引言

　　在通信系統中，當兩個或兩個以上的射頻信號通過非線性特性的器件傳輸時，合成信號中會產生互調產物（Intermodulation Product，IMP）。當這些互調產物落人鄰近工作的接收機通帶內時，就會形成寄生干擾。

　　在艦載通信鏈路中，由發射機和接收機產生的有源互調干擾，可通過適當的系統隔離控制其最小化，而無源非線性引起的PIM通常不能采用同樣的方法加以抑制。理論上講，無源線性系統不產生新的頻率分量。但是，實際上非線性變化在無源傳輸系統中是不可避免的，只是當載波信號較小時，非線性產生的無源互調產物（Passive Intermodulation Product，PIMP）所引起的無源互調干擾（Passive Intermodulation Interference，PIMI）不大，而不為人們所注意而已。但當載波信號較大時，這種互調干擾就較明顯了。PIMP通常在多載波通信環境中產生，典型的如共用寬帶天饋系統的船載通信系統、地面移動通信基站及衛星地面接收站等，特別是要求大功率發射系統和高靈敏度接收系統同時存在于有限空間的艦船通信系統，其客觀存在的PIMI已不容忽視。

　　1 無源互調概論

　　歷史上，PIM現象首先是在要求收發天線共存于有限空間的艦船上觀察到的——這就是業界稱之為的“銹螺栓現象”（“Rusty bolt effect”），即因天線結構元件銹蝕而產生通信干擾的現象［3j。因此，最早開展PIM研究的就是美國海軍研究所（Naval ResearchLaboratory），于20世紀70年代中期應軍方要求，對因射頻連接器含有鐵磁材料的金屬零件而產生的PIMI問題進行了深入研究，之后建議在美國軍用規范MIL－C－390l2B《射頻連接器通用規范》的修訂版中禁止應用鐵磁材料，強烈要求把鐵磁材料直接排除在外，并提醒通信部門必須警惕由于鐵磁材料引起的潛在問題，這些建議部分體現在以后的MIL-C-39012C版和Mll-PRF-39012版中。在這些版本對材料的要求中，都明確規定所有零件（除氣密封連接器外）都應采用非磁性材料制成，材料磁導率值應小于2.0。另外，還對接觸件中心及殼體采用的材料、鍍層金屬的種類和鍍層的厚度作了具體規定。所有這些都是預防PlMI產生的具體措施。這些要求也部分體現在我國軍標GJB681及其修訂版GJB681A中。

　　1．1 無源互調產生機理

　　PIM是由無源器件的非線性引起的。無源非線性有3種可能的主要模式，一類為接觸非線性，另一類為材料非線性，還有一類就是工藝非線性。前者表示任何具有非線性電流與電壓行為的接觸，如彎折不勻的同軸電纜，不盡平整的波導法蘭盤，松動的調諧螺絲，松動的鉚接、氧化和腐蝕的接觸等；材料非線性指具有固有非線性電特性的材料，如鐵磁材料和碳纖維等；后者指因加工工藝引起的電傳輸非線性。

　　1．1．1 接觸非線性

　　當兩個導電連接器（如：插頭與插座）連接時，根據接觸力大小、力均勻度、接觸面平整度及金屬氧化程度會形成以下幾種接觸狀態：金屬接觸；接觸面之間夾有金屬膜氧化物；接觸面之間夾有絕緣介質；微小空氣間隔；大的空氣間隔。其非線性接觸面及電子模型如圖l所示。

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圖1 接觸非線性表面及其電子電路模型

　　由于表面粗糙度的影響．在微觀上呈現不規則和凹凸不平的接觸表面，主要有以下幾種接觸狀態：

　　金屬接觸部位①和金屬膜氧化物接觸部位②形成電流的主要通道，形成的收縮電阻和膜層電阻可構成導體的接觸電阻。金屬－氧化物－金屬連接處②中的氧化物可能是單分子結構，是依靠隧道效應和穿透薄膜的金屬橋進行導電的，因而屬于半導體接觸導電，是非線性的；在接觸面之間夾有絕緣物質的接觸處③則不導電：電流繞到金屬接觸處通過。在較大空氣間隙處⑤，電流同樣環繞間隙流過。在這兩種情況下，電流遭遇阻抗Z，產生一個間隙電壓，間隙電壓V是潛在的，可能激活任何一個半導體而引起隧道效應和微觀的弧擊穿。接觸面的電容C、電感L和電阻R等成分構成電子線路，其等效電路模型如圖1（b）所示，其V-I特性是非線性的。在微小間隙處④，由于電流的波動或有較強信號時，很容易形成微觀的擊穿，這些不穩定的擊穿，使導致PIM產生的形式具有偶然性，且幅度隨時間而變化。

　　對發生在靠近零電壓區域的不確定接觸非線性，可用圖1（a）來表示。接觸表面接觸狀態的好壞，決定了接觸非線性的程度。接觸非線性產生PIM的機理主要有：

　　（1）點機械接觸引起的機械效應；

　　（2）點電子接觸引起的電子效應；

　　（3）點電子接觸和局部大電流引起的熱效應；

　　（4）強直流電流引起金屬導體中離子電遷移；

　　（5）接觸面的相對運動、振動和磨損；

　　（6）不同熱膨脹系數器件接觸引起熱循環。

　　此外，還有金屬接觸的松動和滑動以及氧化層或污染物的形成。前面提到的美國海軍研究所發現的銹螺栓現象就屬于接觸非線性引起的PIM。

　　1．1．2 材料非線性

　　材料非線性引起PIM的產生機理主要表現在：

　　（1）鐵磁效應。鐵磁材料（鐵、鈷、鎳等）具有大的磁導率，并隨磁場非線性變化，呈現磁滯特性，鐵磁材料能引起很強的PIMP，是產生PIM的主要因素。

　　（2）隧道貫穿。電子通過厚度小于10 nm的電介質薄層直接由一個導體到另一個導體的隧道貫穿，如由氧化層分離的金屬之間的電子隧道效應。

　　（3）接觸電容。由接觸表面薄層和污染層所引起的電容。

　　（4）電致伸縮。電場會引起線度變化，純凈非極性電介質中的電致伸縮現象是同軸電纜中產生PIM的因素之一。

　　（5）磁致伸縮。磁場也能引起線度變化，主要產生于鐵磁材料之內。

　　（6）微放電。材料內可能存在微狹縫和砂眼，真空環境下由強電場產生離子氣體會引起的二次電子倍增放電。

　　（7）空間充電。充電載流子在接觸點進人絕緣體或半導體內，這個效應產生于非均勻內部電場中，在半導體申，由于同時存在電子和空穴，因而可產生很強的非線性電流電壓關系。

　　此外，還有離子導電、熱擊穿和雪崩引起的電介質擊穿、熱離子發射效應等引起的材料非線性。

　　1．1．3 工藝非線性

　　一般的射頻連接器均會進行表面刨光和電鍍工藝處理。加工工藝決定著表面平整度與電鍍層的厚度。過于粗糙的表面和不合適的鍍層厚度將引起無源非線性，進而產生無源互調——這可以用“趨膚效應”加以解釋，即“直流電流在導體中沿著整個橫截面以均勻相等的密度流動，而射頻電流則趨向導體表面的“皮膚”。隨著頻率的增高，這種“皮膚”越來越薄。這種在高頻時電

　　流趨向導體表面流動的現象被稱為“趨膚效應”。盡管目前難以全面說明因電鍍質量產生非線性的機理，但是生產實踐證明，電鍍質量確實影響著PIM產生電平。趨膚深度決定了電鍍層的厚度。

　　射頻電纜／波導與連接器的裝配工藝也影響著PIM指標，這與接觸非線性有著類似的機理。

　　1．2 無源互調的特征

　　已知有源互調是指兩個及以上干擾信號通過接收機前端有源電路的非線性所產生的，只要互調信號頻率等于或接近有用信號頻率，就產生有源互調干擾：

　　（1）有源電路的非線性相對固定，不隨時間而變化。

　　（2）由非線性特性可預知，分析理論相對成熟。

　　（3）指標明確。軍標或規范均能給出明確指標要求。

　　（4）傳輸方向相對穩定。可通過增加帶通／帶阻濾波器或改善濾波器性能加以抑制，高階互調干擾幾近忽略。

　　與有源互調相比，無源互調呈現以下特點：

　　（1）隨功率而變。美國海軍研究所對PIM產生電平與輸入功率之間的關系進行了研究。總體上講，輸人功率越大，PIM越大。美國安費諾公司的實驗證實，輸入功率每變化一個dBm，PIM產生電平變化約3 dBm，業界一般認為1:3的比例基本合理。

　　（2）隨時間而變。材料表面氧化、連接處接觸壓力、電纜彎曲程度等均會隨時間發生改變，進而影響非線性程度，本文后面的示例也證實了這一點。

　　（3）研究理論滯后。無源非線性特性準確預測困難，至今一些現象仍不能完全用理論證實，仿真研究手段未有實質突破，離工程化尚有相當距離。

　　（4）產生環節多，傳輸方向非單一，難以采用傳統手段加以抑制。

　　（5）高階互調存在，且仍令人擔憂。

　　1．3 無源互調的表述

　　把一個頻率為f1、振幅為A1的Vi（t）信號經過一個具有非線性VI特性的無源兩端口元件時，其輸出信號Vo（t）中除基波外，還包含多次諧波：

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　　當兩個以上的信號通過一個非線性網絡時，其輸出信號Vo（t）除基波、各次諧波外，還包含所產生的PIMP的多種成分，再用傳輸方程表述將相當復雜。這里，將PIMP頻率分量fPIM表述為：

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　　式中：m，n均為整數，（|m|+|n|）定義為互調產物的階數。該式可用于表述任何具有多路射頻輸人信號共用非線性傳輸裝置的通信系統，以確定可能產生的PIMP，其頻譜分布如圖2所示。

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圖2 兩個信號通過非線性網絡后產生的頻譜示意圖

　　由圖2可以看出，奇階互調分量毗鄰基波頻率，且分量幅度較大，可能進人接收通帶內，進而形成干擾。對于高階互調與偶次諧波，因偏離基頻較遠，接收機射頻濾波器通常可以濾除掉，因此無源三階互調（PIM3）是關注的重點，通常應在技術指標中予以明確。

　　PIMP通常用dBm或dBc來表示。dBm是以基準量P0＝1mW作為零功率電平（0 dBm）日寸的功率分貝。dBc是在某個規定的載波電平（如20W,即43dBm）基準下的分貝量度。任意功率Px的功率電平定義為：

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　　若在Pf1＝Pf2＝20 W時測得PIM3的電平為－100 dBm，則用dBc表示為：

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