5G 和衛(wèi)星通信中無源互調(diào)電磁干擾研究

無源互調(diào)（PIM）指當(dāng)兩個(gè)或以上的信號(hào)通過無源器件時(shí)，由于其非線性特性產(chǎn)生互調(diào)失真信號(hào)的一種現(xiàn)象。當(dāng)互調(diào)信號(hào)落入接收通帶時(shí)，會(huì)降低接收機(jī)的靈敏度，導(dǎo)致通信系統(tǒng)的性能下降，對通信質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)向高密度、高集成、廣域覆蓋的方向快速發(fā)展，以及各種無線接入終端數(shù)量的大幅增加，當(dāng)前的頻譜資源變得尤為稀缺。

與此同時(shí)，各種頻譜雜散導(dǎo)致的電磁干擾問題層出不窮，其中解決非線性導(dǎo)致的頻譜干擾問題最為迫切?；フ{(diào)干擾就是一種典型的非線性干擾，在多頻譜環(huán)境中尤為常見。相比于有源互調(diào)，無源互調(diào)具有影響因素復(fù)雜、難于檢測和抑制的特點(diǎn)。通常，由于無源器件自身寄生非線性微弱的特點(diǎn)，無源互調(diào)的干擾危害在大功率環(huán)境中較為顯著。隨著通信頻譜使用的日益密集、高功率發(fā)射機(jī)以及高靈敏度接收機(jī)的逐漸應(yīng)用以及共站、共址現(xiàn)象的更加普及，無源互調(diào)成為無線通信系統(tǒng)揮之不去卻又無法避免的干擾源，正受到越來越多的重視。

通常情況下，對地面基站系統(tǒng)而言，無源互調(diào)顯著水平必須控制在 -112 dBm@2×43 dBm 以下，也即相對載波功率 -155 dBc 以下通信鏈路才能正常運(yùn)行。對于衛(wèi)星通信的超遠(yuǎn)距離，超大發(fā)射功率與極高接收靈敏度共存條件下，PIM 指標(biāo)需要抑制到相對載波功率 -200 dBc 以下才能保障系統(tǒng)的正常運(yùn)作。舉個(gè)例子，對無源互調(diào)干擾信號(hào)幅值控制的極高要求甚至比在噴氣飛機(jī)引擎旁（引擎聲音 130 dB 以上）去降低蚊子的聲音（1 dB 左右）更為嚴(yán)苛，而蚊子聲音相對于引擎聲音只有 -130 dBc，遠(yuǎn)不及無源互調(diào)抑制的 -155 dBc 要求。大功率微波通信系統(tǒng)對無源互調(diào)的要求極端苛刻，這對無源互調(diào)檢測靈敏度提出挑戰(zhàn)。

近年來，國內(nèi)外對于無源互調(diào)問題研究的報(bào)道日益增多，人們對于無源互調(diào)問題的研究也趨于系統(tǒng)化，相關(guān)成果較為豐富。由此本文圍繞 PIM 產(chǎn)生機(jī)理、檢測與抑制三個(gè)核心方向，總結(jié)和闡述近幾十年來的 PIM 研究進(jìn)展，力求為無源非線性研究指明基本方向，并結(jié)合最新通信技術(shù)重點(diǎn)問題分析非線性尤其是無源非線性導(dǎo)致的雜散頻譜問題，為工程性與學(xué)術(shù)前沿?zé)o源非線性研究拓展方向。

近年來，在 PIM 機(jī)理的研究方面，主要集中在電熱耦合、接觸非線性、磁滯效應(yīng)、分布非線性等方面。PIM 的產(chǎn)生機(jī)理十分復(fù)雜，但依照非線性干擾產(chǎn)生過程可區(qū)分為接觸與非接觸式 PIM，除了具有顯著金屬接觸結(jié)構(gòu)的接觸非線性而言，其他都可以劃入非接觸式 PIM。

電熱耦合是非接觸式非線性干擾中一種常見的機(jī)理解釋，其基本原理是電流通過金屬產(chǎn)生焦耳熱導(dǎo)致金屬本身的電阻率發(fā)生變化，變化的電阻率導(dǎo)致電壓、電流間的非線性關(guān)系。2008 年，J. Wilkerson 等推導(dǎo)出動(dòng)態(tài)電熱耦合非線性干擾的解析表達(dá)式，并建立了基于分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)的自熱電路模型如圖 1 所示，通過半無限熱域傳熱問題的單向性假設(shè)，將熱傳導(dǎo)問題簡化為分?jǐn)?shù)階等效模型 [1]。2010 年，E. Rocas 等對共面波導(dǎo)傳輸線三階互調(diào)失真的自加熱機(jī)制進(jìn)行了建模，采用統(tǒng)一的電熱模型對電磁以及熱域的相互作用進(jìn)行解釋，發(fā)現(xiàn)輸入信號(hào)包絡(luò)頻率引起的溫度變化會(huì)導(dǎo)致分布電阻的動(dòng)態(tài)變化，當(dāng)輸入信號(hào)與基波信號(hào)混合時(shí)會(huì)產(chǎn)生互調(diào) [2]。2015 年，J. Wilkerson 等針對電流相關(guān)損耗的電熱調(diào)制提出了天線中無源互調(diào)失真的分析公式，指出包絡(luò)調(diào)制在熱弛豫時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生電信號(hào)的功率分量，并由于電熱耦合而導(dǎo)致PIM 的產(chǎn)生 [3]。

圖 1? 波導(dǎo)連接的金屬 - 絕緣體 - 金屬結(jié)構(gòu)示意圖

接觸 PIM 主要來自接觸界面，該種非線性干擾是各種 PIM 機(jī)理研究中熱度最高也是最被關(guān)注的。

較為經(jīng)典的研究包括：2010 年，X. Wang 等利用威布爾分布的曲面模型研究了粗糙圓波導(dǎo)法蘭接觸的無源互調(diào) [4]。2011 年，葉鳴等基于量子隧穿電流和熱發(fā)射效應(yīng)，根據(jù)圖 1 所示的金屬 - 絕緣體 - 金屬結(jié)構(gòu)確立其粗糙表面接觸模型和等效電路模型，提出了一種金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的 PIM 非線性干擾物理機(jī)制和計(jì)算方法 [5]。

2018 年，Q. Jin 等利用 GW 模型基于等效電路模型分析了接觸面受腐蝕程度對連接器互調(diào)產(chǎn)物的影響 [6]。2018 年，X. Chen 等首次針對同軸連接器提出了一種基于蒙特卡羅的 PIM 預(yù)測方法，該方法基于接觸界面的統(tǒng)計(jì)特征量化了潛在的不穩(wěn)定 PIM，給出了 PIM 的預(yù)測區(qū)間 [7]，該種方法可有效模擬工程實(shí)際狀態(tài)下的 PIM 波動(dòng)問題。

2020 年，作為近幾年來非線性干擾機(jī)理研究的突破性進(jìn)展，X. Chen 等研究了 Ag2O/Ag 接觸結(jié)上的光電荷調(diào)制 PIM 效應(yīng)，行業(yè)內(nèi)首次揭示了 Ag2O 氧化物內(nèi)與光照相關(guān)的 PIM 產(chǎn)生機(jī)制 [8]。

在大型分布式接觸 PIM 方面，2016 年，D. Wu 等基于接觸網(wǎng)狀反射面提出了一種解析法和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，計(jì)算了網(wǎng)狀反射面天線上接觸非線性源的 PIM 產(chǎn)物，如圖 2 所示 [9]

圖 2? 網(wǎng)狀反射面天線上的 PIM 仿真過程

目前已知的接觸非線性干擾機(jī)理主要包括隧穿效應(yīng)、熱電子發(fā)射效應(yīng)等。已公開的建模研究主要集中于對接觸面的接觸非線性源建模，絕大多數(shù)的非線性干擾機(jī)理研究停留于傳統(tǒng)半導(dǎo)體理論與電接觸結(jié)合分析不同的器件，實(shí)質(zhì)的非線性干擾產(chǎn)生機(jī)理方面除了光照 PIM 作為新突破之外尚無顯著進(jìn)展。

磁性材料導(dǎo)致 PIM 是因?yàn)榇艤蔷€性效應(yīng)。目前，主要應(yīng)用瑞利模型或基于實(shí)驗(yàn)規(guī)律對鐵磁材料進(jìn)行解析建模。2013 年，A. Sabata 等研究了用于傳輸和處理 GSM 信號(hào)的設(shè)備結(jié)構(gòu)中由鐵磁材料夾雜物引入的互調(diào)失真問題，瑞利模型用于確定鐵磁材料對雙載波信號(hào)的響應(yīng) [10]。2017 年，X. Chen 等研究了不同頻段下頻率相關(guān)的磁滯非線性行為，如圖 3 所示，獲得了較為明顯的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 [11]。2020 年，陳理想等以鐵磁性材料鎳為研究對象，基于磁疇疇壁的非線性振動(dòng)過程，研究了鐵磁性材料的無源互調(diào)產(chǎn)生機(jī)理，推測出外加直流偏置磁場可以抑制鎳材料無源互調(diào)電平 [12]

圖 3? 隨頻率變化的磁滯非線性導(dǎo)致的 PIM 產(chǎn)物

實(shí)際微波部件都具有尺度特征，而尺度效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致 PIM 行為發(fā)生改變。2008 年，A. G. Schuchinsky 團(tuán)隊(duì)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(chǎn)生機(jī)理，分析了不同終端邊界條件下的表達(dá)式 [13] 和弱不均勻印刷線上 PIM 水平的累積增長規(guī)律 [14]，如圖 4 所示。2011 年，他們針對微帶傳輸線，將分布非線性與電熱效應(yīng)相結(jié)合，提出了一種分布式電熱互調(diào)失真的理論處理方法，發(fā)現(xiàn)了 PIM 對寬度、長度、厚度和基板參數(shù)的依賴性，從而可以指導(dǎo)低 PIM 傳輸線的設(shè)計(jì) [15]，還進(jìn)一步研究了傳輸線 PIM 失真導(dǎo)致的調(diào)制信號(hào)問題 [16-17]。2021 年，X. Chen 等利用分布非線性模型抽取了典型微波二端口網(wǎng)絡(luò)中的無源互調(diào)產(chǎn)物定向分布效應(yīng) [18]，該結(jié)論首次指明了具有一定尺度效應(yīng)的微波器件傳輸與反射 PIM 產(chǎn)物的關(guān)系。

圖 4? 環(huán)形帶狀導(dǎo)體邊緣 PIM 源相位變化示意圖

檢測是微波部件 PIM 指標(biāo)量化的關(guān)鍵，也是 PIM 實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的 PIM 檢測主要針對 PIM 干擾幅度進(jìn)行量化，當(dāng)前隨著微波系統(tǒng)的復(fù)雜度和規(guī)模的顯著增長，研究熱點(diǎn)也發(fā)生了轉(zhuǎn)移，其中 PIM 的定位顯得尤為重要，如何使 PIM 測試儀器更準(zhǔn)、更規(guī)范成為了新的研究方向，一批 PIM 測試的國際標(biāo)準(zhǔn)也在演進(jìn)中。

2017 年，M. Zhang 等將參考 PIM 源引入標(biāo)準(zhǔn) IM（互調(diào)）測試系統(tǒng)中，提出了寬帶和窄帶設(shè)備的 PIM 定位算法，這種方法解決了多點(diǎn)無源互調(diào)定位的難點(diǎn) [19]。2017 年，S. Yang 等提出了一種使用聲學(xué)振動(dòng)來定位基站天線中的 PIM 源的測量系統(tǒng) [20]。2020 年，S. Yong 等介紹了一種使用 ESM 定位 PIM 源的方法，該方法可在相對較遠(yuǎn)的距離實(shí)現(xiàn)非接觸 PIM 源定位 [21]。2021 年，針對 PCB 板的局部以及元件 PIM 故障問題，X. Chen 等提出了一種小型化波導(dǎo)單元用于平面電路上的無源互調(diào)定位，該方法廣泛適用于平面 PCB 且分辨率首次達(dá)到了厘米級 [22]，如圖 5 所示。

圖 5? 平面 PCB 板上的 PIM 源定位方法

PIM 檢測方法的關(guān)鍵是突出待測非線性源并使其PIM 指標(biāo)更易被抓取，相應(yīng)的 PIM 檢測夾具設(shè)計(jì)成為一個(gè)新的方向。2016 年，X. Chen 等提出了一種可在線檢測 PIM 的方法，該方法可實(shí)現(xiàn)測試回路不斷開、正常工作場景下快速的待測件更換，測試效率顯著提高 [23]。2018 年，D. Smacchia 等提出了一種基于多路復(fù)用器的集成高性能 PIM 測試方案 [24]，該方案顯著提高了多頻段 PIM 測試效率。2021 年，M. Kuwata 和 N. Kuga 提出了短路短截線代替端接低 PIM 陣列天線的 PIM 非接觸測量方法 [25]，如圖 6 所示。2021 年，R. Murofushi 等提出了一種用于平衡式 PIM 測量系統(tǒng)的非接觸式連接器 [26]。該種連接器適用于快速更換待測件的 PIM 測試系統(tǒng)，該種測試方法可有效提升測試效率。

圖 6? 二元陣列天線非接觸式無源互調(diào)測量系統(tǒng)

2017 年，X. Chen 等設(shè)計(jì)了雙端口可調(diào)諧互調(diào)發(fā)生器 [27] 和可編程 PIM 發(fā)生器 [28]，首次為實(shí)現(xiàn)互調(diào)測試中的雙端口動(dòng)態(tài)互調(diào)校準(zhǔn)提供了解決方案。2019 年，X. Chen 等又設(shè)計(jì)了一種基于相干非線性疊加的互調(diào)調(diào)制器，首次產(chǎn)生了相位和幅度同時(shí)可調(diào)的低 PIM 參考信號(hào)[29]。相比于傳統(tǒng)定值 PIM 標(biāo)定方法，該動(dòng)態(tài)參考方法可顯著提高 PIM 測試的校準(zhǔn)效率和準(zhǔn)確性，由此規(guī)范化 PIM 測試成為行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)與熱點(diǎn)方向。

IEC 62037-1999《無源無線電頻率和微波器件 , 互調(diào)電平測量》是2000 年初期提出的首個(gè) PIM 測試國際標(biāo)準(zhǔn)，自制定之后的近二十年時(shí)間，通信技術(shù)雖然在快速演進(jìn)，PIM 問題在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中也愈發(fā)復(fù)雜，而 PIM 測試領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)一直沒有更新。國際電信聯(lián)盟根據(jù)此情況，于2020 年 12 月審議通過了測量移動(dòng)通信系統(tǒng)中陣列天線系統(tǒng)無源互調(diào)電平的標(biāo)準(zhǔn)方法 ITU-T-K.149:2020[30]。該標(biāo)準(zhǔn)尤其針對現(xiàn)代多天線系統(tǒng)中的互調(diào)檢測與多通道PIM 耦合問題進(jìn)行了測試約束與規(guī)范化，成為最貼近現(xiàn)代 5G 通信系統(tǒng)工程實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)。與 IEC 62037-1999 不同，ITU-T-K.149:2020 尤其強(qiáng)調(diào)了天線陣列測試中的主要干擾源并提出了規(guī)避措施。

在實(shí)際的通信系統(tǒng)工作中，PIM 的抑制與對消是直接降低 PIM 干擾確保通信系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵技術(shù)。目前，通過表面處理以及連接加固技術(shù)實(shí)現(xiàn) PIM 抑制已成為行業(yè)規(guī)范，但仍然避免不了眾多影響因素導(dǎo)致的額外 PIM 失效問題，由此基于設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn) PIM 對消抑制成為熱點(diǎn)。

2008 年，J. Henrie 等提出了一種通過添加具有非線性特性的中介層網(wǎng)絡(luò)來降低無線系統(tǒng)總殘余反射 PIM 的新方法，其 PIM 抵消了原始網(wǎng)絡(luò)的 PIM[31]。2009 年，J. Henrie 通過在同軸傳輸線的導(dǎo)體上添加受控厚度的鎳和金鍍層，實(shí)現(xiàn)了對傳輸線產(chǎn)生的無源互調(diào)幅度的精確控制 [32]。2016 年，安金坤等針對航天器擴(kuò)頻體制測控鏈路中的無源互調(diào)干擾問題，提出了一種基于小波包分解的全盲 PIM 抑制算法 [33]。2018 年，D. Kozlov 等介紹了一種有效減輕印刷電路板層壓板上的無源互調(diào)的方法。

該方法用高介電常數(shù)材料覆蓋微帶線的邊緣，降低了電場強(qiáng)度，從而降低了由于高電流密度引起的非線性失真 [34]。2019 年，X. Miao 和 L. Tian 提出了消除自適應(yīng)前饋 PIM 的一般方案。該方案通過在數(shù)字域中使用Hammerstein 模型對 PIM 失真進(jìn)行建模來估計(jì)基帶上的高階 PIM 信號(hào)，基于重構(gòu)的無源互調(diào)信號(hào)，采用最小均方算法自適應(yīng)地減輕無源互調(diào)干擾，并跟蹤無源互調(diào)的變化 [35]。2020 年，X. Chen 等提出了一種使用可重構(gòu)非線性注入方法的緊湊型無源互調(diào)緩解方法，通過在低無源互調(diào)微帶線上放置鐵氧體盤，產(chǎn)生幅值和相位均符合要求的 PIM 信號(hào)，并將其引入具有 PIM 失真的網(wǎng)絡(luò)，可以抵消整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的總 PIM 產(chǎn)物 [36]。

面向 5G 基于頻分雙工，2018~2020 年，M. Waheed 等提出了一系列的無線電收發(fā)器中的無源互調(diào)的解決方案。2018 年，他們提出了反射無源互調(diào)產(chǎn)物的先進(jìn)基帶等效信號(hào)模型，同時(shí)考慮了 PIM 生成中的潛在記憶效應(yīng)，并在這些信號(hào)模型的基礎(chǔ)上，介紹了一種在收發(fā)器數(shù)字前端中運(yùn)行的數(shù)字自干擾消除技術(shù) [37]。2019 年，該團(tuán)隊(duì)又在無源互調(diào)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)計(jì)算效率高的數(shù)字抵消互調(diào)產(chǎn)物和相關(guān)參數(shù)學(xué)習(xí)解決方案 [38-39]。相比之下，針對時(shí)分雙工模式 5G 系統(tǒng)，相關(guān) PIM 研究報(bào)道較少，但大量的工程實(shí)踐已經(jīng)證明，臨近的不同時(shí)序的收發(fā)裝置是時(shí)分雙工模式下 PIM 干擾的主要受害方。

基于無源互調(diào)的大功率干擾產(chǎn)生特點(diǎn)，目前已被證明的 5G 通信技術(shù)中的 PIM 干擾源主要集中在功率密度最高的天線陣列前端。2018 年，B. Rupakula 和 G. M. Rebeiz 對接收模式相控陣的互調(diào)效應(yīng)進(jìn)行了理論分析 [40]。2019 年，R. Figueiredo 和 N. B. Carvalho 提出并驗(yàn)證了一個(gè)描述互調(diào)產(chǎn)物如何改變天線陣列輻射方向圖的理論模型，即空間復(fù)用失真，同時(shí)解釋了互調(diào)產(chǎn)物在主瓣和副瓣的分布關(guān)系 [41]。2020 年，A. Atanasov 等考慮了由密集輻射單元組成的陣列在不同頻率下的工作情況。推導(dǎo)了輻射單元間耦合信號(hào)產(chǎn)生的反向互調(diào)失真產(chǎn)物的功率 [42]。

總體而言，在 2G 向 5G/6G 通信技術(shù)的長期演進(jìn)過程中，PIM 問題從當(dāng)初作為意外產(chǎn)品失效事件處理發(fā)展到從設(shè)計(jì)之初就進(jìn)行考慮，甚至在硬件產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成之后通過集成在后端的調(diào)制解調(diào)算法進(jìn)行抑制，PIM 已經(jīng)從不可預(yù)見性干擾失真成為了可干預(yù)、可控制的失真問題。隨著當(dāng)前 5G/6G 技術(shù)的快速演進(jìn)，收發(fā)前端的功率密度和接收靈敏度都會(huì)大大提高，各系統(tǒng)中的非線性特性將一直存在，因此非線性干擾問題以及典型不可消除的 PIM 也會(huì)越來越顯著。

自從 PIM 問題被發(fā)現(xiàn)以來，PIM 一直是工業(yè)界研究的熱點(diǎn)問題。在地面基站通信方面，各大主流通信設(shè)備供應(yīng)商都投入了大量的人力物力進(jìn)行 PIM 研究，研究方向涵蓋了底層 PIM 建模、仿真、工藝與算法抑制的各方面。面對 5G 以及未來 6G 通信技術(shù)的更高集成度的苛刻要求，PIM 問題尤其是高密度陣列前端的近距離互耦場強(qiáng)下的微弱非線性分析愈加復(fù)雜，PIM 干擾也愈加嚴(yán)重。通信設(shè)備制造商正在尋求設(shè)計(jì)之初確定 PIM 干擾的仿真方法，力求從源頭通過仿真獲得產(chǎn)品 PIM 指標(biāo)，進(jìn)而指導(dǎo)和優(yōu)化 PIM 設(shè)計(jì)。

在面向衛(wèi)星通信等收發(fā)功率比差別巨大、同時(shí)對性能有極高要求的應(yīng)用中，西安空間電子技術(shù)研究院在此方向長期處于領(lǐng)先定位，空間微波特殊效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室牽頭的 PIM 研究范圍涵蓋了從底層 PIM 機(jī)理直至 PIM 檢測與抑制的各個(gè)方向，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于部分空間載荷之中。相比于學(xué)術(shù)界研究，工業(yè)界豐富的產(chǎn)品型號(hào)和復(fù)雜的 PIM 場景為應(yīng)用型 PIM 研究提供了良好的研究樣本，這使得工業(yè)界的 PIM 應(yīng)用研究已走在前列。

從國內(nèi)外無源互調(diào)的研究趨勢來看，非線性機(jī)理問題將一直作為 PIM 研究領(lǐng)域的重點(diǎn)內(nèi)容，面向各個(gè)通信模組以及不同的工作環(huán)境，PIM 產(chǎn)物特性會(huì)變得各不相同，多環(huán)境因素下的 PIM 建模將顯得很重要。隨著 5G/6G 通信技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，更加復(fù)雜的工作環(huán)境結(jié)合更加復(fù)雜的信道環(huán)境，PIM 問題尤其是多物理場、多調(diào)制模式、多信道重合條件下的 PIM 將會(huì)愈演愈烈，并將成為研究的熱點(diǎn)問題。隨著通信技術(shù)以及通信系統(tǒng)可靠性向著更高要求發(fā)展，PIM 的研究工作將不斷深化，從最初的不可預(yù)見、不可控到短期可預(yù)見、可控，最后朝結(jié)合產(chǎn)品壽命的通信系統(tǒng)長期 PIM 指標(biāo)可預(yù)見、可控方向發(fā)展。