非线性媒质无源交调电平预测

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1、2010年6月第3期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology43非线性媒质无源交调电平预测唐志辉李洪超王苏明(东莞理工学院城市学院，东莞523000)摘要无源互调(PIM)作为地面基站天线、卫星天线系统中一种重要的干扰因数，在PIM问题的研究中，功率电平的预测是一个难点。文章对两种预测方法进行了深入的比较研究，建立了数学模型，并通过计算机仿真获得了在不同输出测量误差及相同输入工作电压情况下两种方案的3、5、7阶PIM的预测误差；通过与相关参考文献中实际测量值的比较分析，探讨

2、了这两种预测方案的合理性、有效性。关键词无源互调功率电平预测计算机仿真预测误差天线系统1引言通信系统中由于某些无源部件具有非线性媒质特性而产生电压一电流非线性关系，当输人为两个或更多的载波时，载波混频产生载波的不同谐波的和或差频信号，这种不同谐波的和或差频信号就是无源互调产物(PassiveIntermodulation，PIM)。典型的PIM由同轴电缆、波导、连接器、多路耦合器、铁丝网、塔、和天线杆中的非线性物件产生。PIM产物的功率电平比较低，且随着阶次的增大而迅速减小，但如果PIM产物落入高灵敏的接收机带内

3、，它能造成接收机性能下降，严重时可能导致整个接收系统失效，使系统处于瘫痪状态。尤其在收发共用天线系统中，PIM问题就显得更加突出，如使用多频发射的地面站天线、卫星天线系统等。PIM问题是一个复杂的问题，其产生机理现在还没有完全研究清楚，除通常公认的非线性材料，如铁氧体、铁、镍、钴等外，一般认为其与被测件表面污染物的存在(即烟尘、油污、汗渍、氧化物和一些清洁剂)、湿度(包括潮气和可能的腐蚀积累)以及热变化并由此导致在导体表面特别是接触面的非线性变化等因素有关。但对于工程应用来说，更重要的是研究如何获得其影响的大小和

4、如何能避免或尽量地减小这一影响，因此，对PIM问题进行研究主要是以下三个方面[1-5J。1)频率的预测：给定发射频带和接收频带，计算出有哪些阶的互调产物落入接收通带，以及如何合理的配置频率，尽量使低阶的互调产物远离接收频带的问题。这一方面已通过编程搜索，得到了较好的解决。2)PIM产物的直接测量：通过试验的方法直接测量得到一定输入信号下的互调产物幅度。这方面已有较成熟的测试方法和专用的可商购的测试仪器，如频谱仪、PIM测试仪、NPR(噪声功率比)测试仪等。3)PIM功率电平的预测：预测的方法一是通过测量被测件在单

5、频工作条件下的输入输出特性，通过传递函数的模拟来计算各阶的PIM[6_71；方法二是根据测量得到的低阶互调产物值，计算预测高阶的PlML8J。在PIM的问题中，功率电平的预测是研究的一个难点。在天线和微波系统的设计中，材料的收稿日期：2009-10—21。收修改稿日期：2009—12。18!!主垦窒间塾兰堇查!旦!!笙!旦选用、工艺的控制、环境的防护等，都须预估所用的物件可能产生的PIM电平；在通过测量已经发现在接收端口存在较高的PIM时，需要找出原因，也需要对可能产生PIM的物件，进行逐一分析定位、电平预估。对

6、PIM的评估是一个很需要解决，但尚未解决好的问题，也是一个逐渐积累数据的过程。因此探讨有效的预测方法，十分重要。本文旨在对上述两种预测方法进行深入的比较研究，以便为选择合理的预测方案提供依据。2PIM功率电平预测的数学模型上述两种预测方法，都是基于目前通用的对被测件的非线性特性的幂级数多项式展开模拟的数学模型，即：Y一口(X)X—a。(O)+口。(1)X+口。(2)X2+⋯+口。(M)XM(1)式中X表示输入的电压(或电流)，可以是单载波，也可以为多载波的总和；口。(“)为“阶(“=o，1，2，⋯，M)展开系数，

7、二次以上的系数越小，表示线性度好，反之则差；口(X)表示被测件具有随X而变的电导，若为不随X而变的常数，则为线性电导媒质；Y表示输出的电流(或电压)。如果是单载波输入，y包含了基频和所有谐波的电流，y输出等效为一个宽带电流检波器的输出；如果是非单载波输入发生了交调，则Y包含了所有频谱的电流(或电压)的总和。最高次幂M的取值应等于或大于需要评估的PIM的最高阶次，被模拟的曲线变化剧烈或者近似的程度要求高时，M应取更大值。被测件可以是从天线一发射机接口到天线一接收机入口的整个天线系统，也可以是一个部件，如双工器、旋转

8、关节、一根电缆组件、网状反射器等，或者甚至是天线附件的一个散射体。设被测件的输入信号为两个频率信号的合成，且两信号幅度相等，即：X—A1cos01+A2cosOz，且A=A1=A2式中口，、巩为输入信号的角频率乘以时间；A为输入信号的幅度。取M=7，代入式(1)推导整理，不难得到关心的基波i，，及3、5、7阶PIM信号与系数口。(“)的关系如下：“弘(1)·A+百9以3)