丁亞玲,徐云東,張玉山
(上海衛(wèi)星工程研究所,上海 200240)
當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的載波通過一飽和或接近飽和的放大器時(shí),因通道存在非線性,會(huì)產(chǎn)生互調(diào)干擾。若系統(tǒng)采用頻分多址方式傳輸時(shí),互調(diào)干擾可能會(huì)落入相鄰?fù)ǖ纼?nèi),降低該通道的載噪比,此類互調(diào)稱為有源互調(diào)。在某些衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,一個(gè)天線同時(shí)用于發(fā)射和接收,利用雙工器分離接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào),此時(shí)發(fā)射部分使用的金屬——金屬接頭、鐵磁材料制成的部件、天線等部件的弱非線性同樣會(huì)引起互調(diào)干擾,此類干擾被稱為PIM。無源互調(diào)幅度較小,對(duì)發(fā)射信號(hào)幾乎不產(chǎn)生影響,但若這些微弱互調(diào)干擾信號(hào)通過收發(fā)共用雙工器被耦合到接收機(jī)中,則有可能會(huì)對(duì)接收通道產(chǎn)生嚴(yán)重影響。本文對(duì)衛(wèi)星收發(fā)共用通信系統(tǒng)的無源互調(diào)的幅度控制和測量進(jìn)行了研究。
PIM是一種非線性干擾,是信號(hào)通過無源部件(如雙工器、隔離器、同軸電纜、連接器、天線、負(fù)載等)時(shí)產(chǎn)生的。雖然線性是無源部件的基本特性,但研究和實(shí)驗(yàn)表明無源部件也有微弱的非線性(尤其是在大功率下)。產(chǎn)生非線性的原因有兩種:接觸非線性和材料非線性。接觸非線性是與有非線性電流電壓的金屬接觸產(chǎn)生,如松動(dòng)、被氧化和被污染等;材料非線性是指所用的材料,如鐵磁、碳纖維、鐵、鈷、鎳、鋁等合金材料表現(xiàn)出非線性的電壓電流特性。在單載波系統(tǒng)中產(chǎn)生的無源互調(diào)表現(xiàn)為有害噪聲,多載波系統(tǒng)中產(chǎn)生的無源互調(diào)為各載波不同諧波的和頻或差頻信號(hào)以及寬帶噪聲。風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星有效載荷測量時(shí),觀察到寬帶噪聲形式的無源互調(diào)串入衛(wèi)星接收通道。
無源互調(diào)與有源互調(diào)不同:通過合理配置濾波器,可消除有源互調(diào)影響,而無源互調(diào)出現(xiàn)在輸出濾波器中或后面系統(tǒng)的微弱干擾信號(hào),與接收信號(hào)的頻率相同,很難消除。目前,PIM產(chǎn)生的精確微觀機(jī)理仍不清楚,研究表明PIM產(chǎn)物的功率電平大小取決于部件的非線性程度。無源互調(diào)產(chǎn)物具有門限效應(yīng),國外研究測量表明,互調(diào)產(chǎn)物在輸入電平?jīng)]有達(dá)到門限值時(shí)不出現(xiàn)。無源互調(diào)產(chǎn)物隨時(shí)間發(fā)生變化,在時(shí)間上不穩(wěn)定,對(duì)溫度也非常敏感,在各種測試條件下進(jìn)行長期觀測,才可獲得可靠的數(shù)據(jù)。
雖然PIM產(chǎn)生原因復(fù)雜,但在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測量和總裝四個(gè)環(huán)節(jié)中采取針對(duì)性措施,完全可能實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的低PIM,具體如下。
a)解決PIM干擾最有效的方法是對(duì)收發(fā)信號(hào)通道進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì),并采取隔離措施減小PIM產(chǎn)物對(duì)接收通道的影響。若采用收發(fā)共用系統(tǒng),高功率和低功率信號(hào)共用同一信號(hào)通道,則頻率分配就成為決定PIM的關(guān)鍵。合理選擇發(fā)射和接收頻率,使PIM的階數(shù)增高,PIM的功率電平會(huì)迅速降低。
b)避免出現(xiàn)可使通過導(dǎo)體的電流密度增大的尖銳邊緣。機(jī)械部件的連接應(yīng)緊密、精確安裝,避免出現(xiàn)松動(dòng),避免在連接界面處出現(xiàn)金屬氧化物等帶有半導(dǎo)體特性的物質(zhì),導(dǎo)電面不允許存在多余物等,從而確保金屬構(gòu)件間電的連續(xù)性,否則會(huì)引起無源互調(diào)干擾,嚴(yán)重時(shí)引起寬帶噪聲。高質(zhì)量的焊接會(huì)使引入的PIM噪聲很小。
c)設(shè)計(jì)階段應(yīng)注意:在PIM的敏感區(qū)域盡量避免使用鐵磁性材料(大量研究表明鐵磁性材料易產(chǎn)生PIM),這類部件主要有環(huán)形器,隔離器,定向耦合器,終端負(fù)載等。如系統(tǒng)必須采用上述部件,就需用高電導(dǎo)率材料進(jìn)行涂覆。射頻部件設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)嚴(yán)格控制導(dǎo)體中電流密度的增加,可通過加大接觸的橫截面尺寸以降低電流密度。需要連接之處,盡量避免金屬表面的連接,因?yàn)樵谶@些接觸表面可因氧化等原因形成金屬-絕緣體-金屬結(jié)(MIM),導(dǎo)致產(chǎn)生較大的PIM干擾。必須使用時(shí),加大金屬接觸點(diǎn)的壓力,以保證電流流過較大的接觸面積,且壓力增大有助于突破金屬表面的氧化層并阻止其形成。在可能的條件下,采用粘接接頭,但必須保證這些接頭的質(zhì)量,且無非線性材料、裂縫和腐蝕。系統(tǒng)中盡可能避免使用調(diào)諧螺釘,因?yàn)檫@種螺釘易松動(dòng)或產(chǎn)生污染,從而產(chǎn)生PIM較大的產(chǎn)物。
d)調(diào)試裝配時(shí),系統(tǒng)各部件中的螺釘、鉚釘、鉸鏈和緊固件均應(yīng)去磁處理。系統(tǒng)調(diào)試時(shí)使用無磁工具,包括鉗子和螺絲刀。保持工作臺(tái)無金屬粉末和微粒,磁性粉末會(huì)被吸附到高場強(qiáng)之處,可能在系統(tǒng)測試期間一直寄生在射頻器件中。一般,裝配、調(diào)試過程與切削、銼削過程隔離。盡量使用整件,以降低PIM風(fēng)險(xiǎn)。精心調(diào)配,使各部件間失配為最小。
e)系統(tǒng)總裝時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制工藝過程,制定裝配標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程。使用專業(yè)工具,包括力矩扳手等對(duì)連接器和電纜實(shí)現(xiàn)緊密安裝,安裝前所有電纜和連接器應(yīng)進(jìn)行PIM測量。
f)使用同軸電纜時(shí),最好選用剛性屏蔽電纜;使用編織電纜時(shí),應(yīng)選用高編織密度電纜,同時(shí)避免編織物采用鐵磁材料制造,鍍銀的銅是極好的一種選擇,電纜的長度應(yīng)盡可能短,特別是在電纜或波導(dǎo)拐彎處。
g)采取預(yù)防措施,防止器件的腐蝕:不用手觸摸金屬部件;同軸電纜安裝前應(yīng)從端部開始逐一清理干凈;接插件接頭使用后應(yīng)清潔,但不得將其浸入液體中,這樣會(huì)把污染物沖至難以清洗之處。
衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,常有指令、信標(biāo)、收/發(fā)天線等多副天線,是大功率信號(hào)發(fā)射與高靈敏度的接收通道的首要環(huán)節(jié),而且天線反射面本身就是PIM的重要來源,因此天線系統(tǒng)的PIM控制至關(guān)重要。與天線系統(tǒng)PIM產(chǎn)生有關(guān)的因素有:
a)天線系統(tǒng)中為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度而使用了金屬材料,MIM會(huì)導(dǎo)致PIM;
b)微小裂縫、微小細(xì)絲和金屬結(jié)構(gòu)中的洞等會(huì)引起PIM;
c)碳纖維及鍍層的非線性;
d)與金屬接觸處的電子隧道效應(yīng)和半導(dǎo)體效應(yīng);
e)材料結(jié)構(gòu)不均勻?qū)﹄妼?dǎo)率的影響,熱不平衡(能量)產(chǎn)生的粒子微觀變化;
f)天線本體與某些部件邊緣的處理過程,天線結(jié)構(gòu)的鉚接工藝等因素導(dǎo)致PIM;
g)在連接處的氧化、生銹或腐蝕。
反射器控制板的生產(chǎn)制造對(duì)PIM產(chǎn)生至關(guān)重要。對(duì)最常用的鉚接鋁制控制板,每個(gè)鉚釘都是PIM產(chǎn)生的潛在因素,大型天線中該問題尤其突出,可在制造中改用膠粘解決。
高電流密度易產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物。饋電通道設(shè)計(jì)是關(guān)鍵,原則上應(yīng)采用整體饋電,但實(shí)際應(yīng)用中幾乎不可能,可使用目前已開發(fā)的具有高接觸壓力的法蘭盤。另外,饋電副反射面的作用也不容忽視,特別是在軸對(duì)稱系統(tǒng)中,整個(gè)副反射面及其支持結(jié)構(gòu)對(duì)PIM有很大影響,副反射面頂點(diǎn)處對(duì)PIM非常敏感,副反射面支承結(jié)構(gòu)及附件不宜采用金屬-金屬(M-M)接觸。饋電通道設(shè)計(jì)中采用鍍銀鋁結(jié)構(gòu),可消除不同類金屬接觸和不均勻膨脹引起的接觸電勢差;極化器加工采用電子束焊接;用電火花腐蝕的單片制造技術(shù)進(jìn)行饋電部件整體加工。
衛(wèi)星系統(tǒng)中使用了大量同軸電纜,作為信號(hào)傳輸通路以及在天線和通信艙內(nèi)的饋電系統(tǒng)間起轉(zhuǎn)接作用,它們應(yīng)確保有最小的群時(shí)延和損耗,在高功率多通道系統(tǒng)中也應(yīng)保證不產(chǎn)生致命的PIM干擾。通信衛(wèi)星中多個(gè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)共用一個(gè)饋源,形成共用天線工作模式,多路不同頻率占有一定帶寬的信號(hào),通過同一傳輸電纜,會(huì)產(chǎn)生大量的互調(diào)產(chǎn)物。
同軸電纜互調(diào)干擾的主要影響因素是電纜的外編織層材料。分別用普通銅線、鍍銀銅線、鍍鎳銅線和不銹鋼線構(gòu)成編織物,互調(diào)測量的結(jié)果表明:在銅線上鍍銀極大地改善了同軸電纜的非線性特性,產(chǎn)生的無源互調(diào)最小,未發(fā)現(xiàn)明顯的PIM產(chǎn)物;鍍鎳銅線產(chǎn)生的互調(diào)電平幅值較普通銅線高約13dB;不銹鋼線產(chǎn)生了很高的三階互調(diào)產(chǎn)物,電平幅值較普通銅線高約12dB;鍍鎳銅線和不銹鋼線產(chǎn)生的PIM幅值有可比性,且對(duì)輸入信號(hào)功率的響應(yīng)曲線非常近似;在頻段L,S,C進(jìn)行的相同實(shí)驗(yàn)顯示,對(duì)任何材料,三個(gè)波段的無源互調(diào)電平幅值對(duì)輸入功率的響應(yīng)非常相似,表明無源互調(diào)取決于編織材料的基本非線性特性;同軸電纜越長,產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物的電平幅值就越高,這是因?yàn)樘囟ㄩL度的電纜產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物大小由真正流過編織物接觸點(diǎn)的總電流決定,電纜產(chǎn)生的總的互調(diào)產(chǎn)物是電纜中每個(gè)接觸點(diǎn)互調(diào)產(chǎn)物的矢量和,即所有微觀因素積累的和的宏觀表現(xiàn),因此隨著長度的增加,接觸點(diǎn)增多,互調(diào)產(chǎn)物的幅值就增大。
衛(wèi)星系統(tǒng)中各種連接器的使用不可避免,而金屬-金屬連接器是PIM產(chǎn)生的重要來源,導(dǎo)致連接器觸點(diǎn)電壓電流非線性的因素有多個(gè):半導(dǎo)體、電子隧道效應(yīng)、電壓滯后現(xiàn)象、電流的飽和效應(yīng)、觸點(diǎn)的幾何學(xué)結(jié)構(gòu)等。顯微鏡下檢查連接器的細(xì)小結(jié)構(gòu),由于表面的粗糙程度可能會(huì)有單一的峰-峰接觸發(fā)生,這些峰-峰值是接觸壓力的函數(shù),可能發(fā)生塑性變形。因此隨著接觸壓力的減小,接觸表面會(huì)蛻變?yōu)閱我唤佑|點(diǎn),此時(shí)電流密度將趨于非常大。當(dāng)電流密度急劇增大時(shí),電壓電流的關(guān)系就與歐姆定理發(fā)生極大的偏差,形成PIM。
在微波頻率下由于電流“趨膚”效應(yīng),頻率1GHz時(shí),約90%的電荷集中在連接器表面約數(shù)微米的區(qū)域,因此射頻有效接觸表面由真實(shí)接觸表面僅僅數(shù)微米的環(huán)形帶構(gòu)成。金屬表面總有由污染或氧化組成的邊界層,在接觸點(diǎn)處邊界層會(huì)減少射頻有效接觸表面,電流通路可能會(huì)發(fā)生變化,表面峰值點(diǎn)的電流可能或大或小,即使很小的差別也會(huì)導(dǎo)致電子隧道效應(yīng)的產(chǎn)生。
近期,提出了一種“無接觸”連接器。它是一個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò),傳輸損耗低,且中心導(dǎo)體間有空氣介質(zhì),無物理接觸。針對(duì)設(shè)計(jì)的頻率,利用四分之一波長的阻抗特性進(jìn)行阻抗變換。其內(nèi)、外導(dǎo)體用低阻值的橡膠接頭進(jìn)行電氣連接,達(dá)到設(shè)計(jì)的“無接觸”,能減小無源互調(diào)。
PIM是否對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生危害的決定因素是其干擾的幅值。PIM的產(chǎn)物一般較小,隨著階次的增加幅值迅速減小。由于高靈敏度接收機(jī)的使用,要求的PIM功率電平非常小,典型值一般小于-130dBm(由通信鏈路計(jì)算確定)。直接測量此小功率電平的難度很大,有用信號(hào)易被測量系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾淹沒。
鑒于產(chǎn)生PIM的因素復(fù)雜,難以建立一明確的數(shù)學(xué)模型描述其非線性,故考慮利用低階PIM幅值預(yù)測高階PIM幅值。衛(wèi)星系統(tǒng)的無源互調(diào)是多個(gè)分量的總和,而多數(shù)部件有或強(qiáng)或弱的非線性,尤其是在大功率條件下。為此,建立一數(shù)學(xué)模型,假設(shè)多級(jí)聯(lián)部件中的某個(gè)部件為引起PIM的主要因素,認(rèn)為系統(tǒng)的非線性主要在該級(jí),其他級(jí)的部件為理想的線性器件,則可用單個(gè)傳遞函數(shù)模擬整個(gè)PIM產(chǎn)生過程,如圖1所示。其中,理想線性部件的關(guān)系視作常數(shù)1處理。設(shè)非線性傳遞函數(shù)可表示為
式中:Cn為依賴于非線性的一組常數(shù);Y,X分別為變量和自變量。
圖1 無源器件非線性分析模型Fig.1 Nonlinear analysis model of passive compomemts
工程實(shí)際中,一般用雙載波信號(hào)產(chǎn)生無源互調(diào)產(chǎn)物,即輸入信號(hào)為兩個(gè)載波信號(hào):X=A1cosθ1+A2cosθ2,代入式(1),可確定各階互調(diào)產(chǎn)物的幅值。任意奇次階2if1+(2j+1)f2頻率處的互調(diào)產(chǎn)物的幅值
三階互調(diào)產(chǎn)物截?cái)喙綖閅pim3=C3X3+C5X5+C7X7。測量三組三階互調(diào)數(shù)據(jù),解三元一次方程組,即可得到C3,C5,C7,由C5,C7即能得出五階互調(diào)的幅值。同理,可預(yù)測更高階的幅值。用該法可進(jìn)行任意高階PIM的幅值預(yù)測。
偶發(fā)寬帶噪聲的無源互調(diào)的幅值無法預(yù)測,需長期觀測才能確定。若系統(tǒng)觀測到寬帶噪聲形式的無源互調(diào),則一般判斷其連接部位出現(xiàn)問題,需對(duì)連接不良處進(jìn)行處理,消除此類互調(diào)干擾。
對(duì)設(shè)計(jì)、加工完成的通信系統(tǒng),需通過測量確定PIM干擾能否達(dá)到使用要求。PIM的測量系統(tǒng)有多種,根據(jù)測量類型主要可分為傳輸測量法、反射測量法和輻射測量法三種。
a)傳輸測量法
原理簡單,測量系統(tǒng)易實(shí)現(xiàn),測量原理如圖2所示。常見的雙端口微波部件的無源互調(diào)的測量可用此法。
圖2 傳輸測量法原理Fig.2 Principle of transmission measurements
b)反射測量法
可用于多數(shù)非輻射的單端口、雙端口和多端口部件PIM測量,并可用于天線本身及饋源的PIM測量,如天線、波束形成網(wǎng)絡(luò)、雙工器、同軸電纜、大功率負(fù)載、適配器和隔離器等。測量原理如圖3所示。
圖3 反射測量法原理Fig.3 Principle of reflection method
c)輻射測量法
可測量有能量輻射功能的部件,如喇叭、振子、螺旋、微帶天線,以及安裝了主饋源的反射面天線和陣列天線。為防止外界的電磁干擾,提高測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性,需將輻射部件置于吸波屏蔽暗室內(nèi)。此法需用相應(yīng)的接收天線檢測PIM,測量結(jié)果為輻射部件和接收天線總的PIM數(shù)值。測量原理如圖4所示。
圖4 輻射測量法原理Fig.4 Principle of radiation measurements
風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星運(yùn)行于地球同步軌道,姿態(tài)控制為自旋穩(wěn)定方式,有效載荷為掃描輻射計(jì),可探測地球表面可見光、紅外、水汽等氣象信息。因采用自旋穩(wěn)定控制,衛(wèi)星掃描輻射計(jì)掃到地球的時(shí)間占衛(wèi)星自旋周期內(nèi)的小部分,當(dāng)掃描輻射計(jì)掃描太空時(shí)可對(duì)掃描輻射計(jì)攝取的原始云圖信息作降速處理,處理后的云圖經(jīng)星載數(shù)傳與云圖廣播轉(zhuǎn)發(fā)器分系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)后供中心站和中小氣象站接收使用,或在取圖間隙轉(zhuǎn)發(fā)測距信息和低速率信息等。云圖轉(zhuǎn)發(fā)通道如圖5所示,采用收發(fā)共用天線,輸入信號(hào)功率量級(jí)為10-11~10-7W,輸出信號(hào)功率約20W。衛(wèi)星信號(hào)公共傳輸部分均為結(jié)構(gòu)腔體或結(jié)構(gòu)件,設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格控制無源互調(diào)水平。
圖5 風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星云圖轉(zhuǎn)發(fā)通道Fig.5 Cloud forward channel of FY-2satellite
風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星的發(fā)送信號(hào)頻率有7組,頻率差最大26MHz,發(fā)送信號(hào)頻率與接收信號(hào)頻率差360MHz,故發(fā)射信號(hào)的25階以上的交調(diào)才有可能落入接收通道。建立了一套風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星的無源互調(diào)測試系統(tǒng),如圖6所示。具體方法如下:在衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處天線安裝端口連接高頻電纜至測試設(shè)備,測試數(shù)傳與云圖轉(zhuǎn)發(fā)分系統(tǒng)的無源互調(diào)。因無源互調(diào)存在功率門限性,用信號(hào)源向衛(wèi)星云圖轉(zhuǎn)發(fā)器輸入端發(fā)送測試信號(hào),經(jīng)衛(wèi)星的變頻、放大,使衛(wèi)星的功放處于飽和輸出狀態(tài),再將信號(hào)發(fā)送到地面測試設(shè)備(頻譜儀)。若發(fā)射通道發(fā)射大功率信號(hào)激發(fā)產(chǎn)生無源互調(diào)耦合到衛(wèi)星接收機(jī),經(jīng)傳輸通道近130dB的增益放大后,可在測試頻譜儀中明顯觀察到。整星狀態(tài)下測得轉(zhuǎn)發(fā)通道的頻譜如圖7所示。由圖可知:在通道帶寬內(nèi)除測試信號(hào)外無雜散譜線,說明發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生的mf1±nf2形式的互調(diào)信號(hào)均淹沒在接收機(jī)熱噪聲中。衛(wèi)星測試過程中曾發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)帶寬內(nèi)偶發(fā)寬帶噪聲,其間噪聲帶起伏變化,經(jīng)過一段時(shí)間會(huì)恢復(fù)到正常頻譜,其中兩幅頻譜如圖8所示。該現(xiàn)象不同于微放電現(xiàn)象,因發(fā)生微放電現(xiàn)象,故障一直維持,直至無信號(hào)功率輸入。經(jīng)排查,發(fā)現(xiàn)寬帶噪聲無源互調(diào)均由收發(fā)共用部分的連接狀態(tài)不良產(chǎn)生的。
本文對(duì)衛(wèi)星無源互調(diào)抑制措施及測量方法進(jìn)行了研究。采用收發(fā)共用設(shè)計(jì)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)重視收發(fā)共用部件的無源互調(diào)控制,系統(tǒng)研制中在頻率分配、機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、材料結(jié)構(gòu)、加工工藝和裝配過程等方面制定減小PIM的方法和措施,以確保系統(tǒng)的PIM不影響系統(tǒng)正常工作。系統(tǒng)研制完成后還需用合適的測試方法進(jìn)行測試,驗(yàn)證控制措施的有效性,確保衛(wèi)星入軌后正常工作。
圖6 風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星無源互調(diào)測試系統(tǒng)Fig.6 PIM test system of FY-2satellite
圖7 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)正常頻譜Fig.7 Normal spectrum of forward signal
圖8 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)異常頻譜Fig.8 Abnormal spectrum of forward signal