衛星被動交互調變失真 (PIM) 檢測：高功率微波元件的測試與預防

在衛星通訊的鏈路預算書中，我們通常假設導波管、天線饋源、濾波器與連接器等「被動元件」是完美的線性系統，然而當發射功率攀升至數百瓦甚至千瓦等級，且多載波聚合技術使頻譜變得異常擁擠時，物理學告訴我們一個殘酷的事實：在高功率密度下，沒有絕對線性的被動元件。

這種被稱為 被動交互調變失真（Passive Intermodulation, PIM） 的現象，正成為新一代高通量衛星（HTS）與深空探測任務的隱形殺手，它不像主動元件的飽和失真那樣容易預測，PIM 往往源自於微觀結構的缺陷，且其產生的干擾訊號雖然微弱，卻足以淹沒靈敏度極高的接收機底噪。

物理機制：從「生鏽螺栓」到量子穿隧

PIM 的產生並非單一原因，而是多種物理效應的疊加，工程師常將其統稱為「二極體效應」或「非線性接面效應」，當兩個或多個高功率載波訊號同時通過一個非線性接點時，它們會混頻並產生新的頻率成分。

• 接觸非線性（Contact Nonlinearity）：
  這是最常見的成因，俗稱「生鏽螺栓效應（Rusty Bolt Effect）」，在金屬連接處，微小的氧化層、髒污或粗糙表面會形成金屬-氧化物-金屬（MOM）結構，這本質上就是一個微型的穿隧二極體，當大電流流過時，電子會發生量子穿隧效應，對訊號進行整流並產生諧波。
• 材料非線性（Material Nonlinearity）：
  使用鐵磁性材料（如鎳、鐵）作為連接器底層或電鍍層，會因為磁滯現象（Hysteresis）而產生非線性磁導率，進而引發 PIM，這也是為什麼高品質射頻連接器嚴禁使用鎳鍍層的原因。
• 電熱效應（Electro-thermal PIM）：
  在極高功率下，導體表面的電流密度分布不均會導致微秒級的週期性溫度變化，進而改變金屬的導電率，這種隨訊號包絡變化的電阻調變，也會產生交互調變失真。

 

數學上的夢魘：三階交互調變的必然性

PIM 產生的頻率位置是可以精確計算的，若有兩個高功率載波頻率 F1 和 F2（假設 F1 小於 F2），最危險的產物通常是 三階交互調變（IM3），其頻率位置發生在 2倍的 F1 減去 F2，以及 2倍的 F2 減去 F1 的位置。

 

工程痛點： 在全雙工通訊系統中，發射頻段（Tx）與接收頻段（Rx）通常相鄰，不幸的是，三階、五階甚至七階交互調變產物，往往就精準地落在自身的接收頻帶內，例如：一個位於 2.1 GHz 的發射訊號與 1.9 GHz 的訊號交互調變，可能在 1.7 GHz 產生干擾，若這正是上行鏈路的頻率，衛星就會發生「自我干擾（Self-jamming）」，導致接收靈敏度急劇下降，甚至造成通訊鏈路中斷。

 

嚴苛的測試規範與挑戰

依據 ECSS-E-ST-50-12C（歐洲太空總署標準）與 IEC 62037 系列標準，對於高品質微波組件的 PIM 要求通常需低於 -140 dBc 甚至 -160 dBc，這意味著如果你發射兩個 +43 dBm (20瓦) 的訊號，你必須能夠檢測到一個 -97 dBm 甚至更低的干擾訊號，這帶來了三大實務難題：

1. 動態範圍的極限：
   測試儀器必須能在強大的發射載波旁，看見極其微弱的 PIM 訊號，這就像要在探照燈直射眼睛的情況下，尋找旁邊的一隻螢火蟲。
2. 環境的純淨度：
   測試必須在電波暗室中進行，且暗室內的吸波材料、轉台甚至測試電纜本身，都不能產生 PIM，任何一個鬆動的螺絲或品質不良的轉接頭，都會導致測試失敗（False Positive）。
3. 熱真空（TVAC）的變數：
   金屬在太空中會經歷劇烈的熱脹冷縮，一個在常溫下鎖緊的法蘭，可能在低溫下因為收縮不均而鬆動，導致接觸電阻改變，誘發 PIM。因此，最高階的驗證必須在熱真空艙內進行動態監測。

 

面對上述從微觀材料到宏觀環境的嚴苛挑戰，單一的頻譜分析儀或訊號產生器已不足以應對，您需要的是一套經過精心設計、校準且具備極低殘留 PIM 的 「高功率被動元件驗證系統」，我們提供 Rohde & Schwarz (R&S) 的高階量測儀器與專用的 PIM 測試組件，提供從元件級到整星級的一站式解決方案。

方案核心：雙音激勵與超高靈敏度接收

R&S 的系統架構遵循 PIM 測試的黃金標準：雙載波法（Two-Tone Method）。

• 高純度訊號源與功率放大：
  使用兩台 R&S SMW200A 向量訊號產生器（或單台雙路徑機型），產生極低相位雜訊的連續波（CW）訊號，這些訊號經過高線性度的大功率放大器（HPA）放大後，不僅要達到測試所需的功率（如 20W - 100W），更重要的是，放大器本身的 PIM 必須遠低於待測物。
• 低 PIM 合路與濾波：
  這是系統的心臟，R&S 採用特殊設計的 低 PIM 雙工器與合路器 (PIM-free Power Combiner)，將兩路大功率訊號無失真地結合並送入待測物（DUT），這些被動元件經過特殊電鍍與無焊接製程處理，確保儀器端產生的交互調變產物低於 -170 dBc，保證量測到的 PIM 確實來自您的產品。

 

關鍵技術：高動態範圍頻譜分析

在接收端，可配置 R&S FSW 訊號與頻譜分析儀：

• 極致的靈敏度： 憑藉其領先業界的相位雜訊性能與高達 80 dB 以上的無雜散動態範圍（SFDR），FSW 能夠在強大的載波訊號旁，清晰地解析出微弱的 PIM 產物（IM3, IM5, IM7）。
• 無需額外濾波的直測能力： 傳統方案往往需要昂貴的陷波濾波器（Notch Filter）來壓制載波以保護頻譜儀，FSW 的高動態範圍設計，在許多情況下允許放寬對濾波器的要求，簡化了測試路徑，減少了引入額外 PIM 的風險。

憑藉極高的動態範圍，R&S®FSW 無需外接陷波濾波器 (Notch Filter) 即可直接量測接收頻段雜訊，相較於其他分析儀需加掛濾波器來濾除強大的發射訊號，FSW 在強訊號干擾下仍能保持低雜訊量測性能，大幅提升測試效率與速度。
 

進階應用：PIM 定位與熱真空整合

除了單純量測 PIM 數值，我們的整合方案還能協助工程師「找到」PIM 的源頭。

• 距離域 PIM 分析（Distance-to-PIM）： 透過掃頻或特定調變技術，系統可以計算 PIM 訊號的回波延遲，進而定位出 PIM 是發生在測試電纜的接頭、法蘭盤，還是待測物內部的某個濾波器螺絲上。
• TVAC 環境整合： 針對太空規格驗證，R&S 提供能穿越熱真空艙壁的低 PIM 導波管傳輸套件，這讓敏感的儀器能留在艙外，同時確保大功率訊號能低損耗、低 PIM 地傳輸到位於真空艙內的待測物，並在 -180°C 至 +150°C 的溫度循環中即時監控 PIM 變化。

R&S®ZN-Z33 在線校正單元專為在熱真空環境（TVAC）內運作而設計

 

R&S®ZN-Z30 CAN 匯流排網路，以及 R&S®ZN-Z32 與 R&S®ZN-Z33 校正單元的控制，皆已整合至 R&S®ZNA 的 R&S®SMARTerCal 概念中，可實現無縫的遠端控制校正與原位（in situ）重新校正，R&S®ZN-Z33 在線校正單元的工作頻率最高可達 40 GHz，並可提供符合熱真空（TVAC）環境要求的版本。
 

自動化與保護機制

系統內建 智慧型保護迴路，一旦偵測到反射功率過大（可能因 DUT 損壞或連接不良），會在微秒級時間內關閉放大器，保護昂貴的衛星酬載與測試設備，同時自動化軟體能執行功率掃描（Power Sweep）與頻率掃描（Frequency Sweep），快速繪製出 PIM 相對於功率的斜率曲線，協助研發人員判斷 PIM 的物理成因（例如：斜率為 3:1 通常代表接觸非線性）。
實際系統配置將因應您的測試應用、規範、場地限制及待測物特性而有所不同。如需深入規劃與系統或軟硬體選配搭配建議，請聯繫「奧創團隊」，我們擁有豐富的系統整合經驗，隨時準備為您提供最專業的配置建議與技術支援。

立即聯繫奧創系統，讓我們協助您在地面就掃除雜訊風暴，確保您的微波元件在太空中展現最純淨的訊號品質。