通信系統無源互調抑制技術研究進展

任天雄,陳 雄,,3,劉任之

(1.天津大學 微電子學院,天津,30072;2.南方科技大學 電子與電氣工程系,深圳 518055;3.香港中文大學 電子工程學系,香港 999077)

0 引言

無源互調(passive intermodulation,PIM)是一種常見的非線性失真,主要是指當兩個或者多個不同頻率的載波信號通過無源器件時,由于器件的非線性導致產生新頻率干擾信號的現象。無源器件的非線性通常較弱,使得無源互調產物的強度一般遠低于載波信號的強度,可能也低于熱噪聲的強度,所以很多通信系統可以忽略PIM產物的影響。但在載波功率高、收發系統距離近或接收機靈敏度高的系統中,PIM信號可能會造成干擾,從而降低通信質量?，F代通信系統的頻譜資源日益緊張,共站、共址現象更加普及,接入系統的各種終端數量也在與日俱增,更加劇了互調干擾的危害。隨著通信系統向著大功率、寬帶、高密度、高集成的方向發展,互調干擾受到日益增加的關注。

互調產物的頻譜分布圖如圖1所示。PIM產物的階數定義為載波信號f1和f2的系數絕對值之和。偶數階的PIM產物與載波信號頻帶相距很遠,一般不會落入接收頻帶,因此,對于通信系統的影響也很小,而奇數階的PIM產物則容易落入接收頻帶造成干擾,并且無法使用濾波器濾除。PIM產物的功率會隨階數的增加而迅速降低,所以3階PIM產物作為最低階的PIM產物,造成的危害最大。但當系統中的射頻發射功率足夠大時,即使是高階的PIM產物相對載波頻率很小,由于接收機靈敏度很高,也會引起嚴重干擾,這種現象在衛星通信系統中較為常見,例如歐洲海事衛星MARECS的43階產物和國際通信衛星IS-V的27階產物落入接收頻帶[1]。雙載波情形下的低階PIM產物通道數較少,干擾信號往往產生于單個頻點,然而如果載波數量不斷增加,PIM產物的通道數也會隨之急劇增加,最終呈現出寬帶噪聲的特性[2]。

圖1 無源互調產生原理示意圖及產物頻譜圖Fig.1 Schematic of PIM generation and spectrum of PIM product

為了解決互調干擾造成的危害,針對PIM產生過程以及干擾機理,研究人員從不同角度入手提出了許多方法。文章將分別從微波器件的低PIM設計、PIM影響因素建模研究、PIM源定位、PIM信號數字處理、引入互調信號實現對消等方面對無源互調抑制與對消技術進行綜述和展望。

1 無源互調產生機理

抑制無源互調的生成可以確保通信系統的正常工作[3]。在無源器件的應用中,溫度、銹蝕、氧化、應力等多種因素都會導致PIM產物的生成,通過建模研究不同影響因素與PIM幅度之間的關系,可以得出主要的影響因素從而避免PIM產物生成。

無源器件中可能產生非線性的半導體效應很多[4-6],并且影響因素之間還會耦合,使得對于PIM產物生成的物理建模十分復雜。因此,尋找主要的影響因素是抑制PIM產物生成的基礎。無源互調的產生機理可以分為接觸非線性、材料非線性、分布非線性等方面[7]。

對于接觸非線性的研究大多數基于對于接觸界面進行建模,通過考慮表面粗糙度、應力、氧化等不同因素,來建立這些影響因素與互調產物幅度之間的關系式,這類研究是PIM機理研究中熱度最高的。2017年,Zhao X L等[8]對于對金屬-絕緣體-金屬(MIM)接觸非線性產生的PIM干擾進行了分析建模,提出PIM產物主要由模型中的接觸電阻、表面電流密度和非線性電流系數決定,實驗證明降低這三個影響因素,PIM電平分別降低60、60、20dB/10倍。文章還推導了矩形波導連接的PIM產物方程。Yang H P及其團隊[9]在2018年建立了松動連接器的接觸面模型,研究接觸表面附加阻抗和接觸電流對PIM產物的影響,提出接觸電流與接觸角成正比,并通過雙音測試,證明了模型的正確性。同年,Chen X等[10]提出了利用蒙特卡洛方法來研究同軸連接器的接觸非線性,相對傳統方法,引入統計學方法后可以預測互調產物的置信區間。2019年,Jin Q Y及其團隊[11]運用內導體橫截面的有限元模型研究了不同材料、不同涂層厚度和黃銅中不同鐵含量對于PIM產物的影響,分析了PIM產物與電流密度分布之間的關系,通過實驗驗證了理論分析的正確性。該研究對于低PIM連接器的設計具有重大意義。2021年,Jin Q Y等[12]提出了一種連接器互調產物預測模型,該模型還考慮了PIM的功率和頻率依賴性。該等效電路模型結合了材料非線性和接觸非線性,同時考慮了隧穿效應等物理效應中的參數,可以準確預測連接器的三階互調產物。

磁滯非線性效應是磁性材料導致PIM的主要原因,當前主流的分析方法是利用瑞利模型對鐵磁材料進行建?；蛘呋趯嶒灁祿M行建模。2013年,Sabata A.等[13]利用瑞利模型來研究全球移動通信系統(global system for mobile communications,GSM)信號傳輸和處理的設備結構中由鐵磁材料夾雜物引起的互調失真問題,通過基于鐵磁材料構建的同軸傳輸線進行實驗,驗證了模型的正確性。2017年,Chen X等[14]對可重構鎳涂層陣列上的PIM進行了研究,將駐波磁場引入PIM產生的分析中,證明了PIM產物強度和磁場強度的關系。PIM產物幅度與陣列中鎳單元數量關系如圖2所示,初步證明了使用分布式非線性源合成互調產物的可行性,為之后用于對消的非線性源的研究開拓了方向。葉鳴等[15]于2020年研究了鐵磁材料鎳的PIM產生機制,模型主要基于磁疇疇壁的非線性振動過程。實驗驗證了鎳材料長度對三階PIM產物的影響,還證明了外加偏置直流磁場可以抑制鎳的互調電平,為PIM抑制提供了新思路。

圖2 陣列結構及測試結果Fig.2 Structure and test result of cell array

由于尺度效應引起的互調產物幅度較小,因而這方面的研究相對較少。尺度效應主要指物理定律的適用范圍具有一定的尺度限制,不能隨意由宏觀向微觀或者由有限長度向無限長度推導。對于在傳輸線上均勻分布的非線性,不能簡單采用點源模型進行推導,需要考慮尺度效應的影響。2008 年,Zelenchuk D等[16]首次提出了一種具有分布非線性源的傳輸線長度模型來模擬PIM的產生機理,并通過對微帶線PIM產物的近場測量進行驗證,確定了可能的PIM抑制方法。首次表明在具有分布非線性的匹配傳輸線中,反向PIM產物由非線性散射產生。2011年,他們在考慮損耗和色散的情況下推導了PIM產物與傳輸線長度之間的關系,分析了PCB傳輸線寬度、長度、厚度、基底幾何參數對PIM產物的影響,為低PIM的PCB板設計提供了指南[17]。2021年,Chen X等[18]基于分布非線性模型研究了雙向PIM產物,分析了典型二端口網絡中的PIM產物定向分布效應,首次指明了具有一定尺度效應的微波器件傳輸與反射PIM產物的關系,為PIM產物的雙向對消的實現提供了參考。

隨著仿真技術與實驗測量技術的發展,對PIM產物建模研究時可以考慮更多微觀的物理參數,探究這些微觀參數與宏觀的影響因素之間的關系,并通過實驗驗證得出主要的影響因素。通過對于PIM產生機理的研究,可以更精準地預測PIM產物,對于低PIM器件設計、PIM生成抑制、PIM信號數字處理等方面都有很大的意義。

2 無源互調產物的抑制

雖然目前已經有行業標準從表面處理以及連接器加固等角度實現PIM產物生成的抑制,并且低PIM線纜、連接器等器件發展如火如荼,但是在實際復雜的使用環境中,PIM產物生成依舊難以避免。因此使用互調對消解決PIM失真成為研究熱點。

2.1 低PIM器件設計

近年來,學術界提出了一系列低PIM無源器件設計方法。2013年,Christianson等[19]提出了一種利用匹配網絡實現的低PIM天線接口。在同軸連接器前接入λ/4阻抗變化單元,可以減少流過連接器的電流量從而減小互調失真。實驗表明將互調源的輸入阻抗從50歐姆轉化至285歐姆,可以在最小化影響連接器傳輸特性的前提下實現減少互調信號強度20dB以上。2018年,Chen X等[20]提出了圖3所示的基于間隙波導技術的低PIM非接觸式波導法蘭,降低波導連接中接觸非線性引起的PIM。實驗結果表明,該器件不僅具有更小的尺寸,而且測得的最大PIM電平比傳統波導法蘭降低了30dB,并且該結果幾乎不受表面電鍍材料和接觸應力的影響。這種采用非接觸式結構代替金屬接觸結構從而消除接觸非線性的方法是最近的研究熱點之一。2018年,Kozlov D及其團隊[21]提出了一種低PIM的PCB結構,可以降低由微帶線邊緣粗糙度導致的電流驅動非線性效應。其原理為使用高介電常數的材料覆蓋微帶線邊緣可以降低電場強度。實驗結果證明,適當的選擇涂層材料的電氣和幾何參數,可以在不改變微帶線的特征阻抗和插入損耗等信號參數的情況下,降低三階互調產物電平達10dB。

圖3 折疊無接觸波導法蘭設計圖Fig.3 Sketch of the folded contactless waveguide flange

2.2 PIM信號數字域優化

2019年,Miao X Q及其團隊[22]提出通過對衛星通信中產生的PIM產物進行數字信號處理來抑制互調干擾。他們通過在數字域建模PIM失真信號來預測高階PIM信號,基于重建的PIM信號采用最小均方算法自適應減輕PIM干擾,實驗證明該方法可以降低互調干擾抑制幅度達20dB。2020年,Waheed等[23]提出了通過使用原始發射數據作為參考來消除收發機數字前端中的PIM。他們設計的數字消除和參數估計解決方案的性能和處理復雜性通過實驗測量進行評估,結果表明提出的消除器是可行的,可以將自干擾抑制超過20dB。Lampu V等[24]于2021年針對頻分雙工(FDD)收發機系統中空間感應PIM的影響,對基站接收機處感知到的PIM干擾建立了模型,并利用該模型生成PIM信號的估計值,從接收到的數據中抑制PIM信號,其原理如圖4所示。

圖4 參數估計與互調對消原理圖Fig.4 Procedure of parameter estimation and intermodulation cancellation

實驗表明,使用開發的數字抵消解決方案,可將接收到的空氣感應PIM產物抑制超過20dB,在可實現的PIM產物抵消方面前景廣闊[24]。數字對消方面的研究還處于起步階段,通?；趯IM產物功率的預測,抑制的效果很大程度上受限于預測的準確度,對于用于預測的算力具有一定要求。除了基于產物估計生成新信號進行對消的方法外,還有很多數字處理方法可以實現互調對消。方天琪等[25]利用PIM的時變性和間斷性特點,提出可以利用LDPC信道編碼技術在無源互調干擾下有效改善通信質量。

2.3 模擬域的PIM對消

如果能夠在受互調干擾的系統中引入與干擾信號幅度相同、相位相反的PIM信號,就可以實現PIM信號對消從而消除干擾。引入PIM信號可以直接引入特定幅度相位的PIM信號,或者通過反饋網絡、中介層等引入系統本身的PIM信號,也可以在系統中添加新的非線性源。

2008年,Li L等[26]通過將合成的三階互調產物信號注入X波段的行波管(TWT)功率放大器,實現了降低其三階互調產物的效果,最大降低幅度達15.74dB。同年,Henrie J等[27]提出在微波網絡中添加非線性中介層網絡,該網絡產生的PIM用來降低系統總反射PIM。實驗中使用N型連接器作為PIM源,調整傳輸線的長度來調節合適的相位,結果表明該中介網絡抵消系統PIM幅度達24dB。2009年,該團隊提出了在同軸電纜上鍍不同厚度鎳和金鍍層來制造不同幅度的PIM對消源,通過理論推導了鍍層厚度與IM幅度之間的關系式。實驗證明,相比于引入中介網絡的方法,該方法可以提高無源互調對消的精度和帶寬[28]。利用鎳鍍層做非線性源雖然是無源的,但是不可調節,需要對于不同系統的PIM制定不同鍍層厚度的連接器。為了實現對消方法的廣泛應用,需要制造可調節的非線性源。

2020年,Chen X等[29]提出,通過在低PIM無源微帶線周圍放置鐵氧體盤,通過調節鐵氧體盤的位置來調節PIM信號幅度與相位,將其引入系統實現對消PIM產物,實驗證明可以減小系統PIM達20dB。2020年,Jin Q Y等[30]對于不同的對消方法進行了仿真比較,詳細分析了每種方法的優缺點。通過實驗發現加入三階PIM產物信號可以實現雙向抑制,引入反饋網絡方法的對消幅度最大,而插入PIM源在低功耗系統中最有效最經濟。該研究為不同條件下選取不同對消方法提供了參考。2022年,Chen X等[31]提出了一種寬帶可調非線性源,可以實現65dB的幅度動態范圍和2π相位調節范圍。該非線性源利用微帶線介質基板內部具有場強梯度的電磁場作為激勵源,肖特基勢壘二極管位于基板腔體內部作為非線性源,可通過調節二極管位置實現互調產物幅度和相位的調節。通過實驗證明在系統內有單個及多個非線性源時,使用該可調非線性源均可實現對消。如表1所列,可以明顯看出該方案在性能方面的優越性。該非線性源可預先接入通信系統中,當系統收到互調干擾影響時,通過調節產生互調信號的幅度和相位,實現互調對消。

表1 非線性源性能對比Tab.1 Comparison of different nonlinear sources

3 結論

從最近國內外無源互調研究趨勢來看,產生機理依然是研究重點,以實際應用為導向的無源互調抑制方面的研究也成為了熱點?；フ{抑制方面的技術研究正從單一應用場景下的特定解決方案向著提出能夠解決不同頻帶、不同互調產物幅度的普適性方案發展,系統級互調抑制技術也受到更多關注[36]。

(1)設計低PIM器件可以實現重點改善系統中易產生互調產物的連接部位、器件,可以一定程度上避免焊接、螺栓等帶來的接觸非線性干擾,但是這些器件一般需要結合特定的制造工藝,其大規模應用仍需考慮成本、生產效率等因素。

(2)數字信號對消方法是利用建模及算法對PIM產物功率進行預測,根據預測值來構造對應的對消信號,從而實現PIM抑制。因此這種方法的抑制幅度往往取決于預測精度。但其在衛星通信系統中有著較好的應用前景。

(3)通過引入對消信號、中介層、非線性源等方法來實現PIM的模擬域對消。由于引入通信系統的對消信號一般具有較寬的幅度范圍,該方法在衛星通信、遠洋船舶等場景都有著應用潛力。

隨著對PIM機理研究的不斷深入,以及多種PIM抑制方法的發展,無源互調失真造成的影響一定會越來越小。