航天測控站無源互調問題初探

摘要：對航天測控站S擴頻測控系統(tǒng)中出現(xiàn)的無源互調問題進行了探討。隨著測控體制的多樣化，在一些測控系統(tǒng)中出現(xiàn)了收發(fā)干擾的問題，在系統(tǒng)中進一步增加收阻或發(fā)阻濾波抑制并不能使問題得到改善。本文通過分析認為測控系統(tǒng)中收發(fā)干擾問題即是無源互調問題，并根據無源互調的特點，結合實際工程情況，對上行鏈路中的連接器、饋源網絡、濾波器以及裝配等關鍵方面采取了改進措施，通過實際工程驗證，證實了所采取措施的有效性，解決了該測控系統(tǒng)中的無源互調問題。該問題的解決，希望為以后測控系統(tǒng)出現(xiàn)的類似問題提供可供參考的方向和方法。

關鍵詞：大功率；擴頻測控；收發(fā)干擾；無源互調

一、引言

無源互調（Passive Inter-Modulaton，PIM）是無源器件產生的互調產物。所有的無源器件實際上都存在一定程度的非線性，當其工作在小信號條件下，可認為是線性的，但隨著功率的增加，無源器件的非線性失真就會明顯地表現(xiàn)出來，即無源互調現(xiàn)象。當無源互調產物落在有用頻帶內，特別是接收帶內時，將會影響系統(tǒng)的正常工作。

目前的研究[1]認為，引起無源互調問題的原因主要是材料非線性和接觸非線性，前者是指具有固有非線性導電材料引起的非線性，如鐵、鎳、鈷及其合金、鑭系元素、鎂與鋁合金等鐵磁材料和碳纖維材料。后者是指具有非線性電流/電壓行為的接觸引起的非線性，如連接處的松動、腐蝕和氧化等，特別是接觸面電流密度越大，對無源互調越不利。

相比有源互調（Active Inter-Modulaton，AIM），無源互調有其特有的性質[2]：無源互調產物無法用濾波器進行濾除，鏈路上加載的濾波器只能將其前面的無源互調產物濾除，濾波器之后的無源互調產物依然無法濾除；無源互調產物具有門限效應，隨著功率的增加，互調產物會毫無征兆地出現(xiàn)；無源互調產物隨著時間而變化，材料的氧化、連接處接觸壓力變化、電纜彎曲程度等均會隨時間發(fā)生改變，進而影響系統(tǒng)的非線性程度；無源互調產物可呈現(xiàn)寬帶噪聲特性，類似測控系統(tǒng)中收帶底噪整體抬升的現(xiàn)象。

無源互調問題在移動通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)中得到了越來越多的重視，報道的文獻有很多[3-6]，但在國內關于航天測控系統(tǒng)相關文獻報道寥寥無幾，據查到的文獻是在2000年北京跟蹤與通信技術研究所的閆春生等人發(fā)表過的一篇相關文章[7]，文章中對深空站建設中無源互調問題預防和控制進行了理論分析。

本文針對航天測控站中出現(xiàn)的無源互調問題進行了分析、針對性設計及驗證，最終解決了實際測控系統(tǒng)中出現(xiàn)的無源互調問題。

二、存在的問題

近年來，在新研的測控數傳系統(tǒng)S頻段擴頻測控系統(tǒng)中，有時會出現(xiàn)收發(fā)干擾問題，即在發(fā)射機輸出一定功率條件下，接收帶內會產生隨機的干擾信號，具體表現(xiàn)為：在發(fā)射機功率輸出的情況下，在收帶內突然冒出隨機的干擾信號或者出現(xiàn)收帶底噪整體抬升的現(xiàn)象；功率的增加，現(xiàn)象惡化更為嚴重；同時干擾信號隨著時間也存在一定的變化。收帶內干擾信號頻譜如圖1所示。正是因為這些特征，最初的問題分析及排查是一個反復、漫長的過程。

三、原因排查分析

針對收發(fā)干擾問題，結合對無源互調的認識，初步判定該問題是無源互調問題。

（一）擴頻信號分析

無源互調是指在大功率條件下，兩個或兩個以上的載波經過無源器件時，由于無源器件的非線性，導致在無源器件中產生的載波頻率組合分量。在S頻段擴頻測控系統(tǒng)中，測控基帶輸出的擴頻信號是一個帶寬為20M左右的擴頻調制信號，通過對擴頻信號的頻譜特征分析[8]可知，一個擴頻信號可以由無數條離散譜線組成，其等效于一個多載波信號。在大功率條件下，收帶內的互調產物隨著載波數目的增加而急劇增加，此時，無源互調干擾與寬帶噪聲沒有太大區(qū)別，這正是收帶底噪整體抬升的原因。

（二）干擾源分析

S頻段測控系統(tǒng)的基本框圖如圖2所示。

基帶設備輸出的擴頻調制信號，經上行固態(tài)功放進行放大后送給天伺饋設備，同時外部有用信號經天伺饋設備進行接收，并經過下行低噪放進行放大后送給基帶設備進行解調處理。

收發(fā)干擾問題只有在上行功率輸出的條件下才會出現(xiàn)，因此首先排除了下行信道的問題。

為了進一步區(qū)分是有源干擾還是無源干擾，將系統(tǒng)分為有源（基帶設備、S固態(tài)功放）和無源（天伺饋設備）兩個部分分別進行試驗驗證。

首先，對有源部分鏈路進行測試。將基帶設備輸出的擴頻小信號經S固態(tài)功放進行放大，利用雙工器的分頻作用，雙工器發(fā)射端接大功率負載，用于發(fā)頻功率吸收，接收端接收分頻信號，再經低噪放放大后送至頻譜儀。

在S固態(tài)功放連續(xù)波功率800W輸出條件下，進行了多次測試及長時間拷機，頻譜儀上的收帶底噪均保持不變，沒有出現(xiàn)干擾現(xiàn)象。在此基礎上，進一步試驗驗證了只要加入天伺饋設備，收帶內就會出現(xiàn)干擾現(xiàn)象，并且在天伺饋設備鏈路中增加額外發(fā)阻或者收阻濾波器，并進行阻抗匹配調節(jié)，保證鏈路匹配良好的情況下，新加濾波器仍然不起作用。

上述試驗證實了該問題是由后端的無源設備是天伺饋設備引起的，其信號的特征和無源互調信號特性是一致的，從而判定S擴頻測控系統(tǒng)中出現(xiàn)的收發(fā)干擾問題就是無源互調問題。無源互調問題的產生機理十分復雜，目前還沒有完善的理論模型和行之有效的分析評估手段，在工程設計中，衡量系統(tǒng)無源互調水平主要依賴于試驗測試。

四、改進措施及驗證

在實際工程項目中，針對系統(tǒng)中比較容易產生無源互調的關鍵設備進行了改進。其中連接器、饋源、濾波器以及裝配等是重點考慮的對象。

（一）連接器

在大功率條件下，不同設備直連處是容易產生無源交調的地方，系統(tǒng)中主要有波同轉換、波紋管電纜接頭。

1.波同轉換

在波導極化開關與饋線的連接處一般采用波同轉換，一端為BJ22接口，另一端采用N型頭或者L29型接頭。采取的措施是：將N型接頭改為L29型接頭，增加連接器內外導體的電流接觸面積，降低電流密度[9]；波同轉換采用直通式結構，波導腔體、調諧桿和連接器內導體均一體化加工；波腔體內部以及連接器內導體采用鍍銀涂層。采用這些措施用來降低波同轉換的材料非線性以及接觸非線性。

2.波紋管電纜接頭

天伺饋設備中，在發(fā)射機輸出端到方位關節(jié)、方位關節(jié)到俯仰關節(jié)、俯仰關節(jié)到極化開關的三段電纜一般采用13/8波紋管電纜。試驗表明電纜的駐波系數小不見得無源互調產物就小，反之駐波系數大無源互調產物肯定高。波紋管電纜接頭的制作非常關鍵，制作過程中不僅要關注駐波系數指標，同時，操作要規(guī)范，剝外被時不要傷到外導體；線纜切割截面要打磨，確保界面及內導體平整光滑；要對線纜端、連接器進行酒精清洗，避免存在雜質或污染；裝配時接頭要連接牢固，避免存在接觸不良的問題。

（二）饋源網絡

測控天線饋源網絡一般由網絡圓盤、隔板極化器和喇叭組成，如圖3所示。

網絡圓盤用于跟蹤信號的提取，由三層部件組成，外形呈圓形，接觸面積較大，部件間有縫隙，易產生接觸非線性。改進的措施是增加螺釘緊固，使部件間緊密接觸，同時增加部件內部電橋的支撐，確保電氣性能的穩(wěn)定。

隔板極化器用于信號的極化分離，改進的措施是增加隔板厚度，避免在焊接時發(fā)生形變；加固隔板極化器與網絡圓盤的緊密連接；碳纖維材料喇叭改為全鋁材一體化喇叭，減少材料非線性引起的無源交調。

（三）濾波器

濾波器也是測控鏈路中常用的一類設備，主要是收阻、發(fā)阻濾波器和雙工器。濾波器的改進要點是在濾波器腔體內表面進行鍍銀處理，雖然銀易與大氣中的硫化氫發(fā)生氧化反應生成硫化銀，使銀表面變色，但不會對電氣性能包括無源互調性能產生任何影響；另一方面濾波器內部諧振腔和調諧螺桿盡量一體化加工，邊緣處采用倒角處理，避免局部電流密度過大，引起微放電，降低濾波器電氣性能。

（四）裝配

在實際工作中發(fā)現(xiàn)，設備裝配對系統(tǒng)的無源交調性能也有很大的影響。天伺饋設備中的發(fā)饋線采用了較多的BJ22波導，尺寸大質量重，裝配時，首先要對法蘭面及波導腔體內部進行清洗，避免殘留物、汗液等存在；固定時，安裝面要受力均勻，接觸良好，同時做好饋線的支撐、固定工作；最后檢查饋線氣密性，避免水汽進入波導腔體內部。

最后，對無源互調問題進行了驗證。通過多次拷機測試，收帶內再沒有出現(xiàn)隨機冒尖或底噪整體抬升的現(xiàn)象，證實了改進措施的有效性和正確性。

五、結束語

本文對航天測控站出現(xiàn)的收發(fā)干擾問題進行了分析，確認了測控系統(tǒng)中收發(fā)干擾問題就是大功率條件下的無源互調問題，根據無源互調的影響因素，對測控系統(tǒng)中關鍵部件進行了針對性改進，解決了實際測控系統(tǒng)中出現(xiàn)的無源互調問題，驗證了理論分析的準確性。希望通過該問題的處理，為以后測控系統(tǒng)中出現(xiàn)的類似問題提供一定的工程借鑒意義。

無源互調問題是一個系統(tǒng)工程問題，是多載波系統(tǒng)中的正常現(xiàn)象，難以根本消除。在航天測控系統(tǒng)總體設計中，應把該問題納入設計范疇，從系統(tǒng)收發(fā)頻率規(guī)劃、無源互調指標的逐級分解等進行考慮，特別是在天伺饋設備中，從方案設計、加工、安裝、測試等各階段都要有切實可行的落實手段。

作者單位：李成虎 西南電子技術研究所

參? 考? 文? 獻

[1]張世全.微波與射頻頻段無源互調干擾研究[D].西安：西安電子科技大學博士論文，2004：13-15.

[2]張世全.無源互調干擾導論[M].西安：西安電子科技大學出版社，2014.

[3]黃景民，梁童，曾二剛，等.國內移動通信系統(tǒng)共建共享時的互調干擾分析[J].電信工程技術與標準化，2013，9：48-53.

[4]譚慶艷，莊劍.無線通信系統(tǒng)中三階交調的研究[J].電子技術，2014，12：20-21.

[5]李殷喬，雷繼兆，佟金成，等.通信衛(wèi)星無源互調控制及驗證研究[J].空間電子技術，2017，2：47-51.

[6]李瑜華，景莉莉，張明濤，等.大功率饋源類產品低PIM結構設計[J].太赫茲科學與電子信息學報，2020，18（4）：633-638.

[7]閆春生，于益農，劉敏.深空站建設中PIM噪聲的預防和控制[J].飛行器測控學報，2010 29（2）：21-26.

[8]楊慧杰.擴頻通信體制中天線無源互調分析[J].微波學報，2012，S2：153-156.

[9]葉鳴，吳馳，賀永寧，等.S波段波導同軸轉換器的無源互調特性實驗研究[J].電波科學學報，2015，30（1）：183-187.