航天微波部件的無源互調抑制方法研究進展

王小麗，陳翔，李軍，崔萬照

中國空間技術研究院西安分院 空間微波技術重點實驗室，西安，710100

無源互調(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致載波信號產生非線性互調的現象[1-2]。PIM廣泛存在于各種連接器、濾波器、雙/多工器及天線系統中。PIM產物一旦落入接收通帶，會影響通信質量，嚴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傳輸功率的增加，PIM問題愈加嚴重。PIM干擾是大功率微波部件及系統性能退化或失效的機制之一，不但嚴重威脅通信系統的安全，也制約著衛星技術和通信工業的進一步發展[3-4]。例如，在空間技術應用中，PIM的發生會直接導致航天器與地面或航天器間的通信中斷，嚴重危害航天器的在軌安全運行。同時，大功率、高靈敏度收發共用體制是未來衛星通信的重要發展趨勢，而PIM問題成為該技術發展的重要障礙。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]。總之，PIM性能已成為通信系統中微波部件的重要考核指標。

由于PIM的產生機理復雜多樣，其發生和表現形式呈現出很大的隨機性，對微波部件及系統進行準確有效的PIM建模、分析及預測十分困難，多數情況下甚至是不可實現的。因此，避免微波部件及系統受PIM影響就離不開有效的PIM抑制方法和技術，且伴隨各類應用需求的不斷增長，對無源互調的抑制技術也提出了更高的要求。本文從多個方面詳細總結歸納了近年來主流的、最新的無源互調抑制方法及發展現狀，在此基礎上探討了未來無源互調抑制方法的發展趨勢及重點關注方向，為無源互調基礎研究和工程應用提供一定的參考。

1 無源互調產生機理

PIM是由微波部件中的無源非線性所導致，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，只有在大功率載波情況下，才會產生明顯的PIM干擾效應。材料非線性主要是由具有非線性導電特性的材料引起，只要具有非線性導電特性的材料(如鐵磁性材料等)暴露在電磁環境內，無需部件發生物理接觸，就會激發產生PIM干擾[6]。因此，在對PIM性能有要求的大功率部件及系統中，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。實際的金屬表面存在氧化、臟污等現象，且在加工制造過程中，金屬表面無法達到理想的光滑平整狀態，會存在一定的粗糙度[7-8]，以上各種因素會導致金屬接觸面間無法實現理想接觸，實際中微波部件及系統中的各類接觸均為非理想接觸[9]。非理想接觸面的微觀結構示意如圖1所示，其中包含以下幾種接觸狀態：1)金屬與金屬的連接處構成金屬-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，金屬接觸面實際中有許多微凸體接觸結。在大功率微波傳輸時，當強電流流經接觸面的金屬微凸體接觸結時，由于接觸面積突然驟減，電流密度相應增大，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，導致發生量子隧穿、熱電子發射等多種載流子非線性效應[10]，進而引發非線性的電流-電壓關系。接觸結上的非線性I-V關系使得通過的多個載波信號產生非線性互調，即為無源互調效應。

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，由于金屬接觸結構在微波部件及系統中隨處可見，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中的主要PIM根源。無源互調的抑制方法與如何消除接觸非線性息息相關[12]。此外，接觸非線性受電接觸表面的微觀狀態、連接力矩、結構松動、金屬表面氧化及溫度等多種因素影響，因而接觸非線性導致的PIM問題種類繁多，例如各類連接器、波導法蘭、電纜等部件的結構、工藝，以及螺釘連接、焊接及部件系統組裝等制造安裝過程所引入的PIM都各不相同。因此，實現穩定、可靠的PIM抑制十分困難和復雜。

2 無源互調抑制方法

針對接觸非線性所導致的PIM問題，實現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，進而削弱接觸非線性效應。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隔膜，或者采用介質材料實現部分功能結構，以及避免形成切割電流和不連續性結構等。

在傳統方法的基礎上，近年來國內外發展了多種新型的PIM抑制方法，如一體化設計制造、構造非接觸電磁帶隙結構實現PIM抑制以及數字信號處理實現PIM抑制等。其中，一體化設計制造方法側重并依賴于先進制造技術，構造非接觸電磁帶隙結構實現PIM抑制是一種從電設計角度避免金屬接觸的全新方法，而數字信號處理實現PIM抑制則是在通信系統層面所采用的一種系統性干擾消除方法。

傳統的PIM抑制技術和新興的PIM抑制方法各有其優劣勢，以下對各種PIM抑制方法做分類總結。

2.1 工藝優化PIM抑制方法

傳統的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現，通過復雜的表面處理工藝如電鍍工藝對接觸面進行鍍層處理，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，或者采用高壓連接等精確裝配技術降低微波部件在長期服役環境中因溫度等因素導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，導致較高的PIM電平產生。銀具有良好的PIM特性，但其價格相對昂貴，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。銀鍍層應無雜質且必須用鉻酸鹽進行鈍化，一般鍍層厚度應在6 μm以上，以避免鍍層因厚度不夠而對PIM抑制效果產生影響。除了傳統鍍銀層，采用表面處理工藝形成的非金屬化合物介質隔膜或使用介質材料的螺釘可以實現消除電接觸的功能，避免因金屬直接接觸而產生接觸非線性效應。

Macchiarella等研究了PIM與微波部件的鍍層，螺釘的材質等因素的關系，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)接觸結的基礎上，提出了一種利用液態Ga-In合金(EGaIn)抑制PIM的方法[15]。將EGaIn置于引起PIM的接觸位置，可以在室溫下實現穩定的觸點連接位置的可重構連接。該方法對金屬焊料的改進有一定促進作用。

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導體外側和陰頭內導體內側上均勻覆蓋內導體介質層，消除陰陽兩導體之間的金屬接觸，實現無源互調干擾抑制[16]。張洪太等在同軸濾波器的基礎上，利用非導電介質螺釘，在保證同軸濾波器結構完整的同時實現金屬-非導電介質-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產生的位置，研究發現了表面鍍層處理和不同材料的調節螺釘對無源互調效應的影響規律，采用介質隔離改變同軸連接器內導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格的連接力矩實現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構在微波部件連接處實現接觸面緊密接觸，降低因連接松動、接觸不良產生的PIM干擾，避免微波部件或系統因PIM干擾而出現性能下降甚至損壞的情況。文獻[17]中，在同軸連接器的個別連接處采用了增壓環等高壓連接結構，當接觸面壓力達到要求的情況下，直接取掉固定螺釘，保證結構在無金屬螺釘的情況下實現緊密連接，抑制接觸不良帶來的無源互調效應。

實際工程制造中，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等進行組裝固定。需要注意的是，分割加工之前需仔細分析部件內部表面電流分布，根據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，導致PIM產生。

表面處理工藝和裝配組裝工藝的改進可以大限度地消除MOM、MIM及MM等結構，使得電接觸面接近理想電接觸狀態，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生的無源互調效應。但需要注意的是，電鍍工藝中需要復雜的工藝控制，要求嚴格控制金屬表面的鍍層材料及厚度，因為“趨膚效應”的存在，不合適的鍍層厚度將引起非線性，產生無源互調。當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的選擇切割面以避免造成電流不連續，會帶來相對高昂的制造成本。

2.2 結構優化PIM抑制方法

目前低PIM設計主要是通過降低單個部件的PIM值達到降低整個系統PIM干擾從而保證系統性能的目的，但對于高頻大功率的通信系統來說，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生PIM等問題難以解決，所以系統中無源互調干擾問題非常嚴峻。針對此問題，國內外專家提出一體化設計制造的新型思想。

Dallaire等在Alphasat-XL衛星項目中負責設計制造了一款大型多波束收發共用饋源陣列天線[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型結連接的發射帶通濾波器和接收帶通濾波器組成。該設計減少了每個子部件內及部件之間的零件和接頭數量，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構，各零件之間無金屬連接松動、接觸不良等問題，經實測，PIM水平基本與系統底噪水平相同，滿足天線的低PIM需求。

Smacchia等針對無源互調測試系統進行了結構改進，為了降低無源互調測試系統自身的PIM值，將測試系統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，利用單個多工器實現部分部件一體化加工，減少部件級聯結構，降低了系統自身產生的PIM干擾[20]。殷新社等通過一體化設計，解決了微波雙工器與天線饋源系統的無源互調抑制難題[21]。其通過精確計算部件尺寸及優化兩種部件之間的相位，將雙工器腔體與天線饋源底座實現一體化設計加工，避免了傳統設計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生的接觸非線性，避免了接頭處PIM的產生，大大改善了部件的PIM特性，為大功率通信系統提供了新型的解決方案。

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

電接觸平面是微波結構中PIM的主要來源。一體化設計制造方法從減少微波部件間電接觸連接結構的角度出發，用先進的材料和高超的工藝制造技術抑制無源互調的產生，實現微波部件的PIM性能優化。相比于表面處理工藝等改善電接觸的傳統方法， 該加工制造方法可以實現穩定的PIM抑制作用。但是，該方法不僅對部件材料提出嚴格要求以防加工時發生形變，而且需要強大的制造技術支撐。這給加工制造技術提出了更高的要求。

除了一體化結構優化方法，李霄梟基于腔體濾波器提出降低PIM的結構改進方法[22]。腔體濾波器的PIM主要來源于調諧結構及接頭處的金屬接觸，為了降低PIM干擾，其對調諧結構進行優化，實現非接觸耦合，并采用介質螺釘代替傳統的金屬螺釘，利用介質隔離方法減少金屬螺釘產生的金屬接觸非線性，從而達到降低PIM干擾的目的。該結構的不足之處是，由于采用介質螺釘，端口會存在電磁泄漏，還需進一步改進優化。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用。扼流槽可以避免一部分電接觸，有效降低PIM干擾，但該結構工作帶寬窄，無法實現寬帶性能，在實際應用中受到一定限制。

衛星有效載荷在發射、入軌及繞軌運行的過程中，會經歷劇烈的溫度變化及振動，溫度的變化對于電接觸結構的載流子輸運過程有著不可預知的影響，溫變狀態下的熱脹冷縮效應以及劇烈的振動會對接觸面的微觀接觸狀態產生影響，有可能破壞原始的電接觸狀態，進而增強非線性效應，加重無源互調干擾。為使無線收發系統的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在高溫和低溫循環下進行PIM性能測試[23]，選擇合格的部件，然后經過組裝測試和系統聯合測試的部件通過熱真空測試，確保“天線+收發器端”系統滿足在軌使用要求。

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，采用非接觸式結構代替傳統金屬接觸結構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理論，從電設計角度出發，通過構造非接觸電磁帶隙(electromagnetic band gap, EBG)結構代替傳統接觸結構實現抑制PIM的一種方法。電磁帶隙結構是使某一頻率帶無法在其間傳播的一種周期性結構，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，構造非接觸式電磁帶隙結構，既可以消除因金屬接觸產生的接觸非線性效應，又可以利用電磁帶隙結構特性保證電磁波的正常傳輸，一舉兩得，形成獨特的抑制PIM干擾的新角度。陳翔等從非接觸電磁帶隙結構出發，設計制造了一款非接觸波導法蘭[24]，如圖4所示。該波導法蘭由陰陽兩個部分組成，陽部的主體波導外壁用周期分布的金屬柱陣列即釘床(bed of nails)的結構環繞包圍，該釘床形式構成間隙波導技術中最常用的人工磁導體(artificial magnetic conductor, AMC)表面。陰部為空心階梯狀波導，其內壁作為理想電導體(perfect electrical conductor, PEC)平面。將兩部分套扣在一起，如圖4(d)所示，實現AMC平面與PEC平面平行放置，構造出基本的電磁帶隙結構，利用其電磁禁帶特性實現對特定頻帶下電磁場的屏蔽，保證電磁波沿波導方向正常傳輸而不泄露。非接觸結構從根源上消除法蘭接觸面由于不良電接觸產生的接觸非線性，達到高效抑制PIM的目的。而且該結構不受限于繁雜的表面處理過程，組裝簡單，為低無源互調微波部件的設計提供了新的思路。

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

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

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

該墊片通過介質基片集成，介質基片的兩面排布整齊的金屬單元陣列，構造雙面平面型AMC結構，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法蘭結構之間作為過渡結構，過渡連接時使普通波導法蘭面作為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構，實現無金屬電接觸條件下的電磁屏蔽。測試結果顯示該結構對無源互調的平均抑制度達到20 dB以上，接近系統殘余互調水平，表現出顯著的PIM抑制性能。

采用非接觸電磁帶隙結構解決大功率微波無源互調問題是實現無源互調抑制的全新視角。其主要思想是利用非接觸電磁帶隙結構的無物理接觸優勢實現整體微波部件的全面非電接觸化設計，全面消除傳統微波部件中產生無源互調的接觸非線性源，實現整體部件的穩定低無源互調特性。但是作為降低無源互調效應的創新方案，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 數字信號處理PIM抑制方法

無源互調作為一種寬帶干擾，利用數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信號，對PIM干擾信號進行對消是數字信號處理PIM抑制領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]，根據基帶接收信號，構造新的PIM干擾信號，然后用接收信號與重建PIM干擾信號聯合估計出時延、頻偏和相偏，兩者進行相消，最后得到有用信號，完成無源互調的自適應抑制。

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

張序琦基于數字信號處理的無源互調對消方法，針對雙載波BPSK與QAM信號所產生的PIM干擾，推導了其時域表達式，將PIM干擾簡化為類似調制信號的形式，利用實測信號對其進行驗證，并修正了無源互調數學模型中的參數,根據無源互調干擾的數學模型，對實際干擾進行估計，進而將PIM干擾進行對消[31]。2011年，愛立信公司提出無源互調動態消除方法，通過測定多個函數系數，動態估計和消除無線通信節點中的時變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PIM信號以抑制PIM[33]。田露針對采用收發共用天線的高功率和高靈敏度的數字衛星收發系統，提出基于導頻信號和基于盲估計的無源互調自適應抑制方法，考慮了無源互調的時變特性，提出時延和頻率的聯合估計算法，并完成寬帶衛星通信系統無源互調對消算法的實現，數據仿真顯示該算法可以有效補償無源互調干擾，達到提高收發共用系統可靠性的目的[30,34-35]。Waheed等針對收發共用系統的無源互調效應，對接收器頻帶上可觀察到的PIM失真推導了不同的信號模型以生成準確的抵消信號，利用抵消信號對PIM進行消除，實現PIM抑制，并通過實際的測量來評估設計的數字消除和參數估計解決方案的性能[36]。

安金坤等結合擴頻信號特點，提出了擴頻體制測控鏈路下的PIM全盲抑制算法[37]。該算法將無干擾擴頻信號進行小波包分解，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頻測控信號的任何先驗信息，直接實現對含PIM干擾的擴頻體制測控信號的盲處理，最終實現PIM干擾抑制性能。方天琪等人提出了利用低密度奇偶校驗(low density parity check，LDPC)碼減小PIM干擾對通信性能影響的方法[38]。

目前數字信號處理PIM抑制方法的研究尚處于起步階段，寬帶衛星通信系統PIM干擾信號對消算法可廣泛應用于采用收發共用天線的高功率和高靈敏度的數字衛星系統，以達到降低運行風險以及提高收發共用系統可靠性的目的。但該抑制方法在計算量較大的數字處理方面存在一定局限性，算法還存在很大的優化空間。

3 結束語

無源互調問題廣泛存在于大功率微波部件中并對衛星及地面通信系統產生嚴重干擾，因此有效抑制通信系統中的無源互調效應是無源互調研究的最終目的。除了避免使用各種非線性材料以消除材料非線性之外，從工藝優化、結構優化、電設計及數字信號處理抑制方法4個方面系統梳理了無源互調的主要抑制方法。

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實現抑制，是抑制PIM干擾的常規處理方法。常用的微波部件如濾波器、雙工器等結構復雜，在制造過程中無法一體化加工，不可避免的會出現結構切割，這要求裝配組裝工藝技術不斷發展以滿足部件的低PIM指標。

2)一體化設計制造是近年來抑制PIM的新興方法之一。是避免大功率微波部件因結構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效應的有效措施。但先進的加工制造技術是一體化設計制造方法實現PIM抑制的前提和基礎，需要不斷探索一體化加工制造的優質材料，學習前衛的加工制造技術。

3)非接觸式PIM抑制方法是從電設計角度出發實現PIM抑制的獨特思路。該方法在微波無源部件中利用非接觸電磁帶隙結構實現金屬非接觸，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，抑制無源互調效應效果顯著，在PIM抑制領域具有廣闊的應用前景。

4)數字信號處理方法基于PIM信號對消思想，利用數學模型及算法對PIM信號進行估計，并構造出與實際PIM信號相位相反的信號與其對消，達到抑制PIM的目的。為解決無源互調抑制難題提出區別于傳統思路的數字信號領域的全新方案。

隨著微波部件結構不斷優化，裝配技術不斷進步以及新工藝和新材料的使用，人們在無源互調領域不斷有新的突破，期待未來可以解決更多的無源互調問題。