航天器微波部件无源互调研究进展及优化方案

对于卫星通信系统，PIM 是关系系统成败的关键问题之一。当PIM 电平较低时，会使接收信号的底噪抬高，使接收机的信噪比降低、误码率升高；当PIM 电平进一步增高时，会影响整个通信系统的正常工作，被迫降低功率使用，或分通道使用；严重时，PIM 产物将淹没接收信号，导致通道阻塞、通信中断，使整个系统处于瘫痪状态。航天器有效载荷微波部件中通常能够产生PIM 的微波部件有收发双工器（图1－6）、电缆接头（图1－7）、波导法兰（图1－8）以及各种天线馈源和反射面。

图1-6　收发双工器

图1-7　电缆接头

图1-8　波导法兰

PIM 存在于任何收发共用的系统中，在地面设备与空间设备中均存在，由于空间设备距离远、衰减大，且发射功率与接收机灵敏度的比值比对地面设备的比值要求更高，因此在卫星通信系统中对PIM 的要求更高，一旦产生对卫星通信的影响，后果尤为严重。在典型的地面WCDMA 通信系统中，发射功率一般在43 dBm，接收机对PIM 电平的要求为－110 dBm 左右，发射功率与PIM 电平相差153 dB；但在空间通信系统中，由于星地之间的远距离、大衰减要求星上发射功率增大、接收灵敏度提高，因此通常发射功率与PIM电平的相差比地面要求更高，即微波部件中存在的极弱的非线性也能够导致PIM 干扰信号淹没接收信号。个别大功率地面系统出现PIM 问题时可以采用收发2 副天线，利用空间隔离的方法来解决，但受空间平台资源的限制，卫星上很难采用地面的措施来避免这一问题。

PIM 已成为卫星研制中重点关注的问题。美国在1975 年以后将近10 年的时间里发射了5 颗移动通信卫星，前4 颗都受到PIM 的严重影响。美国舰队通信卫星FLTSATCOM 的3 阶PIM 产物——整星进入正样联调时，出现了3 阶PIM 产物落入接收频带的问题，被迫改用收发分开的方案，从而导致整星发射推迟36 个月。美国通信卫星MILSTAR－Ⅱ为了避免13 阶PIM 产物落入接收频段，UHF 频段采用了收发分开的方案。欧洲海事卫星MARECS 的43 阶PIM 产物、国际通信卫星INTELSAT 的27 阶PIM 产物均对卫星接收信号形成干扰，导致卫星降低功率使用，甚至报废。2003 年发射的OPTUS C1 卫星没有事先对整个卫星进行PIM 约束和风险评估，导致3 阶和23 阶PIM 产物均落入接收频带，PIM 问题相当棘手。已有试验表明，当卫星载荷中的某一单机工作时，仅发射单个频率的信号不存在PIM 问题，只有当多机联试发射两个（或多个）载波信号时，才会出现PIM 干扰现象。最终，通过减小子载波带宽，并严格约束频率选取才将PIM 问题解决。2005 年以后，美国Space Systems Loral、Orbital Sciences Corporation 以及欧洲Astrium 公司通过定性评估与反复试验相结合，工程上解决了大功率载荷PIM 的难题，部分卫星采用了收发共用模式，这显著提高了效能，代表了卫星载荷技术的发展方向。图1－9 所示为美国直播卫星和移动通信卫星，均采用收发共用技术。

我国航天技术已进入一个新阶段，其标志之一就是波段的扩展和功率的增大。随着每通道饱和功率从之前的几瓦、十几瓦到现在的上百瓦，PIM 问题变得日益严重，因此迫切需要研究如何有效抑制卫星系统中的PIM 效应，以确保卫星系统在寿命周期内能正常工作。(https://www.xing528.com)

图1-9　美国采用收发共用的卫星

（a）直播卫星iPSTAR；（b）移动通信卫星Terrestar

随着新一代移动通信卫星的快速发展，PIM 问题不可避免。图1－10 所示为星地通信示意图，PIM 产物随接收信号进入接收机，无法采用传统的滤波和隔离办法解决。为达到PIM 指标要求，目前的研究主要着眼于从产生机理的角度出发，对系统整体及其各部件进行优化设计，包括：合理选择收发频段、尽量避免低阶次PIM 产物落入上行频段；避免选用具有强非线性特性的铁氧体或铁磁材料；在金属表面或金属板内制作无氧化层或污染薄膜的整体硬件；修整 “金属－非金属－金属” 接触面，增强接触面导电性，降低其非线性效应。

图1-10　星地通信示意图

由于PIM 问题对卫星来说关系重大，因此国际上关于PIM 的研究广泛而深入。随着我国航天技术的发展，卫星使用频段不断扩展、星上功率不断增大，PIM 引起的干扰问题也越来越突出。因此，需要开展PIM 的理论研究与工程实践，为将来的多载波卫星系统研制保驾护航。