大功率微波部件多载波无源互调分析与实验验证

魏焕，王新波，白鹤，崔万照

中国空间技术研究院 西安分院 空间微波技术重点实验室，西安 710100

现代通信系统(如卫星通信系统、移动通信网络和航空电子系统)，由于发射天线同时也作为接收天线使用(收发双工)，或者至少发射天线位于接收天线附近，大功率发射机和高灵敏度接收机处于有限空间内，结果产生了一种必须加以抑制的新的互调干扰源—无源互调(passive intermodulation, PIM)。由于发射系统中各种无源部件都存在一定程度的非线性特性，在大功率、多通道系统中，这些无源部件的非线性会产生比工作频率更高次的谐波，谐波与工作频率混合会产生一组新的频率，最终在空中产生一组干扰频谱影响正常的通信[1-2]。以发射两个载波为例，由于微波无源部件的非线性导致载波信号相互调制，产生载波频率的组合产物落入接收通带内造成干扰的现象。卫星通信系统受平台空间限制要求收发共用，同时卫星通信中对PIM要求比地面高很多，如典型值地面PIM要求2×43@153 dBc，卫星通信PIM要求2×53@193 dBc，即卫星通信比地面通信对PIM的要求高40 dB，更加严格[3-4]。

随着新一代卫星载荷技术向更高功率、更宽频段、更高灵敏度接收的方向发展，卫星系统工作性能的可靠性备受关注。当输入功率增大时，产生的PIM功率电平也会相应增大，对通信系统造成的干扰就会更加严重，一旦发生轻则使接收系统信噪比降低，误码率升高，影响整个通信系统的正常工作，严重时互调产物淹没接收信号，导致通道阻塞，通信中断，使整个系统处于瘫痪状态。

常见的PIM分析通常用两个载波分析部件或者系统PIM，而实际移动通信系统工作中往往是多路载波同时工作[5]，工程中一般采用总输入功率相同的两个边频载波的PIM估算多载波PIM。工程中采用双载波近似分析多载波的依据是：1)输入总功率相同条件下，多载波是两个边频载波功率展开分布，单个频率点输入功率电平较低；2)低阶PIM通常比高阶PIM的量值高多个数量级，两个边频产生的PIM落入接收带内的PIM阶数比多载波的低，在不考虑多载波相位分布和相同频率点不同类型PIM叠加的条件下，这种近似分析可以简化分析与试验验证。

国内外已开展了多载波PIM分析研究，对多载波PIM阶数与类型进行了分析计算[6-7],同时采用实验研究了多载波贡献载波对PIM功率电平的影响[8-9]。本文提出了多载波PIM频率与系数组合计算分析方法，采用非线性模型对多载波PIM进行了估算[10-11]，可为大功率微波部件PIM分析设计提供指导。

1 多载波PIM分析

多载波PIM分为两种情况：同一频段内多个载波产生PIM和多个频段之间的PIM。对于这两种多载波PIM分析方法有所不同：1)同一频段内多载波PIM通常采用上边频(f1)与下边频(f2)两个频率PIM的分析测量来等效计算频带内多个载波的PIM问题，移动通信频段内PIM如图1所示；2)移动通信系统间的PIM如图2所示，卫星通信多个子系统之间的干扰如表1所示，一般采用合理的频率规划来避免多载波PIM。

图1 移动通信系统内的PIMFig.1 PIM in a mobile communication system

图2 移动通信系统间的PIMFig.2 PIM among mobile communication systems

表1 卫星典型频率组合与PIM阶数[12]

2 多载波PIM分析方法

对于多载波PIM分析方法主要包含两个方面，一是PIM频率分布及类型的确定，二是PIM功率电平的确定。

2.1 多载波PIM频率分布及阶数的计算

由表2和表3可以看出，多载波PIM数量多，相同阶数的PIM可对应多个PIM频率点，且包含至少一个载波系数组合，即不同阶数、PIM频率点、贡献载波数(系数组合中非零项的总和即为对应频点PIM贡献载波的数量)、PIM数量这4个因素共同交织在一起构成了多载波PIM的复杂性。

根据文献[13]分析，相同PIM阶数、不同频率点的PIM功率电平，由于贡献载波数不同导致PIM功率电平分布在较宽范围。因此，在实际的频率设计中，对于PIM需要考虑3个方面。第一，计算接收频带内PIM频率点的分布与PIM阶数；第二，找出PIM阶数最低的频率点；第三，计算PIM阶数最低频率点的PIM功率电平，判断其是否满足设计指标要求。

对于发射载波等间隔分布与非等间隔分布两种情况，还需要详细计算PIM频率点的分布、PIM阶数和贡献载波数。因此，对于接收灵敏度要求高的系统应详细分析多载波PIM频率及分布。

表2 PIM阶数与对应的互调数量

表3 3阶PIM频率分布与对应的系数组合

2.2 多载波PIM功率电平的确定

通常情况下，确定多载波PIM功率电平有两种途径。一种是直接测试，搭建多载波PIM测试系统，按照第2.1小节方法计算多载波PIM频率分布，实验测量多载波对应的PIM频率分布点的功率电平；另一种是通过双载波实验测量来分析计算多载波PIM电平。

近年来，研究者提出通过双载波测量估算多载波PIM电平的方法：一种是通过双载波PIM测量数据，再采用合适的PIM非线性计算模型预测多载波PIM功率电平[14-17]；另一种是通过输入与多载波总功率相等的两路载波测量PIM功率电平，再留有一定系统设计余量保证多载波系统PIM问题不会发生。两种多载波PIM功率电平确定方法优缺点如表4所示。

表4 多载波PIM电平确定方法总结

目前的方法都存在一个普遍问题，即实验或者计算过程中没有考虑多载波输入信号相位分布问题，这有两方面原因：1)实验测试中增加输入多载波信号相位控制功能对测试试验系统要求较高，实现难度大大增加，而出现某种相位组合条件PIM功率电平的时间相对较短，且对系统不会产生危害性影响；2)多载波PIM功率电平随发射载波相位变化分布范围相对较大，但随相位变化分布的变化范围与随PIM阶数的变化相比可以折中考虑，实际中采用双载波输入总功率与多载波输入总功率相等的条件进行实验测试一般就可以满足指标要求。

3 实验验证

对TNC双阴连接器开展输入总功率相同条件下两路和四路载波的PIM试验。两路波频率设定为2.16 GHz和2.205 GHz，4载波频率设定为2.16 GHz、2.175 GHz、2.19 GHz和2.205 GHz，接收频带为[2.04 GHz,2.08 GHz]，输入总功率50 dBm。

对于两路载波输入，接收频带内产生1个PIM频点，即2.07 GHz；对于4路载波输入，接收频带内共产生9个PIM频率点，即2.04 GHz、2.045 GHz、2.05 GHz、2.055 GHz、2.06 GHz、2.065 GHz、2.07 GHz、2.075 GHz和2.08 GHz。设定4载波PIM计算接收带内最高PIM阶数为9阶时，共产生40个4路载波系数组合。考虑PIM系统中5阶及其更高阶数的检测灵敏度达-140 dBm，表5列出了系统可检测到的PIM功率电平的频率点和对应的系数组合。

表5 PIM频率点及系数组合

由表5可以看出4路波系数组合复杂，同一个PIM频率点包含多个阶数的PIM，且贡献载波不同，不同类型的PIM相互叠加在一起。分析接收带内3个可检测的PIM频率点，可以看出两路载波在2.07 GHz处产生1个5阶PIM；4路载波分别在2.04 GHz处产生1个7阶PIM和1个9阶PIM，且均为3个贡献载波，在2.055 GHz处共产生4个7阶PIM，包含3个贡献载波和4个贡献载波的组合，在2.07 GHz处产生1个包含2个贡献载波的5阶PIM、2个包含3个与4个贡献载波的7阶PIM、1个包含3个贡献载波的9阶PIM。

采用文献[11]出的复合指数非线性模型计算PIM，采用TNC双阴连接器的双载波测量数据估计PIM非线性模型参数，根据非线性模型计算接收带内4载波PIM电平。图3给出了计算和实验结果，可以看出接收频带内双载波PIM功率电平最高，非线性模型计算4载波功率电平与实验测试结果误差最大值小于5 dB。结合表5的分析与图3的结果可以看出：接收带内最低阶PIM相同的条件下，输入总功率相同时两路载波PIM功率电平比4路载波功率电平高。初步分析是由于4路载波PIM功率在接收带内PIM功率分散在不同频率点上，且可能包含4路载波相位等因素导致其PIM功率电平相对较低。

图3 TNC双阴连接器PIM测试结果Fig.3 Test result of TNC-KK Connector on PIM

4 结束语

根据本文提出的PIM频率及分布类型分析方法，可计算多载波PIM具体分布，其方法简单；结合非线性模型可以预测接收频带内PIM功率电平，可对多载波系统的PIM作初步评估。实验和计算结果表明，在不考虑多载波相位分布条件下，接收频带内双载波PIM功率电平比多载波高。但随着载波数量的增加，接收频带内多载波产生的PIM会更加复杂，考虑多载波PIM测试实验平台的成本和复杂度，采用双载波等效验证实验来评估PIM需充分考虑系统载波数，通过计算评估等效实验可靠性。