航天测控站无源互调问题初探

摘要：对航天测控站S扩频测控系统中出现的无源互调问题进行了探讨。随着测控体制的多样化，在一些测控系统中出现了收发干扰的问题，在系统中进一步增加收阻或发阻滤波抑制并不能使问题得到改善。本文通过分析认为测控系统中收发干扰问题即是无源互调问题，并根据无源互调的特点，结合实际工程情况，对上行链路中的连接器、馈源网络、滤波器以及装配等关键方面采取了改进措施，通过实际工程验证，证实了所采取措施的有效性，解决了该测控系统中的无源互调问题。该问题的解决，希望为以后测控系统出现的类似问题提供可供参考的方向和方法。

关键词：大功率；扩频测控；收发干扰；无源互调

一、引言

无源互调（Passive Inter-Modulaton，PIM）是无源器件产生的互调产物。所有的无源器件实际上都存在一定程度的非线性，当其工作在小信号条件下，可认为是线性的，但随着功率的增加，无源器件的非线性失真就会明显地表现出来，即无源互调现象。当无源互调产物落在有用频带内，特别是接收带内时，将会影响系统的正常工作。

目前的研究[1]认为，引起无源互调问题的原因主要是材料非线性和接触非线性，前者是指具有固有非线性导电材料引起的非线性，如铁、镍、钴及其合金、镧系元素、镁与铝合金等铁磁材料和碳纤维材料。后者是指具有非线性电流/电压行为的接触引起的非线性，如连接处的松动、腐蚀和氧化等，特别是接触面电流密度越大，对无源互调越不利。

相比有源互调（Active Inter-Modulaton，AIM），无源互调有其特有的性质[2]：无源互调产物无法用滤波器进行滤除，链路上加载的滤波器只能将其前面的无源互调产物滤除，滤波器之后的无源互调产物依然无法滤除；无源互调产物具有门限效应，随着功率的增加，互调产物会毫无征兆地出现；无源互调产物随着时间而变化，材料的氧化、连接处接触压力变化、电缆弯曲程度等均会随时间发生改变，进而影响系统的非线性程度；无源互调产物可呈现宽带噪声特性，类似测控系统中收带底噪整体抬升的现象。

无源互调问题在移动通信系统、卫星通信系统中得到了越來越多的重视，报道的文献有很多[3-6]，但在国内关于航天测控系统相关文献报道寥寥无几，据查到的文献是在2000年北京跟踪与通信技术研究所的闫春生等人发表过的一篇相关文章[7]，文章中对深空站建设中无源互调问题预防和控制进行了理论分析。

本文针对航天测控站中出现的无源互调问题进行了分析、针对性设计及验证，最终解决了实际测控系统中出现的无源互调问题。

二、存在的问题

近年来，在新研的测控数传系统S频段扩频测控系统中，有时会出现收发干扰问题，即在发射机输出一定功率条件下，接收带内会产生随机的干扰信号，具体表现为：在发射机功率输出的情况下，在收带内突然冒出随机的干扰信号或者出现收带底噪整体抬升的现象；功率的增加，现象恶化更为严重；同时干扰信号随着时间也存在一定的变化。收带内干扰信号频谱如图1所示。正是因为这些特征，最初的问题分析及排查是一个反复、漫长的过程。

三、原因排查分析

针对收发干扰问题，结合对无源互调的认识，初步判定该问题是无源互调问题。

（一）扩频信号分析

无源互调是指在大功率条件下，两个或两个以上的载波经过无源器件时，由于无源器件的非线性，导致在无源器件中产生的载波频率组合分量。在S频段扩频测控系统中，测控基带输出的扩频信号是一个带宽为20M左右的扩频调制信号，通过对扩频信号的频谱特征分析[8]可知，一个扩频信号可以由无数条离散谱线组成，其等效于一个多载波信号。在大功率条件下，收带内的互调产物随着载波数目的增加而急剧增加，此时，无源互调干扰与宽带噪声没有太大区别，这正是收带底噪整体抬升的原因。

（二）干扰源分析

S频段测控系统的基本框图如图2所示。

基带设备输出的扩频调制信号，经上行固态功放进行放大后送给天伺馈设备，同时外部有用信号经天伺馈设备进行接收，并经过下行低噪放进行放大后送给基带设备进行解调处理。

收发干扰问题只有在上行功率输出的条件下才会出现，因此首先排除了下行信道的问题。

为了进一步区分是有源干扰还是无源干扰，将系统分为有源（基带设备、S固态功放）和无源（天伺馈设备）两个部分分别进行试验验证。

首先，对有源部分链路进行测试。将基带设备输出的扩频小信号经S固态功放进行放大，利用双工器的分频作用，双工器发射端接大功率负载，用于发频功率吸收，接收端接收分频信号，再经低噪放放大后送至频谱仪。

在S固态功放连续波功率800W输出条件下，进行了多次测试及长时间拷机，频谱仪上的收带底噪均保持不变，没有出现干扰现象。在此基础上，进一步试验验证了只要加入天伺馈设备，收带内就会出现干扰现象，并且在天伺馈设备链路中增加额外发阻或者收阻滤波器，并进行阻抗匹配调节，保证链路匹配良好的情况下，新加滤波器仍然不起作用。

上述试验证实了该问题是由后端的无源设备是天伺馈设备引起的，其信号的特征和无源互调信号特性是一致的，从而判定S扩频测控系统中出现的收发干扰问题就是无源互调问题。无源互调问题的产生机理十分复杂，目前还没有完善的理论模型和行之有效的分析评估手段，在工程设计中，衡量系统无源互调水平主要依赖于试验测试。

四、改进措施及验证

在实际工程项目中，针对系统中比较容易产生无源互调的关键设备进行了改进。其中连接器、馈源、滤波器以及装配等是重点考虑的对象。

（一）连接器

在大功率条件下，不同设备直连处是容易产生无源交调的地方，系统中主要有波同转换、波纹管电缆接头。

1.波同转换

在波导极化开关与馈线的连接处一般采用波同转换，一端为BJ22接口，另一端采用N型头或者L29型接头。采取的措施是：将N型接头改为L29型接头，增加连接器内外导体的电流接触面积，降低电流密度[9]；波同转换采用直通式结构，波导腔体、调谐杆和连接器内导体均一体化加工；波腔体内部以及连接器内导体采用镀银涂层。采用这些措施用来降低波同转换的材料非线性以及接触非线性。

2.波纹管电缆接头

天伺馈设备中，在发射机输出端到方位关节、方位关节到俯仰关节、俯仰关节到极化开关的三段电缆一般采用13/8波纹管电缆。试验表明电缆的驻波系数小不见得无源互调产物就小，反之驻波系数大无源互调产物肯定高。波纹管电缆接头的制作非常关键，制作过程中不仅要关注驻波系数指标，同时，操作要规范，剥外被时不要伤到外导体；线缆切割截面要打磨，确保界面及内导体平整光滑；要对线缆端、连接器进行酒精清洗，避免存在杂质或污染；装配时接头要连接牢固，避免存在接触不良的问题。

（二）馈源网络

测控天线馈源网络一般由网络圆盘、隔板极化器和喇叭组成，如图3所示。

网络圆盘用于跟踪信号的提取，由三层部件组成，外形呈圆形，接触面积较大，部件间有缝隙，易产生接触非线性。改进的措施是增加螺钉紧固，使部件间紧密接触，同时增加部件内部电桥的支撑，确保电气性能的稳定。

隔板极化器用于信号的极化分离，改进的措施是增加隔板厚度，避免在焊接时发生形变；加固隔板极化器与网络圆盘的紧密连接；碳纤维材料喇叭改为全铝材一体化喇叭，减少材料非线性引起的无源交调。

（三）滤波器

滤波器也是测控链路中常用的一类设备，主要是收阻、发阻滤波器和双工器。滤波器的改进要点是在滤波器腔体内表面进行镀银处理，虽然银易与大气中的硫化氢发生氧化反应生成硫化银，使银表面变色，但不会对电气性能包括无源互调性能产生任何影响；另一方面滤波器内部谐振腔和调谐螺杆尽量一体化加工，边缘处采用倒角处理，避免局部电流密度过大，引起微放电，降低滤波器电气性能。

（四）装配

在实际工作中发现，设备装配对系统的无源交调性能也有很大的影响。天伺馈设备中的发馈线采用了较多的BJ22波导，尺寸大质量重，装配时，首先要对法兰面及波导腔体内部进行清洗，避免残留物、汗液等存在；固定时，安装面要受力均匀，接触良好，同时做好馈线的支撑、固定工作；最后检查馈线气密性，避免水汽进入波导腔体内部。

最后，对无源互调问题进行了验证。通过多次拷机测试，收带内再没有出现随机冒尖或底噪整体抬升的现象，证实了改进措施的有效性和正确性。

五、结束语

本文对航天测控站出现的收发干扰问题进行了分析，确认了测控系统中收发干扰问题就是大功率条件下的无源互调问题，根据无源互调的影响因素，对测控系统中关键部件进行了针对性改进，解决了实际测控系统中出现的无源互调问题，验证了理论分析的准确性。希望通过该问题的处理，为以后测控系统中出现的类似问题提供一定的工程借鉴意义。

无源互调问题是一个系统工程问题，是多载波系统中的正常现象，难以根本消除。在航天测控系统总体设计中，应把该问题纳入设计范畴，从系统收发频率规划、无源互调指标的逐级分解等进行考虑，特别是在天伺馈设备中，从方案设计、加工、安装、测试等各阶段都要有切实可行的落实手段。

作者单位：李成虎 西南电子技术研究所

参  考  文  献

[1]張世全.微波与射频频段无源互调干扰研究[D].西安：西安电子科技大学博士论文，2004：13-15.

[2]张世全.无源互调干扰导论[M].西安：西安电子科技大学出版社，2014.

[3]黄景民，梁童，曾二刚，等.国内移动通信系统共建共享时的互调干扰分析[J].电信工程技术与标准化，2013，9：48-53.

[4]谭庆艳，庄剑.无线通信系统中三阶交调的研究[J].电子技术，2014，12：20-21.

[5]李殷乔，雷继兆，佟金成，等.通信卫星无源互调控制及验证研究[J].空间电子技术，2017，2：47-51.

[6]李瑜华，景莉莉，张明涛，等.大功率馈源类产品低PIM结构设计[J].太赫兹科学与电子信息学报，2020，18（4）：633-638.

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