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      波導法蘭連接的無源互調(diào)分析與測量

      2012-03-17 07:21:22張輝
      電子設(shè)計工程 2012年18期
      關(guān)鍵詞:墊片無源波導

      張輝

      (武警工程大學 陜西 西安 710086)

      近年來,隨著微波部件集成度的不斷提高、發(fā)射機功率的不斷增大以及接收機靈敏度的不斷提高,無源互調(diào)(Passive Intermodulation,PIM)問題越來越來引起人們的重視[2-4]。無源互調(diào)產(chǎn)生的非線性機理可以歸結(jié)為2類:接觸非線性和材料非線性[5]。其中,對材料非線性已經(jīng)研究得比較透徹,但接觸非線性目前不是很清楚,這給準確預測PIM功率電平帶來了困難。引起PIM的非線性效應機理錯綜復雜,依據(jù)這些機理對PIM進行研究的理論模型還很少,導致開發(fā)低PIM微波通信系統(tǒng)的周期長、成本高。

      1 波導法蘭連接的模型分析

      在各類微波器件中,波導法蘭連接形成的波導結(jié)是極為常見的一種結(jié)構(gòu)。通常,波導法蘭在自然條件下易與空氣發(fā)生反應,其表面覆蓋一層絕緣層,該絕緣層的主要成份為氧化物,也可能含有硫化物等其他成份(對于鋁波導法蘭而言,主要成份為氧化鋁)。宏觀上波導法蘭連接結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。

      除了具有表面氧化層外,由于機械加工的原因,波導圖1 波導法蘭連接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram ofwaveguide flange connection structure法蘭連接表面總有一定的粗糙度。這樣,從微觀上看,2個波導法蘭的連接并不是百分之百的接觸,而是只在那些表面有凸起的地方才會有實際接觸。圖1(b)給出了這一情形的示意圖,微米級的孔隙表征了粗糙度,絕緣層的厚度則通常在納米級。從圖1(b)可以看出,波導法蘭連接實際上形成MIM結(jié)構(gòu),即“金屬-絕緣體-金屬”結(jié)構(gòu)。具體如天線饋電系統(tǒng)中的波導法蘭連接、大型反射天線中的鉚釘鉚接等[6-7]。

      2 波導法蘭連接的PIM測量

      為了對波導法蘭連接的PIM進行測量[8],假設(shè)輸入載波頻率分別為:

      則落入被測量的頻譜上限的三階PIM產(chǎn)物頻率為:

      1)測量樣品

      用于本文測量的樣品是純鋁(純度大于99.9%)和鍍銀的鋁波導法蘭(22.86×10.16mm)。銀的厚度約為 10 μm。鋁作為基板材料,銀作為涂敷材料,這是因為它們在空間應用中是最具有代表性的波導材料。

      如圖2所示,波導具有2種不同的法蘭。一種是待測法蘭(6個螺孔),而另一種(8個螺孔)是與實驗裝置相連的接頭。后者不應增加額外的PIM電平到噪聲基底中去,這就是使用八孔法蘭結(jié)構(gòu)作為裝置接頭的理由,且盡量使用最大可能的壓力(對M3(3mm直徑)螺絲80 N/cm2)。待測法蘭是六孔法蘭而不是標準法蘭(4個螺孔),這是為了最大限度地降低機械不穩(wěn)定性。

      圖2 六孔波導法蘭與八孔波導法蘭Fig.2 The eight hole and six-holewaveguide flange

      除了純鋁波導法蘭連接之外,我們可插入墊片以研究它們對波導法蘭連接的PIM的影響。這里所用的墊片都是鋁制的,厚度為3mm,具有兩種結(jié)構(gòu):平式結(jié)構(gòu)或者橋式結(jié)構(gòu)。圖3和圖4顯示了這些墊片的圖片和設(shè)計。

      圖3 左邊為平墊片,右邊為橋式墊片F(xiàn)ig.3 Left for the gasket, the right for the bridge type gasket

      圖4 墊片的尺寸Fig.4 Pad size

      這些墊片的所有表面都進行了大約0.4μm的修整。為了測量典型工程表面的PIM電平,這里沒有做進一步的拋光處理。

      施于螺栓的力矩是由標準改錐進行測量的,這在所使用的力矩范圍之內(nèi),精度可以達到5%以內(nèi),且力矩總是以扭力矩方式作用于螺絲的。

      2)測量裝置

      由于極高靈敏度的要求,在PIM測量中一流的測量裝置是至關(guān)重要的。對于每個輸入載波功率為170W的情形,所用測量裝置的噪聲基底為-145 dBm。無源互調(diào)的測量裝置如圖 5所示[9]。

      通過冪級數(shù)法可以計算PIM的功率電平。波導法蘭連接參數(shù)對PIM的影響規(guī)律如圖6所示。從圖6可以看出,PIM功率隨所施加壓力的增大而緩慢減小,直到某個壓力(104Pa)使其急劇減小。這是因為:在低機械負載情形,接觸電阻通過非接觸電容起主導作用,且實際接觸面積很小,壓力的改變并不明顯影響波導法蘭連接的總阻抗,因此PIM功率緩慢減小;當機械負載增加時(104Pa),接觸電阻和束縛電阻提供了波導法蘭連接的電響應,壓力的微小變化能改變實際接觸面積,從而顯著改變總阻抗的大小,使PIM功率急劇減小。在保持輸入載波功率之和不變的情況下,通過調(diào)節(jié)載波功率之比可以觀察PIM功率的變化規(guī)律。

      3 結(jié) 論

      文中基于波導法蘭連接的無源互調(diào)模型分析及計算,結(jié)果表明:PIM階數(shù)越高,PIM功率越低;法蘭連接間的接觸壓力越大,PIM功率越小。高階PIM隨輸入功率的增加而增加的速度小于傳統(tǒng)冪級數(shù)方法的預測值,使本文的數(shù)據(jù)在一定的程度上符合實際的結(jié)果。

      [1]張世全.微波與射頻頻段無源互調(diào)干擾研究 [D].西安:電子科技大學,2004.

      [2]LuiPL.Passive intermodulation interference in communication systems[J].IEE Electronics & Communication Engineering Journal,1990,2(3):109-118.

      [3]Helme B GM.Passive intermodulation of ICT components[C]//IEE Colloquium on Screening Effectiveness Measurements,1998:111-118.

      圖5 無源互調(diào)測量裝置Fig.5 Passive intermodulation measuring device

      圖6 連接參數(shù)對PIM的影響Fig.6 Connection parameters on the impact of PIM

      [4]StetteG.R.Calculation of intermodulation from asingle carrier amplitude characteristic[J].IEEE Transactions on Communications,1974,22(3):319-323.

      [5]王輝球.無源互調(diào)問題的初步研究[D].西安:航天工業(yè)總公司五零四研究所,1997.

      [6]葉強,周浩森,鄒新民.基于計算機一體化無源互調(diào)測試系統(tǒng)的研究[J].儀器儀表學報,2009,30(7):1540-1545.

      YE Qiang,ZHOU Hao-sen,ZOU Xin-min. Study on computer-based integrated passive inter-modulation measurement system[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2009,30(7):1540-1545.

      [7]葉鳴,賀永寧,王新波,等.基于粗糙表面模型的微波波導連接的無源互調(diào)研究[J].微波學報,2010(4):65-69.

      YE Ming,HE Yong-ning,WANG Xin-bo,et al.Study of passive intermodulation about connection of the microwave waveguide based on the rough surface model[J].Journal of Microwaves,2010(4):65-69.

      [8]Pedro J C,Carvalho N.B.Intermodulation Distortion in Microwave and Wireless Circuits[M].Norwood, MA:Artech House,2003.

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