5G 和卫星通信中无源互调电磁干扰研究|互调|卫星通信|无源|电磁干扰|辐射

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摘要：

现代通信技术向着高密度、高集成、广域覆盖方向快速发展，无线接入终端数量大幅提升，微波器件固有寄生的无源非线性导致的互调干扰严重制约了现代频谱资源的高效利用。文章从无源互调机理研究出发，梳理了国内外无源互调机理研究中的经典问题以及最新进展，总结了近几十年来关于无源互调建模、检测、抑制与对消的研究成果，并结合现代通信技术特点，指出多物理场、多调制模式、多信道重合条件下的 PIM 问题将成为研究热点。

引言

无源互调（PIM）指当两个或以上的信号通过无源器件时，由于其非线性特性产生互调失真信号的一种现象。当互调信号落入接收通带时，会降低接收机的灵敏度，导致通信系统的性能下降，对通信质量产生不利影响。随着现代通信技术向高密度、高集成、广域覆盖的方向快速发展，以及各种无线接入终端数量的大幅增加，当前的频谱资源变得尤为稀缺。

与此同时，各种频谱杂散导致的电磁干扰问题层出不穷，其中解决非线性导致的频谱干扰问题最为迫切。互调干扰就是一种典型的非线性干扰，在多频谱环境中尤为常见。相比于有源互调，无源互调具有影响因素复杂、难于检测和抑制的特点。通常，由于无源器件自身寄生非线性微弱的特点，无源互调的干扰危害在大功率环境中较为显著。随着通信频谱使用的日益密集、高功率发射机以及高灵敏度接收机的逐渐应用以及共站、共址现象的更加普及，无源互调成为无线通信系统挥之不去却又无法避免的干扰源，正受到越来越多的重视。

通常情况下，对地面基站系统而言，无源互调显著水平必须控制在 -112 dBm@2×43 dBm 以下，也即相对载波功率 -155 dBc 以下通信链路才能正常运行。对于卫星通信的超远距离，超大发射功率与极高接收灵敏度共存条件下，PIM 指标需要抑制到相对载波功率 -200 dBc 以下才能保障系统的正常运作。举个例子，对无源互调干扰信号幅值控制的极高要求甚至比在喷气飞机引擎旁（引擎声音 130 dB 以上）去降低蚊子的声音（1 dB 左右）更为严苛，而蚊子声音相对于引擎声音只有 -130 dBc，远不及无源互调抑制的 -155 dBc 要求。大功率微波通信系统对无源互调的要求极端苛刻，这对无源互调检测灵敏度提出挑战。

近年来，国内外对于无源互调问题研究的报道日益增多，人们对于无源互调问题的研究也趋于系统化，相关成果较为丰富。由此本文围绕 PIM 产生机理、检测与抑制三个核心方向，总结和阐述近几十年来的 PIM 研究进展，力求为无源非线性研究指明基本方向，并结合最新通信技术重点问题分析非线性尤其是无源非线性导致的杂散频谱问题，为工程性与学术前沿无源非线性研究拓展方向。

1 无源互调的物理机制研究及建模

近年来，在 PIM 机理的研究方面，主要集中在电热耦合、接触非线性、磁滞效应、分布非线性等方面。PIM 的产生机理十分复杂，但依照非线性干扰产生过程可区分为接触与非接触式 PIM，除了具有显著金属接触结构的接触非线性而言，其他都可以划入非接触式 PIM。

1.1 电热耦合导致的无源互调

电热耦合是非接触式非线性干扰中一种常见的机理解释，其基本原理是电流通过金属产生焦耳热导致金属本身的电阻率发生变化，变化的电阻率导致电压、电流间的非线性关系。2008 年，J. Wilkerson 等推导出动态电热耦合非线性干扰的解析表达式，并建立了基于分数阶导数的自热电路模型如图 1 所示，通过半无限热域传热问题的单向性假设，将热传导问题简化为分数阶等效模型 [1]。2010 年，E. Rocas 等对共面波导传输线三阶互调失真的自加热机制进行了建模，采用统一的电热模型对电磁以及热域的相互作用进行解释，发现输入信号包络频率引起的温度变化会导致分布电阻的动态变化，当输入信号与基波信号混合时会产生互调 [2]。2015 年，J. Wilkerson 等针对电流相关损耗的电热调制提出了天线中无源互调失真的分析公式，指出包络调制在热弛豫时间内产生电信号的功率分量，并由于电热耦合而导致PIM 的产生 [3]。

图 1 波导连接的金属 - 绝缘体 - 金属结构示意图

1.2 接触非线性源导致的无源互调问题

接触 PIM 主要来自接触界面，该种非线性干扰是各种 PIM 机理研究中热度最高也是最被关注的。

较为经典的研究包括：2010 年，X. Wang 等利用威布尔分布的曲面模型研究了粗糙圆波导法兰接触的无源互调 [4]。2011 年，叶鸣等基于量子隧穿电流和热发射效应，根据图 1 所示的金属 - 绝缘体 - 金属结构确立其粗糙表面接触模型和等效电路模型，提出了一种金属波导结构的 PIM 非线性干扰物理机制和计算方法 [5]。

2018 年，Q. Jin 等利用 GW 模型基于等效电路模型分析了接触面受腐蚀程度对连接器互调产物的影响 [6]。2018 年，X. Chen 等首次针对同轴连接器提出了一种基于蒙特卡罗的 PIM 预测方法，该方法基于接触界面的统计特征量化了潜在的不稳定 PIM，给出了 PIM 的预测区间 [7]，该种方法可有效模拟工程实际状态下的 PIM 波动问题。

2020 年，作为近几年来非线性干扰机理研究的突破性进展，X. Chen 等研究了 Ag2O/Ag 接触结上的光电荷调制 PIM 效应，行业内首次揭示了 Ag2O 氧化物内与光照相关的 PIM 产生机制 [8]。

在大型分布式接触 PIM 方面，2016 年，D. Wu 等基于接触网状反射面提出了一种解析法和数值模拟相结合的方法，计算了网状反射面天线上接触非线性源的 PIM 产物，如图 2 所示 [9]

图 2 网状反射面天线上的 PIM 仿真过程

目前已知的接触非线性干扰机理主要包括隧穿效应、热电子发射效应等。已公开的建模研究主要集中于对接触面的接触非线性源建模，绝大多数的非线性干扰机理研究停留于传统半导体理论与电接触结合分析不同的器件，实质的非线性干扰产生机理方面除了光照 PIM 作为新突破之外尚无显著进展。

1.3 磁滞效应导致的无源互调问题

磁性材料导致 PIM 是因为磁滞非线性效应。目前，主要应用瑞利模型或基于实验规律对铁磁材料进行解析建模。2013 年，A. Sabata 等研究了用于传输和处理 GSM 信号的设备结构中由铁磁材料夹杂物引入的互调失真问题，瑞利模型用于确定铁磁材料对双载波信号的响应 [10]。2017 年，X. Chen 等研究了不同频段下频率相关的磁滞非线性行为，如图 3 所示，获得了较为明显的实验规律 [11]。2020 年，陈理想等以铁磁性材料镍为研究对象，基于磁畴畴壁的非线性振动过程，研究了铁磁性材料的无源互调产生机理，推测出外加直流偏置磁场可以抑制镍材料无源互调电平 [12]

图 3 随频率变化的磁滞非线性导致的 PIM 产物

1.4 分布非线性导致的 PIM 问题

实际微波部件都具有尺度特征，而尺度效应会导致 PIM 行为发生改变。2008 年，A. G. Schuchinsky 团队首次提出了一种具有分布非线性源的传输线长度模型来模拟 PIM 的产生机理，分析了不同终端边界条件下的表达式 [13] 和弱不均匀印刷线上 PIM 水平的累积增长规律 [14]，如图 4 所示。2011 年，他们针对微带传输线，将分布非线性与电热效应相结合，提出了一种分布式电热互调失真的理论处理方法，发现了 PIM 对宽度、长度、厚度和基板参数的依赖性，从而可以指导低 PIM 传输线的设计 [15]，还进一步研究了传输线 PIM 失真导致的调制信号问题 [16-17]。2021 年，X. Chen 等利用分布非线性模型抽取了典型微波二端口网络中的无源互调产物定向分布效应 [18]，该结论首次指明了具有一定尺度效应的微波器件传输与反射 PIM 产物的关系。

图 4 环形带状导体边缘 PIM 源相位变化示意图

2 无源互调的检测研究

检测是微波部件 PIM 指标量化的关键，也是 PIM 实验研究的基础。传统的 PIM 检测主要针对 PIM 干扰幅度进行量化，当前随着微波系统的复杂度和规模的显著增长，研究热点也发生了转移，其中 PIM 的定位显得尤为重要，如何使 PIM 测试仪器更准、更规范成为了新的研究方向，一批 PIM 测试的国际标准也在演进中。

2.1 无源互调的定位

2017 年，M. Zhang 等将参考 PIM 源引入标准 IM（互调）测试系统中，提出了宽带和窄带设备的 PIM 定位算法，这种方法解决了多点无源互调定位的难点 [19]。2017 年，S. Yang 等提出了一种使用声学振动来定位基站天线中的 PIM 源的测量系统 [20]。2020 年，S. Yong 等介绍了一种使用 ESM 定位 PIM 源的方法，该方法可在相对较远的距离实现非接触 PIM 源定位 [21]。2021 年，针对 PCB 板的局部以及元件 PIM 故障问题，X. Chen 等提出了一种小型化波导单元用于平面电路上的无源互调定位，该方法广泛适用于平面 PCB 且分辨率首次达到了厘米级 [22]，如图 5 所示。

图 5 平面 PCB 板上的 PIM 源定位方法

2.2 无源互调的测试夹具设计

PIM 检测方法的关键是突出待测非线性源并使其PIM 指标更易被抓取，相应的 PIM 检测夹具设计成为一个新的方向。2016 年，X. Chen 等提出了一种可在线检测 PIM 的方法，该方法可实现测试回路不断开、正常工作场景下快速的待测件更换，测试效率显著提高 [23]。2018 年，D. Smacchia 等提出了一种基于多路复用器的集成高性能 PIM 测试方案 [24]，该方案显著提高了多频段 PIM 测试效率。2021 年，M. Kuwata 和 N. Kuga 提出了短路短截线代替端接低 PIM 阵列天线的 PIM 非接触测量方法 [25]，如图 6 所示。2021 年，R. Murofushi 等提出了一种用于平衡式 PIM 测量系统的非接触式连接器 [26]。该种连接器适用于快速更换待测件的 PIM 测试系统，该种测试方法可有效提升测试效率。

图 6 二元阵列天线非接触式无源互调测量系统

2.3 无源互调测试校准演进

2017 年，X. Chen 等设计了双端口可调谐互调发生器 [27] 和可编程 PIM 发生器 [28]，首次为实现互调测试中的双端口动态互调校准提供了解决方案。2019 年，X. Chen 等又设计了一种基于相干非线性叠加的互调调制器，首次产生了相位和幅度同时可调的低 PIM 参考信号[29]。相比于传统定值 PIM 标定方法，该动态参考方法可显著提高 PIM 测试的校准效率和准确性，由此规范化 PIM 测试成为行业关注的重点与热点方向。

IEC 62037-1999《无源无线电频率和微波器件 , 互调电平测量》是2000 年初期提出的首个 PIM 测试国际标准，自制定之后的近二十年时间，通信技术虽然在快速演进，PIM 问题在现代通信系统中也愈发复杂，而 PIM 测试领域的标准一直没有更新。国际电信联盟根据此情况，于2020 年 12 月审议通过了测量移动通信系统中阵列天线系统无源互调电平的标准方法 ITU-T-K.149:2020[30]。该标准尤其针对现代多天线系统中的互调检测与多通道PIM 耦合问题进行了测试约束与规范化，成为最贴近现代 5G 通信系统工程实际的标准。与 IEC 62037-1999 不同，ITU-T-K.149:2020 尤其强调了天线阵列测试中的主要干扰源并提出了规避措施。

3 无源互调的抑制与对消

在实际的通信系统工作中，PIM 的抑制与对消是直接降低 PIM 干扰确保通信系统正常工作的关键技术。目前，通过表面处理以及连接加固技术实现 PIM 抑制已成为行业规范，但仍然避免不了众多影响因素导致的额外 PIM 失效问题，由此基于设计方法实现 PIM 对消抑制成为热点。

2008 年，J. Henrie 等提出了一种通过添加具有非线性特性的中介层网络来降低无线系统总残余反射 PIM 的新方法，其 PIM 抵消了原始网络的 PIM[31]。2009 年，J. Henrie 通过在同轴传输线的导体上添加受控厚度的镍和金镀层，实现了对传输线产生的无源互调幅度的精确控制 [32]。2016 年，安金坤等针对航天器扩频体制测控链路中的无源互调干扰问题，提出了一种基于小波包分解的全盲 PIM 抑制算法 [33]。2018 年，D. Kozlov 等介绍了一种有效减轻印刷电路板层压板上的无源互调的方法。

该方法用高介电常数材料覆盖微带线的边缘，降低了电场强度，从而降低了由于高电流密度引起的非线性失真 [34]。2019 年，X. Miao 和 L. Tian 提出了消除自适应前馈 PIM 的一般方案。该方案通过在数字域中使用Hammerstein 模型对 PIM 失真进行建模来估计基带上的高阶 PIM 信号，基于重构的无源互调信号，采用最小均方算法自适应地减轻无源互调干扰，并跟踪无源互调的变化 [35]。2020 年，X. Chen 等提出了一种使用可重构非线性注入方法的紧凑型无源互调缓解方法，通过在低无源互调微带线上放置铁氧体盘，产生幅值和相位均符合要求的 PIM 信号，并将其引入具有 PIM 失真的网络，可以抵消整个网络的总 PIM 产物 [36]。

面向 5G 基于频分双工，2018~2020 年，M. Waheed 等提出了一系列的无线电收发器中的无源互调的解决方案。2018 年，他们提出了反射无源互调产物的先进基带等效信号模型，同时考虑了 PIM 生成中的潜在记忆效应，并在这些信号模型的基础上，介绍了一种在收发器数字前端中运行的数字自干扰消除技术 [37]。2019 年，该团队又在无源互调的数学模型的基础上，推导计算效率高的数字抵消互调产物和相关参数学习解决方案 [38-39]。相比之下，针对时分双工模式 5G 系统，相关 PIM 研究报道较少，但大量的工程实践已经证明，临近的不同时序的收发装置是时分双工模式下 PIM 干扰的主要受害方。

4 5G/6G 下的干扰研究

基于无源互调的大功率干扰产生特点，目前已被证明的 5G 通信技术中的 PIM 干扰源主要集中在功率密度最高的天线阵列前端。2018 年，B. Rupakula 和 G. M. Rebeiz 对接收模式相控阵的互调效应进行了理论分析 [40]。2019 年，R. Figueiredo 和 N. B. Carvalho 提出并验证了一个描述互调产物如何改变天线阵列辐射方向图的理论模型，即空间复用失真，同时解释了互调产物在主瓣和副瓣的分布关系 [41]。2020 年，A. Atanasov 等考虑了由密集辐射单元组成的阵列在不同频率下的工作情况。推导了辐射单元间耦合信号产生的反向互调失真产物的功率 [42]。

总体而言，在 2G 向 5G/6G 通信技术的长期演进过程中，PIM 问题从当初作为意外产品失效事件处理发展到从设计之初就进行考虑，甚至在硬件产品设计完成之后通过集成在后端的调制解调算法进行抑制，PIM 已经从不可预见性干扰失真成为了可干预、可控制的失真问题。随着当前 5G/6G 技术的快速演进，收发前端的功率密度和接收灵敏度都会大大提高，各系统中的非线性特性将一直存在，因此非线性干扰问题以及典型不可消除的 PIM 也会越来越显著。

5 工业界的 PIM 研究现状

自从 PIM 问题被发现以来，PIM 一直是工业界研究的热点问题。在地面基站通信方面，各大主流通信设备供应商都投入了大量的人力物力进行 PIM 研究，研究方向涵盖了底层 PIM 建模、仿真、工艺与算法抑制的各方面。面对 5G 以及未来 6G 通信技术的更高集成度的苛刻要求，PIM 问题尤其是高密度阵列前端的近距离互耦场强下的微弱非线性分析愈加复杂，PIM 干扰也愈加严重。通信设备制造商正在寻求设计之初确定 PIM 干扰的仿真方法，力求从源头通过仿真获得产品 PIM 指标，进而指导和优化 PIM 设计。

在面向卫星通信等收发功率比差别巨大、同时对性能有极高要求的应用中，西安空间电子技术研究院在此方向长期处于领先定位，空间微波特殊效应重点实验室牵头的 PIM 研究范围涵盖了从底层 PIM 机理直至 PIM 检测与抑制的各个方向，相关技术已经应用于部分空间载荷之中。相比于学术界研究，工业界丰富的产品型号和复杂的 PIM 场景为应用型 PIM 研究提供了良好的研究样本，这使得工业界的 PIM 应用研究已走在前列。

6 结语

从国内外无源互调的研究趋势来看，非线性机理问题将一直作为 PIM 研究领域的重点内容，面向各个通信模组以及不同的工作环境，PIM 产物特性会变得各不相同，多环境因素下的 PIM 建模将显得很重要。随着 5G/6G 通信技术的应用与发展，更加复杂的工作环境结合更加复杂的信道环境，PIM 问题尤其是多物理场、多调制模式、多信道重合条件下的 PIM 将会愈演愈烈，并将成为研究的热点问题。随着通信技术以及通信系统可靠性向着更高要求发展，PIM 的研究工作将不断深化，从最初的不可预见、不可控到短期可预见、可控，最后朝结合产品寿命的通信系统长期 PIM 指标可预见、可控方向发展。

本文转载自“安全与电磁兼容”，原标题《5G 和卫星通信中无源互调电磁干扰研究》，文 | （1 天津大学 2 华为技术有限公司 3 南方科技大学）陈雄 1,3 张兴海 2 于明 *,3 陈志涵 2 王玲 1

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