李硯平，黃浩，賀捷

中國(guó)空間技術(shù)研究院 西安分院 制造中心，西安 710000

微波無(wú)源部件中具有非線性電壓-電流關(guān)系，當(dāng)輸入兩個(gè)或更多的大功率發(fā)射載波時(shí)，由于非線性作用，就會(huì)出現(xiàn)基本信號(hào)頻率的線性組合產(chǎn)物落入接收頻帶內(nèi)形成互調(diào)產(chǎn)物。將這種非線性效應(yīng)稱作無(wú)源互調(diào)(PIM)現(xiàn)象[1]。

隨著通信、氣象、導(dǎo)航、地球資源勘測(cè)等衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)用的快速發(fā)展，一些新的問(wèn)題出現(xiàn)在大功率多載波通信、導(dǎo)航、直播衛(wèi)星的預(yù)研和研制過(guò)程中，其中PIM就是關(guān)系到衛(wèi)星成敗的一個(gè)新的重要問(wèn)題。衛(wèi)星大功率發(fā)射系統(tǒng)中，由于PIM產(chǎn)物的幅度遠(yuǎn)小于發(fā)射信號(hào)幅度，不會(huì)影響發(fā)射系統(tǒng)信號(hào)的質(zhì)量。如果互調(diào)產(chǎn)物的頻率位于接收頻率范圍內(nèi)，互調(diào)產(chǎn)物就會(huì)進(jìn)入高靈敏度的衛(wèi)星接收機(jī)，互調(diào)產(chǎn)物幅度高于接收機(jī)門(mén)限時(shí)，極可能超過(guò)接收機(jī)的熱噪聲，干擾衛(wèi)星通信系統(tǒng)正常工作，甚至造成接收機(jī)堵塞，導(dǎo)致衛(wèi)星通信系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)[2]。有源互調(diào)可以通過(guò)合理配置濾波器，消除有源互調(diào)影響，而無(wú)源互調(diào)與有源互調(diào)不同，無(wú)源互調(diào)產(chǎn)物是一種出現(xiàn)在輸出濾波器或其他后端系統(tǒng)的微弱干擾信號(hào)，并且與接收信號(hào)具有相同或接近的頻率，很難通過(guò)濾波消除[3]。這個(gè)問(wèn)題引起了通信衛(wèi)星系統(tǒng)研制產(chǎn)業(yè)鏈的高度關(guān)注。

國(guó)內(nèi)外許多衛(wèi)星用戶和研制廠家都非常重視PIM問(wèn)題的研究工作，而且將PIM作為收發(fā)共用有效載荷的一項(xiàng)重要考核指標(biāo)，其關(guān)乎到衛(wèi)星的成敗，越來(lái)越受到重視。國(guó)外如歐空局(ESTEC)，美國(guó)航天局(NASA)、洛克希德·馬丁公司、休斯公司、加拿大的COM DEV公司、SPAR公司及美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)等都投入了大量的資金、人員和設(shè)備研究PIM問(wèn)題，并且取得了一定的研究成果[4]。雖然有一些應(yīng)用軟件誕生，但是由于PIM問(wèn)題的復(fù)雜性，通過(guò)地面測(cè)試驗(yàn)證是目前最有效的控制措施。這些公司都建立了相對(duì)完備的測(cè)試系統(tǒng)，覆蓋了目前國(guó)際上的通信衛(wèi)星系統(tǒng)(L、C、Ku頻段)[5]。無(wú)論是地面移動(dòng)通信系統(tǒng)，還是衛(wèi)星通信系統(tǒng)，目前參考的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)均為IEC 62037-1:2012[6]。此標(biāo)準(zhǔn)推薦的測(cè)試方法是采用2個(gè)CW信號(hào)通過(guò)雙工器將合成的大功率信號(hào)發(fā)射到測(cè)試件，測(cè)試件產(chǎn)生的PIM信號(hào)通過(guò)雙工器和濾波器濾除發(fā)射信號(hào)后，用低噪聲放大器放大，再用頻譜儀監(jiān)測(cè)PIM信號(hào)。實(shí)際上，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器很少傳送未調(diào)制載波信號(hào)，考慮載波調(diào)制后，PIM產(chǎn)物的帶寬擴(kuò)大了，擴(kuò)展后的PIM產(chǎn)物將整體作為隨機(jī)噪聲出現(xiàn)，引起衛(wèi)星系統(tǒng)噪聲溫度整體提高[7]。

隨著4G技術(shù)的應(yīng)用和5G技術(shù)研究的深入，地面通信行業(yè)開(kāi)始質(zhì)疑采用CW信號(hào)測(cè)試PIM電平方法是否可以等效調(diào)制通信方式。貝爾實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合英國(guó)貝爾法斯特女王大學(xué)開(kāi)展了此方向的研究工作，研究關(guān)于數(shù)字調(diào)制載波的PIM性能，大量的工作主要集中在理論計(jì)算和仿真方面[8-10]。北京泰爾實(shí)驗(yàn)室也意識(shí)到調(diào)制信號(hào)方式對(duì)PIM的不同影響，開(kāi)展此方面研究，建立了寬帶調(diào)制信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)，同時(shí)提出了測(cè)試面臨的問(wèn)題[11]。

目前通信衛(wèi)星地面測(cè)試驗(yàn)證依舊采用的是CW信號(hào)測(cè)試PIM。寬帶調(diào)制和CW信號(hào)兩種PIM測(cè)試方法有何區(qū)別，CW信號(hào)測(cè)試方法是否可以等效寬帶調(diào)制信號(hào)測(cè)試？本文針對(duì)這些問(wèn)題，利用衛(wèi)星通信系統(tǒng)中常用調(diào)制信號(hào)(BPSK,QPSK)模式，提出了一種基于功率譜密度的PIM電平測(cè)試方法，采用CW信號(hào)和寬帶調(diào)制波開(kāi)展了對(duì)無(wú)源部件PIM測(cè)試的對(duì)比研究，理論和測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果可以供衛(wèi)星地面PIM驗(yàn)證參考。

1 數(shù)字調(diào)制信號(hào)和CW信號(hào)產(chǎn)生PIM產(chǎn)物的特征

在通信衛(wèi)星中，落入衛(wèi)星接收機(jī)的PIM產(chǎn)物可對(duì)接收機(jī)的品質(zhì)因數(shù)(即G/T特性，指天線端口處增益與系統(tǒng)等效噪聲溫度的比值)產(chǎn)生負(fù)面影響。對(duì)于兩個(gè)未調(diào)制的CW信號(hào)和寬帶調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的PIM，可以通過(guò)求落入接收通道內(nèi)的失真功率譜密度區(qū)別。

PIM產(chǎn)物從以下表達(dá)式開(kāi)始：

式中：S為載波輸入功率；A,B為信號(hào)頻率信息；n為n階非線性，使用二項(xiàng)式展開(kāi)，提取二載波失真輸出功率為：

(1)

對(duì)于寬帶高斯信號(hào)，它具有瞬時(shí)高斯振幅分布，對(duì)于非線性信道，總輸出功率為：

式中：S0為平均無(wú)失真功率；D0為平均失真功率。

可以推導(dǎo)出寬帶信號(hào)失真功率為：

其中G函數(shù)為：

(2)

寬帶PIM信號(hào)功率譜密度與連續(xù)二載波PIM信號(hào)功率譜密度的比值為式(2)與式(1)的比值：

(3)

假設(shè)2個(gè)載波的功率譜密度是均勻分布函數(shù)：

歸一化PIM分布表示為：

對(duì)式(3)提取因子Sn，剩余部分用N′(n)表示：

(1，3，5，…，2n-1)-(1,3,5,…,n)2

n階PIM噪聲的功率譜密度近似表示為：

(4)

用式(4)乘以式(3)，得寬帶PIM信號(hào)功率譜密度和二載波信號(hào)的比值：

(5)

根據(jù)以上推算可以計(jì)算出寬帶信號(hào)和CW信號(hào)產(chǎn)生的PIM信號(hào)功率譜密度的比值，通過(guò)式(5)計(jì)算3階寬帶和雙載波PIM信號(hào)功率譜密度相差4.6 dB。由于PIM影響因素較多，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中的差異，需要通過(guò)試驗(yàn)比對(duì)驗(yàn)證。

2 寬帶調(diào)制信號(hào)PIM測(cè)試方法

航天器無(wú)源射頻部件與設(shè)備的PIM測(cè)試可分為非輻射式、輻射式和再輻射式PIM測(cè)試3種。非輻射式PIM測(cè)試系統(tǒng)適用于非輻射型單端口、雙端口和多端口射頻部件，如大功率負(fù)載、濾波器、雙工器和多工器等；輻射式PIM測(cè)試系統(tǒng)適用于測(cè)試輻射型射頻部件與設(shè)備，如天線及饋源等；再輻射式PIM測(cè)試系統(tǒng)適用于測(cè)試暴露在發(fā)射射頻信號(hào)電磁場(chǎng)中的射頻部件與設(shè)備，如天線反射面、反射面測(cè)試樣品、天線支撐結(jié)構(gòu)、反射面支撐臂、天線熱控多層組件(MLI)和整星隔熱保護(hù)硬件等[12]。航天器部件工作在冷熱環(huán)境中，因此測(cè)試PIM需要在高低溫環(huán)境下。在本文研究的范疇內(nèi)，暫未考慮環(huán)境因素。傳統(tǒng)的典型雙端口部件PIM測(cè)試方法如圖1所示。

從圖1可以看出，兩路不同頻率的大功率測(cè)試信號(hào)f1、f2由射頻合路器合成，經(jīng)過(guò)低PIM雙工器1送至被測(cè)件，其輸出信號(hào)被大功率負(fù)載吸收。兩路不同頻率的大功率信號(hào)功率值分別在功率計(jì)1和功率計(jì)2上監(jiān)測(cè)，被測(cè)件產(chǎn)生的PIM信號(hào)可在頻譜分析儀1上測(cè)得(反射法)或在頻譜分析儀2上測(cè)得(傳輸法)。

如果只考慮反射鏈路PIM分量，改進(jìn)后的寬帶測(cè)試方法是在發(fā)射信號(hào)端，將原測(cè)試鏈路中的標(biāo)量信號(hào)源更換為矢量信號(hào)源。在接收信號(hào)端，考慮接收信號(hào)互調(diào)產(chǎn)物變?yōu)閿?shù)字寬帶信號(hào)，采用矢量信號(hào)分析儀代替普通頻譜儀。矢量信號(hào)分析儀設(shè)置信號(hào)帶寬通常約等于原激勵(lì)信號(hào)帶寬與PIM階數(shù)的乘積，或者至少是發(fā)射信號(hào)帶寬的2倍以上。考慮要和兩路連續(xù)單載波測(cè)試的互調(diào)產(chǎn)物比對(duì)，基于互調(diào)產(chǎn)物對(duì)接收機(jī)的影響是使接收通帶內(nèi)的噪聲整體提高，可采用矢量分析儀具備的帶內(nèi)積分功率功能和通道功率測(cè)量功能進(jìn)行連續(xù)單載波和寬帶調(diào)制對(duì)應(yīng)通帶內(nèi)互調(diào)產(chǎn)物的測(cè)量，測(cè)試框圖如圖2所示。兩路不同頻率的大功率調(diào)制信號(hào)f1和f2由雙工器合成，送至被測(cè)件，其輸出信號(hào)被大功率負(fù)載吸收。兩路不同頻率的大功率信號(hào)功率值分別在功率計(jì)1和功率計(jì)2上監(jiān)測(cè)，被測(cè)件產(chǎn)生的PIM信號(hào)電平可在是矢量信號(hào)分析儀上測(cè)得。

圖2 雙端口部件調(diào)制模式寬帶PIM測(cè)試系統(tǒng)框圖Fig.2 Schematic diagram of broadband modulation signal PIM test system for dual-port components

3 寬帶信號(hào)與連續(xù)載波測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證不同的信號(hào)工作模式對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，保證測(cè)試方法的有效性，同時(shí)消除測(cè)試的偶然偏差性，選取電纜組件22件，測(cè)試頻段是S頻段，3階PIM。選用的測(cè)試信號(hào)模式是兩路CW信號(hào)、BPSK和QPSK調(diào)制信號(hào)，其中BPSK和QPSK調(diào)制信號(hào)帶寬依次是：50 Hz,200 Hz,500 Hz,50 KHz,200 KHz，500 KHz,5 MHz,10 MHz。PIM測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 數(shù)字調(diào)制信號(hào)和CW模式PIM結(jié)果比對(duì)Fig.3 Comparison of PIM test values generated by digital modulation signal and CW mode

從圖3中可以看出，整體數(shù)字調(diào)制信號(hào)模式PIM值高于CW信號(hào)2～9 dB,無(wú)論是BPSK信號(hào)還是QPSK信號(hào)產(chǎn)生的PIM信號(hào)都高于CW信號(hào)，BPSK信號(hào)產(chǎn)生的PIM信號(hào)普遍高于QPSK信號(hào)1～2 dB。通過(guò)分析和測(cè)試結(jié)果表明，原有的選用CW信號(hào)測(cè)試代替數(shù)字調(diào)制信號(hào)工作模式測(cè)試PIM性能具有局限性，隨著測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)盡量選用使用的信號(hào)模式測(cè)試驗(yàn)證PIM性能。

在測(cè)試驗(yàn)證中發(fā)現(xiàn)以下技術(shù)難點(diǎn):

(1)寬帶信號(hào)放大問(wèn)題

通信衛(wèi)星數(shù)據(jù)速率飛速提升，信號(hào)帶寬不斷增大，隨之而來(lái)的是信號(hào)峰均比(信號(hào)峰值功率和平均功率的比值)的問(wèn)題。信道鏈路中高峰均比需要更高的功放非線性范圍。如果寬帶互調(diào)測(cè)試系統(tǒng)中功放的標(biāo)稱輸出功率提升不足10 dB，且信號(hào)的峰值進(jìn)入功放的非線性工作區(qū)，就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生信號(hào)畸變和內(nèi)部互調(diào)信號(hào)。對(duì)于測(cè)試而言，將很難確定互調(diào)產(chǎn)物的最終來(lái)源是待測(cè)件還是測(cè)試系統(tǒng)自身，要解決這個(gè)問(wèn)題，就要面臨高額的成本升級(jí)功放以及測(cè)試成本的大幅度提高[13]。本文測(cè)試選用的寬帶信號(hào)帶寬在測(cè)試功率放大器測(cè)試線性范圍內(nèi)。為了測(cè)試的準(zhǔn)確性，每次測(cè)試無(wú)源互調(diào)性能前，首先對(duì)信號(hào)的EVM、ACLR等性能進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于已經(jīng)超出帶寬的寬帶信號(hào)，需要針對(duì)具體的使用信號(hào)形式和帶寬，開(kāi)展相應(yīng)的信號(hào)處理，處理的原則是保證信號(hào)質(zhì)量，同時(shí)信號(hào)EVM、ACLR等關(guān)鍵指標(biāo)要符合要求，可以做適當(dāng)?shù)膲嚎s處理。

(2)寬帶PIM信號(hào)測(cè)試問(wèn)題

傳統(tǒng)互調(diào)測(cè)試系統(tǒng)中兩路信號(hào)源通常采用CW信號(hào)，接收相對(duì)應(yīng)的互調(diào)產(chǎn)物仍是CW信號(hào)，可以通過(guò)設(shè)置頻譜儀合理的分辨率帶寬和視頻帶寬直接進(jìn)行PIM信號(hào)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率值讀取。然而調(diào)制信號(hào)不同于CW信號(hào)，互調(diào)產(chǎn)物是與發(fā)射信號(hào)帶寬同量級(jí)的寬帶信號(hào)，其功率分布在整個(gè)頻帶內(nèi)，需要進(jìn)行積分求和?；フ{(diào)產(chǎn)物本身很弱，如果再分散到整個(gè)頻帶上，通常情況下將會(huì)淹沒(méi)在頻譜儀的噪聲中，影響觀測(cè)。本文測(cè)試使用的是目前測(cè)量模式頻譜儀具備的功率譜密度功能，將接收信號(hào)與噪聲混合在一起進(jìn)行多點(diǎn)FFT運(yùn)算，得到功率譜密度，選用相同通道帶寬的通道功率測(cè)試[14]。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，PIM信號(hào)干擾接收機(jī)對(duì)接收通道帶寬內(nèi)產(chǎn)生噪聲抬高的影響，因此對(duì)于帶寬較窄的寬帶信號(hào)，能量主要集中在有限的帶寬內(nèi)，這是有效的測(cè)試方法。當(dāng)對(duì)應(yīng)的寬帶信號(hào)的能量分布比較寬時(shí)，此方法具有局限性，需要借助開(kāi)展微弱信號(hào)信噪比估計(jì)。目前地面移動(dòng)通信衛(wèi)星測(cè)試使用的方法為空間分解法。對(duì)于通信衛(wèi)星信號(hào)形式，需要探尋合適的方法開(kāi)展弱信號(hào)信噪比估計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

衛(wèi)星通信大量傳輸數(shù)字調(diào)制信號(hào)，而采用兩路CW的方法開(kāi)展PIM測(cè)試具有局限性，文中針對(duì)10 MHz以下的BPSK和QPSK信號(hào)設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方法開(kāi)展測(cè)試，理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)于帶寬較窄的調(diào)制信號(hào)可以使用本方法，測(cè)試結(jié)果表明BPSK和QPSK信號(hào)的PIM信號(hào)值均高于CW信號(hào)2～9 dB，這個(gè)測(cè)試結(jié)果和計(jì)算結(jié)果位于同一個(gè)范圍內(nèi)。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)開(kāi)展寬帶調(diào)制信號(hào)測(cè)試面臨的問(wèn)題是寬帶信號(hào)放大時(shí)存在的峰均比壓縮帶來(lái)測(cè)試系統(tǒng)中對(duì)功放線性度要求較高的問(wèn)題和接收的PIM信號(hào)在帶寬較寬時(shí)，淹沒(méi)在熱噪聲中提取困難問(wèn)題。關(guān)于以上問(wèn)題，可以借鑒泰爾實(shí)驗(yàn)室針對(duì)地面移動(dòng)信號(hào)采用信噪比壓縮處理和空間分解法處理弱信號(hào)的方法，但該方法并不完全適用于衛(wèi)星通信，根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)調(diào)制方式，需要探尋更好的方法解決上述兩個(gè)問(wèn)題。