舰船通信系统的无源互调研究

化层或污染物的形成。前面提到的美国海军研究所发现的锈螺栓现象就属于接触非线性引起的PIM。

　　1．1．2 材料非线性

　　材料非线性引起PIM的产生机理主要表现在：

　　（1）铁磁效应。铁磁材料（铁、钴、镍等）具有大的磁导率，并随磁场非线性变化，呈现磁滞特性，铁磁材料能引起很强的PIMP，是产生PIM的主要因素。

　　（2）隧道贯穿。电子通过厚度小于10 nm的电介质薄层直接由一个导体到另一个导体的隧道贯穿，如由氧化层分离的金属之间的电子隧道效应。

　　（3）接触电容。由接触表面薄层和污染层所引起的电容。

　　（4）电致伸缩。电场会引起线度变化，纯净非极性电介质中的电致伸缩现象是同轴电缆中产生PIM的因素之一。

　　（5）磁致伸缩。磁场也能引起线度变化，主要产生于铁磁材料之内。

　　（6）微放电。材料内可能存在微狭缝和砂眼，真空环境下由强电场产生离子气体会引起的二次电子倍增放电。

　　（7）空间充电。充电载流子在接触点进人绝缘体或半导体内，这个效应产生于非均匀内部电场中，在半导体申，由于同时存在电子和空穴，因而可产生很强的非线性电流电压关系。

　　此外，还有离子导电、热击穿和雪崩引起的电介质击穿、热离子发射效应等引起的材料非线性。

　　1．1．3 工艺非线性

　　一般的射频连接器均会进行表面刨光和电镀工艺处理。加工工艺决定着表面平整度与电镀层的厚度。过于粗糙的表面和不合适的镀层厚度将引起无源非线性，进而产生无源互调――这可以用“趋肤效应”加以解释，即“直流电流在导体中沿着整个横截面以均匀相等的密度流动，而射频电流则趋向导体表面的“皮肤”。随着频率的增高，这种“皮肤”越来越薄。这种在高频时电

　　流趋向导体表面流动的现象被称为“趋肤效应”。尽管目前难以全面说明因电镀质量产生非线性的机理，但是生产实践证明，电镀质量确实影响着PIM产生电平。趋肤深度决定了电镀层的厚度。

　　射频电缆／波导与连接器的装配工艺也影响着PIM指标，这与接触非线性有着类似的机理。

　　1．2 无源互调的特征

　　已知有源互调是指两个及以上干扰信号通过接收机前端有源电路的非线性所产生的，只要互调信号频率等于或接近有用信号频率，就产生有源互调干扰：

　　（1）有源电路的非线性相对固定，不随时间而变化。

　　（2）由非线性特性可预知，分析理论相对成熟。

　　（3）指标明确。军标或规范均能给出明确指标要求。

　　（4）传输方向相对稳定。可通过增加带通／带阻滤波器或改善滤波器性能加以抑制，高阶互调干扰几近忽略。

　　与有源互调相比，无源互调呈现以下特点：

　　（1）随功率而变。美国海军研究所对PIM产生电平与输入功率之间的关系进行了研究。总体上讲，输人功率越大，PIM越大。美国安费诺公司的实验证实，输入功率每变化一个dBm，PIM产生电平变化约3 dBm，业界一般认为1:3的比例基本合理。

　　（2）随时间而变。材料表面氧化、连接处接触压力、电缆弯曲程度等均会随时间发生改变，进而影响非线性程度，本文后面的示例也证实了这一点。

　　（3）研究理论滞后。无源非线性特性准确预测困难，至今一些现象仍不能完全用理论证实，仿真研究手段未有实质突破，离工程化尚有相当距离。

　　（4）产生环节多，传输方向非单一，难以采用传统手段加以抑制。

　　（5）高阶互调存在，且仍令人担忧。

　　1．3 无源互调的表述

　　把一个频率为f1、振幅为A1的Vi（t）信号经过一个具有非线性VI特性的无源两端口元件时，其输出信号Vo（t）中除基波外，还包含多次谐波： 

　　当两个以上的信号通过一个非线性网络时，其输出信号Vo（t）除基波、各次谐波外，还包含所产生的PIMP的多种成分，再用传输方程表述将相当复杂。这里，将PIMP频率分量fPIM表述为： 

　　式中：m，n均为整数，（|m|+|n|）定义为互调产物的阶数。该式可用于表述任何具有多路射频输人信号共用非线性传输装置的通信系统，以确定可能产生的PIMP，其频谱分布如图2所示。 

图2 两个信号通过非线性网络后产生的频谱示意图

　　由图2可以看出，奇阶互调分量毗邻基波频率，且分量幅度较大，可能进人接收通带内，进而形成干扰。对于高阶互调与偶次谐波，因偏离基频较远，接收机射频滤波器通常可以滤除掉，因此无源三阶互调（PIM3）是关注的重点，通常应在技术指标中予以明确。

　　PIMP通常用dBm或dBc来表示。dBm是以基准量P0＝1mW作为零功率电平（0 dBm）日寸的功率分贝。dBc是在某个规定的载波电平（如20W,即43dBm）基准下的分贝量度。任意功率Px的功率电平定义为： 

　　若在Pf1＝Pf2＝20 W时测得PIM3的电平为－100 dBm，则用dBc表示为： 

　　2 无源互调分析

水面舰船的通信、导航、雷达、对