论文部分内容阅读
[摘要] 本文讨论无源互调对移动通信系统造成的影响，基于幂级数模型介绍了一般无源互调器件的无源互调特征及其对通信系统的影响，并提出了通信系统无源互调的预防和抑制措施。
[关键词] 无源互调 通信系统 抑制
引言
随着科技的日益进步，信息和通信对人类所起的作用越来越重要，各种不同类型的通信系统不断更新。为了使自己公司设计的通信系统立于不败之地，在现代移动通信网络中，一般通过一付发射天线发射几个频道（每个频谱的功率为几瓦到数十瓦），发射天线或者同时作为接受天线使用（双工状态），或者至少位于某个接受天线附近，而通道中这些信号通过无源器件的任何相互作用和混合都会引起不需要的混合信号——无源互调产物（PassiveInterModulation产物）。它可以直接到达接收通道或者发射天线到达接收天线，成为影响通信系统性能的干扰信号，使通信系统存在一种潜在危险。 二十世纪六、七十年代，国外有不少通信卫星因PIM产物影响而发生故障。如FLTSATCOM（美国舰队通信卫星）的3阶，MARISAR（美国海事卫星）的13阶，ＭＡＲＥＣＳ（欧洲海事卫星）的43阶以及IS-V（国际通信卫星V号）的27阶等的PIM产物落入接收通带，引起干扰，一度影响了一些国外卫星系统的研制进展和开发使用。近年来，由于通信设施的增加，无源互调问题引起广泛关注。
2. 无源互调干扰及其影响
当两个或两个以上的发射载波在无源器件中相遇时产生的基本信号频率的线性组合产物落入接收通带内，产生无源互调产物。PIM产物称为1阶、2阶、3阶等。奇数阶PIM产物最靠近主发射频率，3阶互调产物通常最强，并且不能通过一般的滤波器方法加以抑制。通常情况下，使用两载波输入时PIM产物之间的频率关系如图1所示。
图1 无源器件非线性的输出频谱
图2无源互调干扰的简化说明图
图2为无源互调干扰的简化模型。这些互调产物以下列基本方式产生，考虑频率分别为f1和f2、电压幅度分别为V1和V2的两个非调制信号，其合成电压为
（1）
当这些信号与非线性器件和材料作用时，输出信号电压是输入信号电压的幂级数，令是依赖于特定非线性的系数。
（2）
代式（1）入式（2）可得分立频率处的信号频谱
（3）
式中m和n为零、正整数或副整数。PIM产物阶数为
（4）
换句话说，如果PIM产物的阶数为N，则PIM产物的频率为
或（5）
两个以上的信号在非线性器件上的相互作用时，PIM产物数目增加得很快。在多频环境下，产物的数目随传输信道数目和PIM产物阶数的增加而急剧增加。例如，三阶和五阶PIM产物数目与传输信道数目的关系如图3所示。
图3 通道数与互调产物数的关系
由于互调产物的幅度随阶数增加而减小，所以较低阶产物更可能引起干扰。然而，由强信号产生的一些高阶产物的幅度也可较很大从而足以引起严重干扰。这种情况通常发生在卫星通信和潜艇通信中，在这类通信系统中，大功率发射机和低噪声接收机位于同一空间，所以即使几十阶的高阶互调也会造成麻烦。另外，一般不考虑偶数阶互调产物，因为它们通常落在通频带之外。由于相同原因，许多奇数产物也可排除。只有那些落入接收通频带内的产物才引起互调干扰。
3.PIM产物的减小措施
一旦知道了无源非线性的类型和机理，就可以采取若干措施使通信系统中的无源互调产物降到最低。为了确保PIM干扰保持在可接受的低电平内，最基本的要对系统的各方面高标准严要求，注意方方面面的细节：如，计划、设计、开发、质量保证、制作、安装、操作和维护。PIM产物的减小措施主要包括以下几个方面：
（1）尽量不使用非线性材料。如果非用不可，那么必须涂上一定厚度的银板或铜板。不要将非线性材料放在电流通道或电流通道附近。
（2）尽可能少用非线性器件（如集总虚拟负载，环形器、隔离器和某些半导体器件）。
（3）在对PIM比较敏感的区域或在容易造成PIM问题的地方，不使用非线性元器件。
（4）导电通道上的电流密度应保持低值。例如，接触面积要大，导体块要大。
（5）使金属接触的数量为最小。例如，使用扼流连接或其它电介质连接，提供足够的电流通道，保持所有的机械连接清洁、紧固。
（6）提高线性材料的连接工艺。如果可能的话，采用捆绑连接，确保连接可靠，无非线性材料、无缝隙、无污染或无腐蚀。
（7）在电流通道上尽可能避免使用调谐螺丝或金属-金属接触的活动部件。如果非用不可，应将它们放在低电流密度区域。
（8）保持最小的热循环。因为金属和材料的膨胀和压缩可产生非线性接触。
（9）使用滤波器和物理分离法尽可能将大功率发射信号和低功率接收信号分开。
（10）一般来说，电缆长度应为最小，使用高质量低无源互调电缆是必要的。
（11）如果高低功率电平不可避免地要使用一个信道，那么降低PIM的出发点应该是合理地选择发射和接收频率。在频域上，收发频率应尽可能离得远些。
（12）进行频率计划时，应认真考虑高阶PIM的频率。
4.结论
综上所述，本文通过对无源互调基本概念的简单介绍，阐述了通信系统（天线）中无源互调对其存在的干扰及影响，并就通信中减少无源互调措施做了讨论。PIM产物已成为通信系统设计和使用时必须考虑的问题。因此，合理有效的设计PIM，以满足未来通信领域的需求。
参考文献：
[1] Pietro Bolli,,Stefano Selleri,and Giuseppe Pelosi.Passive intermodulation on large reflector antennas.IEEE Antennna’s and Propagation Magazine.Oct 2002,44(5):13-20.
[2] Sami Hienonen,Pertti Vainikainen,and Antti V.Raisanen. Sensitivity measurements of a passive intermodulation near-field scanner,IEEE Antenna’sa and Propagation Magazine.Aug 2003.45(4):124-129.
[3] V.Golikov, S.Hienonen,P.Vainikainen.Effect of impedance loading at higher harmonics on passive intermodulation in antemmas.IEEE 2003.378-381.
[4] Stefano Selleri,Pietro Bolli and Giuseppe Pelosi.A time-domain physical optics heuristic approach to passive intermodulation scattering. IEEE Trans on EMC,Feb 2001,43(2)：142-149.
[5] 张世全，葛德彪.通信系统中的无源非线性产生的互调干扰.陕西师范大学学报。March 2004.32(1):58-62.
[6] 李必俊，随机过程，西安电子科技大学出版社，1993.15-18.
[7] 樊昌信，徐炳祥，吴成柯。通信原理。北京：国防工业出版社，1980.265-267.
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”
[关键词] 无源互调 通信系统 抑制
引言
随着科技的日益进步，信息和通信对人类所起的作用越来越重要，各种不同类型的通信系统不断更新。为了使自己公司设计的通信系统立于不败之地，在现代移动通信网络中，一般通过一付发射天线发射几个频道（每个频谱的功率为几瓦到数十瓦），发射天线或者同时作为接受天线使用（双工状态），或者至少位于某个接受天线附近，而通道中这些信号通过无源器件的任何相互作用和混合都会引起不需要的混合信号——无源互调产物（PassiveInterModulation产物）。它可以直接到达接收通道或者发射天线到达接收天线，成为影响通信系统性能的干扰信号，使通信系统存在一种潜在危险。 二十世纪六、七十年代，国外有不少通信卫星因PIM产物影响而发生故障。如FLTSATCOM（美国舰队通信卫星）的3阶，MARISAR（美国海事卫星）的13阶，ＭＡＲＥＣＳ（欧洲海事卫星）的43阶以及IS-V（国际通信卫星V号）的27阶等的PIM产物落入接收通带，引起干扰，一度影响了一些国外卫星系统的研制进展和开发使用。近年来，由于通信设施的增加，无源互调问题引起广泛关注。
2. 无源互调干扰及其影响
当两个或两个以上的发射载波在无源器件中相遇时产生的基本信号频率的线性组合产物落入接收通带内，产生无源互调产物。PIM产物称为1阶、2阶、3阶等。奇数阶PIM产物最靠近主发射频率，3阶互调产物通常最强，并且不能通过一般的滤波器方法加以抑制。通常情况下，使用两载波输入时PIM产物之间的频率关系如图1所示。
图1 无源器件非线性的输出频谱
图2无源互调干扰的简化说明图
图2为无源互调干扰的简化模型。这些互调产物以下列基本方式产生，考虑频率分别为f1和f2、电压幅度分别为V1和V2的两个非调制信号，其合成电压为
（1）
当这些信号与非线性器件和材料作用时，输出信号电压是输入信号电压的幂级数，令是依赖于特定非线性的系数。
（2）
代式（1）入式（2）可得分立频率处的信号频谱
（3）
式中m和n为零、正整数或副整数。PIM产物阶数为
（4）
换句话说，如果PIM产物的阶数为N，则PIM产物的频率为
或（5）
两个以上的信号在非线性器件上的相互作用时，PIM产物数目增加得很快。在多频环境下，产物的数目随传输信道数目和PIM产物阶数的增加而急剧增加。例如，三阶和五阶PIM产物数目与传输信道数目的关系如图3所示。
图3 通道数与互调产物数的关系
由于互调产物的幅度随阶数增加而减小，所以较低阶产物更可能引起干扰。然而，由强信号产生的一些高阶产物的幅度也可较很大从而足以引起严重干扰。这种情况通常发生在卫星通信和潜艇通信中，在这类通信系统中，大功率发射机和低噪声接收机位于同一空间，所以即使几十阶的高阶互调也会造成麻烦。另外，一般不考虑偶数阶互调产物，因为它们通常落在通频带之外。由于相同原因，许多奇数产物也可排除。只有那些落入接收通频带内的产物才引起互调干扰。
3.PIM产物的减小措施
一旦知道了无源非线性的类型和机理，就可以采取若干措施使通信系统中的无源互调产物降到最低。为了确保PIM干扰保持在可接受的低电平内，最基本的要对系统的各方面高标准严要求，注意方方面面的细节：如，计划、设计、开发、质量保证、制作、安装、操作和维护。PIM产物的减小措施主要包括以下几个方面：
（1）尽量不使用非线性材料。如果非用不可，那么必须涂上一定厚度的银板或铜板。不要将非线性材料放在电流通道或电流通道附近。
（2）尽可能少用非线性器件（如集总虚拟负载，环形器、隔离器和某些半导体器件）。
（3）在对PIM比较敏感的区域或在容易造成PIM问题的地方，不使用非线性元器件。
（4）导电通道上的电流密度应保持低值。例如，接触面积要大，导体块要大。
（5）使金属接触的数量为最小。例如，使用扼流连接或其它电介质连接，提供足够的电流通道，保持所有的机械连接清洁、紧固。
（6）提高线性材料的连接工艺。如果可能的话，采用捆绑连接，确保连接可靠，无非线性材料、无缝隙、无污染或无腐蚀。
（7）在电流通道上尽可能避免使用调谐螺丝或金属-金属接触的活动部件。如果非用不可，应将它们放在低电流密度区域。
（8）保持最小的热循环。因为金属和材料的膨胀和压缩可产生非线性接触。
（9）使用滤波器和物理分离法尽可能将大功率发射信号和低功率接收信号分开。
（10）一般来说，电缆长度应为最小，使用高质量低无源互调电缆是必要的。
（11）如果高低功率电平不可避免地要使用一个信道，那么降低PIM的出发点应该是合理地选择发射和接收频率。在频域上，收发频率应尽可能离得远些。
（12）进行频率计划时，应认真考虑高阶PIM的频率。
4.结论
综上所述，本文通过对无源互调基本概念的简单介绍，阐述了通信系统（天线）中无源互调对其存在的干扰及影响，并就通信中减少无源互调措施做了讨论。PIM产物已成为通信系统设计和使用时必须考虑的问题。因此，合理有效的设计PIM，以满足未来通信领域的需求。
参考文献：
[1] Pietro Bolli,,Stefano Selleri,and Giuseppe Pelosi.Passive intermodulation on large reflector antennas.IEEE Antennna’s and Propagation Magazine.Oct 2002,44(5):13-20.
[2] Sami Hienonen,Pertti Vainikainen,and Antti V.Raisanen. Sensitivity measurements of a passive intermodulation near-field scanner,IEEE Antenna’sa and Propagation Magazine.Aug 2003.45(4):124-129.
[3] V.Golikov, S.Hienonen,P.Vainikainen.Effect of impedance loading at higher harmonics on passive intermodulation in antemmas.IEEE 2003.378-381.
[4] Stefano Selleri,Pietro Bolli and Giuseppe Pelosi.A time-domain physical optics heuristic approach to passive intermodulation scattering. IEEE Trans on EMC,Feb 2001,43(2)：142-149.
[5] 张世全，葛德彪.通信系统中的无源非线性产生的互调干扰.陕西师范大学学报。March 2004.32(1):58-62.
[6] 李必俊，随机过程，西安电子科技大学出版社，1993.15-18.
[7] 樊昌信，徐炳祥，吴成柯。通信原理。北京：国防工业出版社，1980.265-267.
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”