李硯平，柴繼澤，楊曉敏，蔡小宏

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

無源互調(diào)(passive intermodulation 簡寫為PIM)屬于一種新的電磁干擾源，它是指由無源部件的固有非線性導(dǎo)致的互調(diào)產(chǎn)物。通常產(chǎn)生于濾波器、同軸線纜及連接器、金屬連接面、天線饋源及天線等無源部件。在多個載頻的大功率信號條件下由于部件本身存在非線性而引起的互調(diào)效應(yīng)[1]。

隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，航天大天線技術(shù)飛速發(fā)展，新技術(shù)廣泛應(yīng)用，收發(fā)共用技術(shù)就是其中一項技術(shù)，收發(fā)共用面臨的可靠性問題之一就是PIM效應(yīng)。PIM的存在會對通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，特別是落在接收頻帶內(nèi)的互調(diào)產(chǎn)物將對系統(tǒng)的接收性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。采用收發(fā)共用天線系統(tǒng)的衛(wèi)星，PIM更應(yīng)引起重視。大功率衛(wèi)星中的PIM嚴(yán)重威脅衛(wèi)星系統(tǒng)的運行，它不僅浪費寶貴的衛(wèi)星發(fā)射功率，又使本來就十分微弱的接收信號受到干擾[2]。PIM嚴(yán)重地增加了接收系統(tǒng)的噪聲電平，降低了系統(tǒng)靈敏度。航天天線作為航天載荷中必不可少的關(guān)鍵元件，由于工作空間環(huán)境的嚴(yán)酷性、極端性和不確定性，交變溫度嚴(yán)重影響PIM性能的大小和穩(wěn)定性，影響天線性能的可靠性，因此，空間天線要考慮溫度交變下的PIM 效應(yīng)[3]。溫度交變下的PIM效應(yīng)從材料非線性和接觸非線性考慮，主要取決于金屬材料之間的熱擴散效應(yīng)，金屬導(dǎo)熱性，熱離子發(fā)射等因素[4]，這幾種效應(yīng)同時作用，且各自所占的影響比率在同一個部件中不固定，建立動態(tài)理論模型存在困難，理論仿真存在局限性。歐美航天經(jīng)過探索，目前都通過地面驗證測試確保溫度交變下的PIM。加拿大航天中心DFL試驗室建立了木制的透波溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)開展測試，受材質(zhì)影響，這種系統(tǒng)溫度范圍有限。ESA下屬的瑞典RUAE公司建立了溫度交變下的PIM測試系統(tǒng)，采用了介質(zhì)材料，受薄弱點影響，溫度范圍是-35 ℃～120 ℃。這種測試方法和設(shè)備國內(nèi)外沒有現(xiàn)成的成品可以使用，都是自主研發(fā)的產(chǎn)品。本文根據(jù)空間天線的特點和PIM要求，結(jié)合國內(nèi)的現(xiàn)有材料和溫度控制技術(shù)，探索出兩種測試溫度交變下PIM性能的測試系統(tǒng)，并設(shè)計研制了測試設(shè)備。一種是利用現(xiàn)有的溫箱設(shè)備，在溫箱設(shè)備中嵌套放置專用吸波箱，待測試天線放置在吸波箱體中，采用反射法測試天線PIM。這種嵌套裝置，由于吸波材料的耐高溫能力受限，適用的溫度范圍是-70 ℃～70 ℃。另一種是設(shè)計了專用的透波暗室，透波溫箱箱體放置在吸波暗室中，溫控機組放置在控制室中，采用反射法和輻射法均可以測試溫度交變下的PIM。此測試系統(tǒng)不受吸波材料的耐溫限制，可以應(yīng)用的范圍是-70 ℃～150 ℃，兩種測試系統(tǒng)均已應(yīng)用在地面驗證試驗中。在測試系統(tǒng)和設(shè)備的設(shè)計研制中，充分考慮了影響PIM性能的材料非線性和連接非線性，確保測試系統(tǒng)和測試設(shè)備的PIM低于測試產(chǎn)品，減少測試誤差。

1 溫度對PIM影響

衛(wèi)星在軌運行時，在太陽的正對輻射下處于高溫，如果所處位置背對地球被遮擋時，處于低溫。極限溫度在-120 ℃～120 ℃變化，這是衛(wèi)星系統(tǒng)老化的主要原因，同時，由于溫度的變化，PIM信號在系統(tǒng)工作中變化異常活躍。在波導(dǎo)連接情況下，波導(dǎo)金屬和螺釘材料之間的熱擴散系數(shù)不同，溫度變化會產(chǎn)生應(yīng)力，一天內(nèi)金屬表面會經(jīng)受周期性的作用，由于金屬結(jié)的老化，導(dǎo)致接觸電阻會增加。除了環(huán)境溫度的變化影響，在任何元件上，局部溫度變化都會引起整體的溫度變化，出現(xiàn)超噪聲電平信號的PIM信號頻率。這種情況下，PIM激勵和金屬的導(dǎo)熱性具有線性相關(guān)性，產(chǎn)生諧波分量，在PIM頻率處引起腔壁上的電流，在金屬波導(dǎo)結(jié)的情況下，將產(chǎn)生金屬接觸電阻。根據(jù)Franz-Wiedemann定律，將電和熱的導(dǎo)熱系數(shù)與純金屬接觸處的電壓降和溫度聯(lián)系起來[5]。

式中L是洛倫茲數(shù)(L≈10-8V2K-2), 它定義為熱傳導(dǎo)系數(shù)和電傳導(dǎo)系數(shù)之商。T是變化后的溫度，T0是初始溫度，V是金屬接觸處的電壓降。

對常用金屬的電壓降和溫度的變化開展了計算，計算的結(jié)果如圖1所示，T0選用的是203.15 K(-70 ℃)。

圖1 四種金屬的電壓降和溫度的變化關(guān)系Fig.1 Schematic diagram relation of four type metal voltage change with temperature

通過圖1可知，對大部分金屬而言是常數(shù)，金屬特殊敏感點處的溫度升高對接觸電阻有很大的影響，微弱的電壓變化也會引起溫度的劇烈變化，對于銀、銅、金、鋁、電壓變化0.17 V,可使接觸溫度從203 K升高到300 K[6]。對于有的金屬溫度達到金屬的熔點，可以發(fā)生熔接，高溫可以軟化氧化層使得薄層破裂，引起系統(tǒng)接觸電阻降低。溫度的變化，將會引發(fā)PIM電平的變化[7]。因此地面驗證試驗需要開展溫度變化下的PIM驗證測試。

2 高低溫PIM測試系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)不同被測件的特性，PIM測試方法主要有5種:直通測量法、反射測量法、輻射測量法、再輻射式測量法和整星級測量法[8]。目前根據(jù)測試件有無輻射，可將PIM測試系統(tǒng)分為兩大類：非輻射測量系統(tǒng)和輻射測量系統(tǒng)。非輻射式PIM測試系統(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測試系統(tǒng)適用于測試輻射型射頻部件與設(shè)備，如天線及饋源等。根據(jù)測試件的特點和需求，測試系統(tǒng)結(jié)合5種測試方法靈活使用[9]。航天PIM測試條件需要測試溫度變化下的PIM性能。對于非輻射的測試件，測試系統(tǒng)和方法不需要額外改進，只需要將測試件置于溫箱中，控制和調(diào)節(jié)環(huán)境溫度過程中測試PIM性能。對于輻射式的測試件，需要結(jié)合測試方法建立新的測試設(shè)備，構(gòu)建新的測試系統(tǒng)。本文針對天線及饋源等輻射類測試件和需要再次被輻射的測試件如天線反射面、反射面測試樣品、天線支撐結(jié)構(gòu)、反射面支撐臂、天線熱控多層組件(MLI)和整星隔熱保護硬件等，建立了兩種測試溫度交變下PIM性能的測試系統(tǒng)。

2.1 嵌套吸波箱法

目前隨著航天的發(fā)展，測試溫度循環(huán)變化下的PIM非常普遍。常見的溫度循環(huán)范圍是±70 ℃，特殊的要求是±150 ℃[10]。PIM熱循環(huán)吸波箱設(shè)計要求有：第一、熱循環(huán)箱中的溫度根據(jù)試驗條件滿足溫度循環(huán)變化；第二、吸收天線輻射的微波能量；第三、不能產(chǎn)生影響測試件的多余的PIM信號。嵌套式的吸波箱放置在溫度循環(huán)箱中，依據(jù)以上3個要求，選擇的外圍的框架材料是鋁材，內(nèi)部采用的是耐高低溫的低PIM大功率吸波材料。放置在溫箱中的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。吸波箱放置在溫箱中，形成了一個嵌套的吸波箱，溫箱中的環(huán)境溫度變化調(diào)整了吸波箱中的溫度變化。這樣放置在吸波箱中的天線處于高低溫環(huán)境變化中。

圖2 嵌套式吸波溫箱示意圖Fig.2 Schematic diagram of nested type absorbing thermal box

如圖3所示，兩路不同頻率的大功率測試信號f1、f2由射頻合路器合成，經(jīng)過低PIM雙工器1送至放置在嵌套高低溫箱中的PIM吸波箱中的被測試天線，其輸出大功率信號被吸波箱中吸波材料吸收。兩路不同頻率的大功率信號功率值分別在功率計1和功率計2上監(jiān)測，被測試天線產(chǎn)生的PIM信號可在頻譜分析儀1上測得(反射法)[11]。這種嵌套結(jié)構(gòu)可以使用的測試件的大小取決于外層的溫箱大小。這種結(jié)構(gòu)的缺點是由于吸波箱嵌套在溫箱中，由于吸波材料的耐溫和耐功率性能的局限性，可以測試的溫度范圍一般為±70 ℃，能夠滿足常用測試天線的溫度需求。對于溫度范圍要求較高的測試天線，需要采用透波箱法。

圖3 嵌套式吸波溫箱PIM測試系統(tǒng)框圖Fig.3 Schematic diagram of nested type absorbing thermal box PIM test system for antenna

2.2 透波暗室法

由于嵌套法的溫度范圍有限，根據(jù)測試天線的要求，可以設(shè)計透波溫箱法。透波溫箱法是將高低溫箱的箱體使用透波材料研制，然后將此箱體放置在吸波暗室中，如圖4圖所示。

圖4 透波溫箱示意圖Fig.4 Schematic diagram of transparent thermal box

這種結(jié)構(gòu)的特點是因透波箱放置在吸波暗室中，克服了吸波材料的耐溫和耐功率性能局限性，可以測試的溫度范圍一般為-70 ℃～150 ℃，能夠滿足溫度高溫的考核。設(shè)計時要同時考慮采用的材料低PIM性能、耐熱、耐壓和透波性能。

以上兩種方法根據(jù)測試產(chǎn)品的特點，設(shè)備的大小，可以選用合適的測試方法。

3 測試系統(tǒng)結(jié)果驗證

兩種測試系統(tǒng)設(shè)計建成后，需要驗證測試系統(tǒng)的PIM性能指標(biāo)，滿足要求后才能投入使用。驗證方法如圖3、圖4 的測試方法，天線選用的是低PIM性能的標(biāo)準(zhǔn)天線。測試系統(tǒng)性能如下：

測試系統(tǒng)：S頻段

發(fā)射頻率范圍：2 000～2 300 MHz

接收頻率范圍：1 000～2 000 MHz

測試功率：50 W*50 W

PIM階數(shù)：13階

選用的天線性能：增益11 dBi,,天線波束寬度60°

圖5，圖6是建成后的嵌套式和透波式的PIM測試系統(tǒng)。嵌入式的系統(tǒng)大小受限于溫箱箱體內(nèi)部的大小，透波溫箱的大小取決于放置溫箱箱體的吸波暗室的大小。根據(jù)天線使用的條件和要求，設(shè)計最優(yōu)化的試驗設(shè)備。測試結(jié)果如圖7、圖8所示。嵌入式測試系統(tǒng)測試的溫度范圍是-40 ℃～45 ℃，測試的循環(huán)數(shù)是9次，整個溫度循環(huán)范圍內(nèi)整體PIM數(shù)據(jù)處于-150 dBm以下。透波式的測試系統(tǒng)測試溫度范圍是-20 ℃～90 ℃，測試的循環(huán)數(shù)是3.5次，除了第一個循環(huán)開始有部分?jǐn)?shù)據(jù)有跳動外，后面數(shù)據(jù)整體穩(wěn)定，PIM數(shù)據(jù)處于-150 dBm以下。兩種測試系統(tǒng)測試的數(shù)據(jù)和溫度要求都滿足目前衛(wèi)星天線PIM測試要求。

圖5 嵌套式吸波溫箱PIM測試實物圖Fig.5 Physical map of nested type thermal absorbing PIM test system

圖6 透波式吸波溫箱PIM測試實物圖Fig.6 Physical map of transparent thermal type PIM test system

圖7 嵌套式吸波溫箱PIM系統(tǒng)測試結(jié)果Fig.7 Test result of nested type thermal absorbing PIM test system

圖8 透波式吸波溫箱PIM系統(tǒng)測試結(jié)果Fig.8 Test result of transparent thermal type PIM test system

嵌套式和透波式的PIM測試系統(tǒng),PIM測試射頻鏈路是相同的，最重要的區(qū)別是測試環(huán)境的設(shè)計方面不同。嵌套式側(cè)重點是設(shè)計放置在高低溫環(huán)境中的吸波嵌套箱體，對于箱體的結(jié)構(gòu)選材需要低互調(diào)的金屬支撐結(jié)構(gòu)，一般選擇鋁材，內(nèi)部的吸波材料工作在高低溫度變化下，需要耐高低溫的吸波材料，同時在溫變的環(huán)境下，吸波性能不能受影響。透波的箱體，側(cè)重點選擇透波材料，目前主要有木質(zhì)和介質(zhì)材料，同時材料需承壓和保溫，需要開展相應(yīng)的局部耐壓測試和保溫試驗選材。

4 結(jié)論

兩種PIM測試系統(tǒng)目前已投入到實際的工程實踐中，使用中由于溫度和大功率頻繁作用，加速了吸波材料老化，需要定期監(jiān)測和更換。設(shè)計系統(tǒng)要根據(jù)需要測試的試件尺寸和需要驗證的測試溫度選用何種測試系統(tǒng)。溫度和低PIM的要求，需要根據(jù)材料特性選用，必要時預(yù)先測試材料的特性。