件的PIM值達(dá)到降低整個系統(tǒng)PIM干擾從而保證系統(tǒng)性能的目的，但對于高頻大功率的通信系統(tǒng)來說，需要采用同軸射頻接頭及同軸電纜將各個微波部件連接起來，由于同軸射頻接頭的自身PIM問題及連接過程中會產(chǎn)生PIM等問題難以解決，所以系統(tǒng)中無源互調(diào)干擾問題非常嚴(yán)峻。針對此問題，國內(nèi)外專家提出一體化設(shè)計(jì)制造的新型思想。

Dallaire等在Alphasat-XL衛(wèi)星項(xiàng)目中負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)制造了一款大型多波束收發(fā)共用饋源陣列天線[19]。如圖2所示，饋源陣列由120個螺旋輻射元件以三角格形式緊密排列在一塊七邊形大型面板上，每個輻射元件都包括一個杯形螺旋輻射器，其背后連接用以供電的高性能雙工器，雙工器由通過同軸T型結(jié)連接的發(fā)射帶通濾波器和接收帶通濾波器組成。該設(shè)計(jì)減少了每個子部件內(nèi)及部件之間的零件和接頭數(shù)量，對大型面板及各個輻射元件采用一體化制造的方式，令所有元件加工為一個整體，整個陣列天線中不存在連接結(jié)構(gòu)，各零件之間無金屬連接松動、接觸不良等問題，經(jīng)實(shí)測，PIM水平基本與系統(tǒng)底噪水平相同，滿足天線的低PIM需求。

Smacchia等針對無源互調(diào)測試系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，為了降低無源互調(diào)測試系統(tǒng)自身的PIM值，將測試系統(tǒng)中濾波器和雙工器等部件(圖3虛線框中部件)集成至單個多工器中，利用單個多工器實(shí)現(xiàn)部分部件一體化加工，減少部件級聯(lián)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)自身產(chǎn)生的PIM干擾[20]。殷新社等通過一體化設(shè)計(jì)，解決了微波雙工器與天線饋源系統(tǒng)的無源互調(diào)抑制難題[21]。其通過精確計(jì)算部件尺寸及優(yōu)化兩種部件之間的相位，將雙工器腔體與天線饋源底座實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)加工，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中用同軸射頻接頭及同軸線纜連接雙工器與天線饋源，減少了連接器的使用，從而消減了因連接產(chǎn)生的接觸非線性，避免了接頭處PIM的產(chǎn)生，大大改善了部件的PIM特性，為大功率通信系統(tǒng)提供了新型的解決方案。

圖3 一體化反射PIM測試系統(tǒng)Fig.3 Conducted PIM test bed for collecting backward PIM

電接觸平面是微波結(jié)構(gòu)中PIM的主要來源。一體化設(shè)計(jì)制造方法從減少微波部件間電接觸連接結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，用先進(jìn)的材料和高超的工藝制造技術(shù)抑制無源互調(diào)的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)微波部件的PIM性能優(yōu)化。相比于表面處理工藝等改善電接觸的傳統(tǒng)方法， 該加工制造方法可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的PIM抑制作用。但是，該方法不僅對部件材料提出嚴(yán)格要求以防加工時發(fā)生形變，而且需要強(qiáng)大的制造技術(shù)支撐。這給加工制造技術(shù)提出了更高的要求。

除了一體化結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，李霄梟基于腔體濾波器提出降低PIM的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法[22]。腔體濾波器的PIM主要來源于調(diào)諧結(jié)構(gòu)及接頭處的金屬接觸，為了降低PIM干擾，其對調(diào)諧結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)非接觸耦合，并采用介質(zhì)螺釘代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬螺釘，利用介質(zhì)隔離方法減少金屬螺釘產(chǎn)生的金屬接觸非線性，從而達(dá)到降低PIM干擾的目的。該結(jié)構(gòu)的不足之處是，由于采用介質(zhì)螺釘，端口會存在電磁泄漏，還需進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化。此外，為了減少金屬接觸面積以抑制PIM，采用扼流槽的扼流式法蘭也得到普遍應(yīng)用。扼流槽可以避免一部分電接觸，有效降低PIM干擾，但該結(jié)構(gòu)工作帶寬窄，無法實(shí)現(xiàn)寬帶性能，在實(shí)際應(yīng)用中受到一定限制。

衛(wèi)星有效載荷在發(fā)射、入軌及繞軌運(yùn)行的過程中，會經(jīng)歷劇烈的溫度變化及振動，溫度的變化對于電接觸結(jié)構(gòu)的載流子輸運(yùn)過程有著不可預(yù)知的影響，溫變狀態(tài)下的熱脹冷縮效應(yīng)以及劇烈的振動會對接觸面的微觀接觸狀態(tài)產(chǎn)生影響，有可能破壞原始的電接觸狀態(tài)，進(jìn)而增強(qiáng)非線性效應(yīng)，加重?zé)o源互調(diào)干擾。為使無線收發(fā)系統(tǒng)的PIM性能滿足航天在軌使用要求，各級子部件如天線，饋電元件和反射元件等應(yīng)在高溫和低溫循環(huán)下進(jìn)行PIM性能測試[23]，選擇合格的部件，然后經(jīng)過組裝測試和系統(tǒng)聯(lián)合測試的部件通過熱真空測試，確?！疤炀€+收發(fā)器端”系統(tǒng)滿足在軌使用要求。

2.3 非接觸式PIM抑制方法

針對由接觸非線性引起的PIM干擾，采用非接觸式結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬接觸結(jié)構(gòu)是近幾年興起的一種新型思路。非接觸式PIM抑制方法是基于間隙波導(dǎo)理論，從電設(shè)計(jì)角度出發(fā)，通過構(gòu)造非接觸電磁帶隙(electromagnetic band gap, EBG)結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)接觸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抑制PIM的一種方法。電磁帶隙結(jié)構(gòu)是使某一頻率帶無法在其間傳播的一種周期性結(jié)構(gòu)，它可以保證電磁波在不封閉的空間里正常傳輸而不泄露。利用這一特性，構(gòu)造非接觸式電磁帶隙結(jié)構(gòu)，既可以消除因金屬接觸產(chǎn)生的接觸非線性效應(yīng)，又可以利用電磁帶隙結(jié)構(gòu)特性保證電磁波的正常傳輸，一舉兩得，形成獨(dú)特的抑制PIM干擾的新角度。陳翔等從非接觸電磁帶隙結(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)計(jì)制造了一款非接觸波導(dǎo)法蘭[24]，如圖4所示。該波導(dǎo)法蘭由陰陽兩個部分組成，陽部的主體波導(dǎo)外壁用周期分布的金屬柱陣列即釘床(bed of nails)的結(jié)構(gòu)環(huán)繞包圍，該釘床形式構(gòu)成間隙波導(dǎo)技術(shù)中最常用的人工磁導(dǎo)體(artificial magnetic conductor, AMC)表面。陰部為空心階梯狀波導(dǎo)，其內(nèi)壁作為理想電導(dǎo)體(perfect electrical conductor, PEC)平面。將兩部分套扣在一起，如圖4(d)所示，實(shí)現(xiàn)AMC平面與PEC平面平行放置，構(gòu)造出基本的電磁帶隙結(jié)構(gòu)，利用其電磁禁帶特性實(shí)現(xiàn)對特定頻帶下電磁場的屏蔽，保證電磁波沿波導(dǎo)方向正常傳輸而不泄露。非接觸結(jié)構(gòu)從根源上消除法蘭接觸面由于不良電接觸產(chǎn)生的接觸非線性，達(dá)到高效抑制PIM的目的。而且該結(jié)構(gòu)不受限于繁雜的表面處理過程，組裝簡單，為低無源互調(diào)微波部件的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

圖4 折疊無接觸波導(dǎo)法蘭3D圖Fig.4 3-D sketch of the proposed FCWF

基于非接觸式抑制PIM的思想，針對波導(dǎo)法蘭因接觸非線性導(dǎo)致的PIM問題，陳翔等相繼提出了多種新型非接觸式低PIM法蘭及轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)[25-28]。文獻(xiàn)[28]提出一種基片集成式低無源互調(diào)波導(dǎo)法蘭墊片,如圖5所示。

圖5 基片集成式低無源互調(diào)波導(dǎo)法蘭墊片示意Fig.5 Schematic diagram of substrate integrated low passive intermodulation waveguide flange gasket

該墊片通過介質(zhì)基片集成，介質(zhì)基片的兩面排布整齊的金屬單元陣列，構(gòu)造雙面平面型AMC結(jié)構(gòu)，正反面周期性金屬單元通過金屬化通孔相連接，墊片安裝在普通波導(dǎo)法蘭結(jié)構(gòu)之間作為過渡結(jié)構(gòu)，過渡連接時使普通波導(dǎo)法蘭面作為PEC平面，與墊片的AMC平面形成具有寬電磁禁帶特性的雙面無金屬接觸電磁帶隙結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)無金屬電接觸條件下的電磁屏蔽。測試結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)對無源互調(diào)的平均抑制度達(dá)到20 dB以上，接近系統(tǒng)殘余互調(diào)水平，表現(xiàn)出顯著的PIM抑制性能。

采用非接觸電磁帶隙結(jié)構(gòu)解決大功率微波無源互調(diào)問題是實(shí)現(xiàn)無源互調(diào)抑制的全新視角。其主要思想是利用非接觸電磁帶隙結(jié)構(gòu)的無物理接觸優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)整體微波部件的全面非電接觸化設(shè)計(jì)，全面消除傳統(tǒng)微波部件中產(chǎn)生無源互調(diào)的接觸非線性源，實(shí)現(xiàn)整體部件的穩(wěn)定低無源互調(diào)特性。但是作為降低無源互調(diào)效應(yīng)的創(chuàng)新方案，非接觸式微波部件中除電接觸之外的其他物理因素是否會額外引入非線性源，是未來研究中亟待解決的問題。

2.4 數(shù)字信號處理PIM抑制方法

無源互調(diào)作為一種寬帶干擾，利用數(shù)字信號處理方法對其抑制的情況相對較少[29]。近年來，依賴于模擬或數(shù)字方法，在上行鏈路接收端自己造出一路功率相等、極性相反的無源互調(diào)信號，對PIM干擾信號進(jìn)行對消是數(shù)字信號處理PIM抑制領(lǐng)域的一個全新且有效的方法。

PIM干擾信號對消原理如圖6所示[30]，根據(jù)基帶接收信號，構(gòu)造新的PIM干擾信號，然后用接收信號與重建PIM干擾信號聯(lián)合估計(jì)出時延、頻偏和相偏，兩者進(jìn)行相消，最后得到有用信號，完成無源互調(diào)的自適應(yīng)抑制。

圖6 PIM 干擾信號的對消原理Fig. 6 PIM interference signal cancellation principle

張序琦基于數(shù)字信號處理的無源互調(diào)對消方法，針對雙載波BPSK與QAM信號所產(chǎn)生的PIM干擾，推導(dǎo)了其時域表達(dá)式，將PIM干擾簡化為類似調(diào)制信號的形式，利用實(shí)測信號對其進(jìn)行驗(yàn)證，并修正了無源互調(diào)數(shù)學(xué)模型中的參數(shù),根據(jù)無源互調(diào)干擾的數(shù)學(xué)模型，對實(shí)際干擾進(jìn)行估計(jì)，進(jìn)而將PIM干擾進(jìn)行對消[31]。2011年，愛立信公司提出無源互調(diào)動態(tài)消除方法，通過測定多個函數(shù)系數(shù)，動態(tài)估計(jì)和消除無線通信節(jié)點(diǎn)中的時變PIM干擾[32]。后來，該公司提供PIM信號估算和抑制的方法，通過對具有不同極化的多個輸入信號求和估計(jì)PIM信號以抑制PIM[33]。田露針對采用收發(fā)共用天線的高功率和高靈敏度的數(shù)字衛(wèi)星收發(fā)系統(tǒng)，提出基于導(dǎo)頻信號和基于盲估計(jì)的無源互調(diào)自適應(yīng)抑制方法，考慮了無源互調(diào)的時變特性，提出時延和頻率的聯(lián)合估計(jì)算法，并完成寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)無源互調(diào)對消算法的實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)仿真顯示該算法可以有效補(bǔ)償無源互調(diào)干擾，達(dá)到提高收發(fā)共用系統(tǒng)可靠性的目的[30,34-35]。Waheed等針對收發(fā)共用系統(tǒng)的無源互調(diào)效應(yīng)，對接收器頻帶上可觀察到的PIM失真推導(dǎo)了不同的信號模型以生成準(zhǔn)確的抵消信號，利用抵消信號對PIM進(jìn)行消除，實(shí)現(xiàn)PIM抑制，并通過實(shí)際的測量來評估設(shè)計(jì)的數(shù)字消除和參數(shù)估計(jì)解決方案的性能[36]。

安金坤等結(jié)合擴(kuò)頻信號特點(diǎn)，提出了擴(kuò)頻體制測控鏈路下的PIM全盲抑制算法[37]。該算法將無干擾擴(kuò)頻信號進(jìn)行小波包分解，分解之后的信號滿足高斯分布的特性，利用該特性無須收集擴(kuò)頻測控信號的任何先驗(yàn)信息，直接實(shí)現(xiàn)對含PIM干擾的擴(kuò)頻體制測控信號的盲處理，最終實(shí)現(xiàn)PIM干擾抑制性能。方天琪等人提出了利用低密度奇偶校驗(yàn)(low density parity check，LDPC)碼減小PIM干擾對通信性能影響的方法[38]。

目前數(shù)字信號處理PIM抑制方法的研究尚處于起步階段，寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)PIM干擾信號對消算法可廣泛應(yīng)用于采用收發(fā)共用天線的高功率和高靈敏度的數(shù)字衛(wèi)星系統(tǒng)，以達(dá)到降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)以及提高收發(fā)共用系統(tǒng)可靠性的目的。但該抑制方法在計(jì)算量較大的數(shù)字處理方面存在一定局限性，算法還存在很大的優(yōu)化空間。

3 結(jié)束語

無源互調(diào)問題廣泛存在于大功率微波部件中并對衛(wèi)星及地面通信系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，因此有效抑制通信系統(tǒng)中的無源互調(diào)效應(yīng)是無源互調(diào)研究的最終目的。除了避免使用各種非線性材料以消除材料非線性之外，從工藝優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電設(shè)計(jì)及數(shù)字信號處理抑制方法4個方面系統(tǒng)梳理了無源互調(diào)的主要抑制方法。

1)電鍍工藝和裝配組裝工藝通過改善金屬間不良電接觸對PIM實(shí)現(xiàn)抑制，是抑制PIM干擾的常規(guī)處理方法。常用的微波部件如濾波器、雙工器等結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在制造過程中無法一體化加工，不可避免的會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)切割，這要求裝配組裝工藝技術(shù)不斷發(fā)展以滿足部件的低PIM指標(biāo)。

2)一體化設(shè)計(jì)制造是近年來抑制PIM的新興方法之一。是避免大功率微波部件因結(jié)構(gòu)分割加工以及通過焊接、螺釘固定等組裝方式引起無源互調(diào)效應(yīng)的有效措施。但先進(jìn)的加工制造技術(shù)是一體化設(shè)計(jì)制造方法實(shí)現(xiàn)PIM抑制的前提和基礎(chǔ)，需要不斷探索一體化加工制造的優(yōu)質(zhì)材料，學(xué)習(xí)前衛(wèi)的加工制造技術(shù)。

3)非接觸式PIM抑制方法是從電設(shè)計(jì)角度出發(fā)實(shí)現(xiàn)PIM抑制的獨(dú)特思路。該方法在微波無源部件中利用非接觸電磁帶隙結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)金屬非接觸，同時保證電磁波沿給定方向正常傳輸而無泄漏，從根源上消除了電接觸非線性，抑制無源互調(diào)效應(yīng)效果顯著，在PIM抑制領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

4)數(shù)字信號處理方法基于PIM信號對消思想，利用數(shù)學(xué)模型及算法對PIM信號進(jìn)行估計(jì)，并構(gòu)造出與實(shí)際PIM信號相位相反的信號與其對消，達(dá)到抑制PIM的目的。為解決無源互調(diào)抑制難題提出區(qū)別于傳統(tǒng)思路的數(shù)字信號領(lǐng)域的全新方案。

隨著微波部件結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，裝配技術(shù)不斷進(jìn)步以及新工藝和新材料的使用，人們在無源互調(diào)領(lǐng)域不斷有新的突破，期待未來可以解決更多的無源互調(diào)問題。