无源互调概念简介和研究进展

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来源： eefocus

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1 引言

随着我国长寿命大容量空间卫星有效载荷技术的不断发展，微波部件承受的功率越来越大，这对微波部件的抗无源互调设计技术提出了更高要求。无源互调现象一旦产生将造成严重后果，噪声电平提高，使系统不能正常工作，严重影响了大功率微波部件的性能，甚至威胁整个卫星的使用寿命。为了减少地面设备的体积和重量，增强地面设备的机动性，同时为了提高卫星接受灵敏度，星载天线口径越来越大，有的达到几十米。在天线尺寸较小时，暂且可以使用收发分开的方式来避免无源互调问题，但是对于几十米口径的天线进行收发分开两套天线，其代价太大。因此研究大功率微波部件特别是星载大型反射面天线低无源互调设计方法已迫在眉睫[1-4,17]。

本文对无源互调的概念进行了简单介绍，重点从无源互调机理、数值模拟、低无源互调设计以及无源互调测试与诊断技术四个方面阐述了近年来的研究进展，对无源互调技术的发展趋势进行了总结。

2 无源互调的概念

无源互调（Passive-Intermodulation, 简称PIM）是在大功率条件下，当输入两个或者两个以上载波时，由于微波部件的非线性产生载波的不同谐波的和或差频信号的现象[3]，如图1所示。

当输入功率较小时，无源部件可以认为是线性器件。但当输入功率较大时，无源部件非线性就不可忽略，会产生微弱的PIM产物。PIM 产物在发射系统中检测不到，因为它们远远低于热噪声电平，不会影响发射信号的质量，但这些微弱的PIM产物一旦被耦合到接收机中，如果落入接收频段就会远远超过接收机的热噪声最低限，并大大降低接收机的灵敏度，从而影响整个通信系统的正常工作，严重时可使整个系统处于瘫痪状态。

图1 无源互调产生的频谱分布图

3 无源互调效应研究进展

国外针对航天器载荷研制的需求，自上世纪末期投入大量的研究经费持续开展航天器大功率微波部件无源互调的机理、预测、抗无源互调设计、测量与诊断方法等方面的研究，尤其以美国、欧洲和加拿大最为重视。NASA与TRW AstroAerospace、LockheedMissiles&Space Company、Space Systems/ Loral公司以及多家大学联合开展了无源互调研究，初步形成了整体分析、设计和测试解决多频段、多频率无源互调问题的思路与方法。ESA与瓦伦西亚工业大学、德姆施塔特理工大学以及佛罗伦萨大学等多家单位联合开展波导连接结的接触非线性无源互调特性研究，并进行了理论预测和实验测量，同时开展了表面处理对接触非线性无源互调的影响研究。加拿大宇航局David Florida 实验室、COM DEV公司也开展了低无源互调微波部件设计及实验验证方面的研究。下面从无源互调机理、数值模拟、低无源互调设计以及无源互调测试与诊断技术四个方面对无源互调的研究进展进行综述。

（1）在无源互调的机理研究方面：

大量研究表明无源互调主要是由材料非线性、接触非线性和表面非线性引起的，但产生以上三种非线性的原因多种多样，这就导致产生无源互调的机理错综复杂。目前认为材料自身的非线性、由于接触形成的绝缘体-金属-绝缘体（MIM）结构产生的非线性隧穿电流[8]、表面污染所引起的接触电容以及由于表面污染引起的局部场增强效应进而引发场发射和二次电子倍增效应是引起无源互调的主要因素。铁磁材料是重要的无源互调源，这是因为在外加电场的作用下铁磁材料中磁畴取向一致，从而使得磁导率显著增强。常见的铁磁性材料有铁、镍、钴以及这些金属的合金、镧系元素、镁与铝的合金等。介质材料无源互调问题也受到极大的关注，2005年英国贝尔法斯特王后学院开展了微带线和多层PCB结构中无源互调产生机理及抑制方法研究[5]，对介质、导带以及两者的结合部产生的无源互调分别进行了研究，研究了长度、衬底材料微带线制作工艺对微带线无源互调的影响，图2为微带线无源互调随长度的变化曲线。

图2 微带线无源互调研究结果

加拿大COM DEV公司开展了基于隧道效应原理的同轴开关PIM研究[6]，指出MIM接触结是最重要的PIM源，不同的磨损、腐蚀以及不同的表面粗糙度也会对PIM电平产生很大影响。图3为基于隧道效应原理确立的接触结I-V特性。同时德姆施塔特理工大学C.Vicente等人也采用隧穿电流和热发射电流来进行金属接触结I-V特性的建模，这在后一节中会详细介绍。

图3 基于隧道效应原理确立的接触结I-V特性

（2）在无源互调的数值模拟研究方面

ESA对金属连接MIM结构产生的无源互调进行了数值模拟研究[7]。该研究工作从常用的空间大功率微波波导部件法兰结构入手，如图4所示，建立其表面拓扑模型和力学模型，采用高斯分布来描述接触结表面突起的高度分布，如图5所示，建立了外界压力与金属结表面接触面积之间的关系，研究量子隧穿效应和热发射现象引起的非线性电流-电压特性，运用幂级数法对三阶无源互调分量随表面粗糙度、膜层厚度、外部压力以及输入功率的变化规律进行了预测，其计算结果如图6所示，同时在三阶无源互调测量结果已知时可以对高阶的无源互调进行预测，并进行了实验验证。其研究成果已集成到FEST3D软件中，如图7所示。