航天器天线工程设计技术成果

最早在移动通信的高功率多通道通信设备的研究中，人们发现了一种新的电磁干扰源——无源互调（PIM），它是指由无源部件的固有非线性导致的互调产物。

无源互调是指两个或多个频率在无源器件中混合产生了新的杂散信号。在大功率、多信道的航天器通信系统中，无源器件的非线性会产生相对于工作频率更高次的谐波，这些谐波和工作频率混合又会产生一组新的频率。因此，无源互调本质上可被认为是一种混频产物。一个双频系统所产生的互调频率如式（9-18）所示。

互调频率产物通常由其阶数来表示：（2f2-f1）、（2f1-f2）为三阶，（3f2-2f1）、（3f1-2f2）为五阶等。其中（2f2-f1）和（2f1-f2）是功率最大的互调产物，也就是常说的三阶互调失真。它是由一个主频信号的二次谐波和另一个主频信号的基波交调产生。互调分量的功率与参加混频的两个信号的功率直接相关，从理论上讲，当载频功率变化1 dB时，三阶互调电平变化3 dB，也就是2 dBc。

基本的PIM现象是由于电流流过非线性部件而产生的。而诸如滤波器、同轴线缆及连接器、金属连接面、天线馈源及天线等无源部件由于多种原因可能产生固有的非线性。引起无源部件非线性的微观机理非常复杂，它不仅与材料性质、结构形式有关，还与通道加载及系统装配的工艺质量相关。

互调干扰是非线性设备或传播媒介中信号的相互组合产生的无用信号对存在信号进行调制作用。互调干扰难以进行较准确的定量EMC预测。其产生机理与金属—绝缘层—金属（MIM）连接面的电子隧道现象和通过薄绝缘涂层的电子隧道现象相似。在电子系统中，我们曾在L频段、S频段、C频段天线及多工器中都发现过这种现象。到目前为止研究认为，产生PIM现象的潜在原因有以下几种：

1）硬件系统中（比如连接器）使用铁磁性材料，引起PIM现象的原因是铁磁性材料本身的非线性。

2）对受腐蚀的试样做过试验，发现有相当高的PIM电平。

3）同轴连接器连接得不紧固，也会产生PIM现象。

4）由微小裂缝、微小触须和金属结构中的砂眼可能产生PIM现象。

5）金属连接处有脏东西或因涂覆形成金属—绝缘层—金属连接物的存在，引起非线性，导致PIM现象。

6）研究表明，温度不同热胀冷缩改变机械加载，对PIM有影响。同轴电缆编织物及填充介质也会影响PIM电平。PIM还和同轴电缆长度相关，电缆越长，PIM电平越高。PIM电平与工作频率也相关，频率越高，PIM电平越高。PIM电平与传输功率电平相关，有时还随时间变化。无源互调对物理运动、温度循环的过程、温度变化都极为敏感。它们往往有门限效应。

由于PIM现象的不稳定性，常常表现出不可预知性，因此，PIM电平靠预测分析难度太大。虽然它的频谱可以计算，计算方法同有源互调频谱计算相同，但随系统出现的载波数目增加，PIM离散谱急剧增加，当载波数目较多时，PIM干扰与宽带噪声没有什么区别。

从某种意义上讲，PIM干扰主要靠测量发现，而测量又要通过长时间的、多种条件下的多次测量才能发现。(www.xing528.com)

工程上的PIM测量系统投资巨大，目前有实用价值的是在设计中采取措施预防PIM的发生以达到预防目的。无源互调的预防措施如下：

1）高频连接器和天线、馈源以及所有连接件忌用磁铁材料。

2）高频连接器和天线、馈源以及所有连接件注意防锈。

3）同轴连接器要拧紧，各种连接件要防松动。

4）重视天线、馈源的加工工艺质量，避免微小裂缝、触须或金属结构中的砂眼。

5）避免用编织物做同轴电缆的填充物。

6）多载波通信系统尽量不用收发共用方案。

例如，某反射面天线，通过更改馈源结构，去掉了内导体中的缝隙结构，有效地将PIM电平从-80 dBm降到-130 dBm，测量结果比较如图9-35、图9-36所示。

图9-35　更改前PIM测试结果

图9-36　更改后PIM测试结果

虽然PIM情况非常复杂，仍有许多不清楚的地方，但从目前研究进展来看，针对设计、生产、测量、总装四个环节采取专门的措施，确保卫星的低PIM是完全可能的。许多卫星公司已制定了严格完整的PIM规划，在卫星设计时从频率分配、材料、机械尺寸、外购器件、工艺等方面进行了严格要求，并进行了PIM指标的分配预算，测量与仿真模拟相结合，保证了系统PIM指标。