非接觸式低無源互調(diào)溫箱穿倉接口技術(shù)

陳 翔,胡少光,雙龍龍,胡天存,崔萬照

(中國空間技術(shù)研究院西安分院,西安 710000)

0 引言

無源互調(diào)(passive intermodulation,PIM)是多個大功率發(fā)射載波通過微波無源系統(tǒng)時產(chǎn)生的一種非線性互調(diào)產(chǎn)物,如果PIM產(chǎn)物落入接收通道,則可能形成干擾。PIM干擾對具備收發(fā)天線共用體制、高發(fā)射功率、高接收靈敏度等特點的航天器通信有著嚴重威脅,且會伴隨航天器通信系統(tǒng)普遍且長期存在,PIM干擾控制成為航天工程研制中至關(guān)重要的方面。產(chǎn)生PIM的主要物理機理包括材料非線性和接觸非線性,材料非線性可通過合適的材料選擇以避免,而微波部件及系統(tǒng)中普遍存在不良金屬電接觸,易產(chǎn)生接觸非線性效應(yīng),從而成為PIM的主要來源[1-2],且電接觸PIM通常呈現(xiàn)出多物理因素作用、多源隨機分布的復(fù)雜特性。在航天微波產(chǎn)品研制中,難以實現(xiàn)對其PIM性能的仿真預(yù)測,PIM檢測是評估產(chǎn)品PIM性能是否合格的唯一途徑,高性能的PIM檢測技術(shù)是支撐航天器微波產(chǎn)品研制及驗證的關(guān)鍵技術(shù)[3-4]。對于航天微波產(chǎn)品,為準確衡量其在太空環(huán)境下的PIM性能,高低溫循環(huán)PIM檢測必不可少,通常需要若干個溫度循環(huán)周期內(nèi)的長時間、連續(xù)性PIM檢測,這也對檢測系統(tǒng)的可靠性提出了較高要求。

在開展溫循PIM檢測時,需要將待測件置于溫箱內(nèi),通過溫箱側(cè)壁的預(yù)留通孔實現(xiàn)溫箱內(nèi)部待測件與外部檢測系統(tǒng)端口的連接。通常采用穿倉波導(dǎo)實現(xiàn)內(nèi)外連接,在溫箱側(cè)壁通孔的其他部位填充隔熱棉實現(xiàn)熱隔離,這種傳統(tǒng)的溫箱穿倉波導(dǎo)連接方式在PIM檢測中會導(dǎo)致以下問題:

1)影響檢測系統(tǒng)靈敏度:穿倉波導(dǎo)在溫箱內(nèi)外均通過傳統(tǒng)的法蘭連接,存在金屬電接觸,易產(chǎn)生接觸非線性,直接惡化檢測系統(tǒng)的殘余PIM性能,導(dǎo)致檢測系統(tǒng)的殘余PIM無法達到穩(wěn)定低水平,從而影響系統(tǒng)的PIM檢測靈敏度。

2)檢測系統(tǒng)穩(wěn)定度較差:穿倉波導(dǎo)位于溫箱內(nèi)部的端口處于高低溫交替狀態(tài)下,且隔熱棉缺乏對穿倉波導(dǎo)的穩(wěn)定力學(xué)支撐,待測件及檢測系統(tǒng)端口存在位置及高度差,導(dǎo)致在系統(tǒng)搭建及實測過程中極易產(chǎn)生連接部位的應(yīng)力問題。在以上溫變、應(yīng)力及外部振動等多種物理因素的共作用下,很容易使得傳統(tǒng)的溫箱穿倉連接在微觀接觸界面上的電接觸狀態(tài)不穩(wěn)定[5],從而導(dǎo)致系統(tǒng)殘余PIM電平不穩(wěn)定或永久性抬升,這對于開展長時間、高靈敏度PIM檢測十分不利。

以上兩方面問題的存在,使得傳統(tǒng)的溫箱穿倉波導(dǎo)連接方式成為PIM檢測系統(tǒng)一個重要的可靠性和穩(wěn)定性隱患,在開展溫循PIM測試之前往往需要繁瑣的連接狀態(tài)校準和穩(wěn)定性試驗工作,導(dǎo)致檢測試驗效率低下;此外,如果在長時間檢測過程中發(fā)生系統(tǒng)殘余PIM波動或惡化,則會造成檢測精確度下降或檢測結(jié)果無效。

以上問題的物理根源是傳統(tǒng)溫箱穿倉連接中的非理想金屬電接觸部位易產(chǎn)生金屬接觸非線性,從而導(dǎo)致PIM問題發(fā)生,且溫變、應(yīng)力、振動等外界因素均會直接影響接觸非線性特性[2],從而使得PIM性能不穩(wěn)定。

高壓法蘭是實現(xiàn)低PIM波導(dǎo)連接的一種重要方式,通過增壓臺配合足夠的連接壓力使得法蘭接觸面達到良好的接觸狀態(tài)以實現(xiàn)低PIM。但由于存在金屬接觸,其無法從根源上規(guī)避接觸非線性。而測試系統(tǒng)端口需要經(jīng)常性的拆卸裝配,在此過程難免會出現(xiàn)破壞連接狀態(tài)的情形,影響電連接性能的一致性,從而可能引起PIM性能惡化。且為了達到較好的連接狀態(tài),高壓法蘭對于連接操作要求較高,不利于測試系統(tǒng)端口的便捷、快速連接。

為解決上述問題,本文提出一種非接觸式低PIM溫箱穿倉接口技術(shù),利用特定設(shè)計的周期性陣列結(jié)構(gòu)可形成非金屬接觸條件下寬帶電磁屏蔽的物理原理,通過非接觸式電磁屏蔽結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對溫箱穿倉接口的非電接觸化設(shè)計,避免了其不良金屬電接觸,從根源上消除產(chǎn)生PIM的金屬接觸非線性,且非接觸式接口也避免了溫變、應(yīng)力、振動等外界因素的影響,從而可實現(xiàn)一種穩(wěn)定的低PIM穿倉電連接。首先,分析了非接觸式電磁屏蔽結(jié)構(gòu)的PIM抑制特性,并以法蘭適配器為例進行了實驗驗證,在此基礎(chǔ)上,針對Ku頻段PIM檢測系統(tǒng)技術(shù)需求,結(jié)合溫箱結(jié)構(gòu)特點,設(shè)計研制了非接觸式溫箱穿倉接口并開展了PIM試驗驗證,實測獲得了長時間溫循狀態(tài)下檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定低殘余PIM特性,在兩路100W測試載波輸入下,多個溫循周期內(nèi)檢測系統(tǒng)的三階殘余PIM均保持在-140dBm以下,獲得了極高的穩(wěn)定性和可靠性,有效提升了PIM檢測系統(tǒng)性能。

1 非接觸式電磁屏蔽結(jié)構(gòu)及其PIM抑制特性分析

1.1 非接觸EBG的PIM抑制特性

非接觸電磁屏蔽結(jié)構(gòu)基于非接觸電磁帶隙(electromagnetic band gap, EBG)原理所實現(xiàn),如圖1(a)所示,非接觸EBG結(jié)構(gòu)是指周期性單元通過一定規(guī)則排布構(gòu)成的、同時具備非接觸結(jié)構(gòu)特征和寬禁帶電磁帶隙特性的一類電磁結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱[6],可利用其電磁禁帶特性實現(xiàn)電磁屏蔽功能。電磁禁帶通常通過非接觸EBG結(jié)構(gòu)的色散特性計算得出,如圖1(b)所示,其橫坐標(biāo)是對二維周期性EBG結(jié)構(gòu)進行色散特性分析時,對所采用的等效晶格模型中布里淵三角的三個基本點Γ-X-M的遍歷。關(guān)于非接觸EBG,各類新結(jié)構(gòu)和相關(guān)研究眾多[7-11],此處不做詳細展開。

圖1 非接觸電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu)Fig.1 The contactless electromagnetic band gap (EBG) structure

非接觸EBG最典型且獨特的優(yōu)勢在于可實現(xiàn)非金屬接觸條件下的超寬帶電磁屏蔽,可用于實現(xiàn)部件關(guān)鍵部位的非接觸化,這為解決由金屬接觸非線性所導(dǎo)致的PIM問題提供了全新途徑[12-14]。在非接觸EBG結(jié)構(gòu)中,位于禁帶頻率內(nèi)的電磁場為截止模式,其內(nèi)部場強沿周期性結(jié)構(gòu)單元呈衰減趨勢。當(dāng)采用非接觸EBG實現(xiàn)低PIM部件設(shè)計時,僅針對電接觸部位進行非接觸化,機械結(jié)構(gòu)接觸仍然存在,且實際部件為有限尺寸,非接觸EBG中周期性單元的數(shù)量也直接決定著場強抑制特性,因此,首先需要針對實際應(yīng)用結(jié)構(gòu)對非接觸EBG的PIM抑制特性進行分析。

產(chǎn)生PIM的接觸非線性機理主要包括電子隧穿和熱電子發(fā)射效應(yīng)[1],其電流密度與偏置電壓呈非線性關(guān)系,因而會導(dǎo)致金屬接觸結(jié)產(chǎn)生非線性的I-V關(guān)系,不論哪種非線性I-V關(guān)系,均可以展開為泰勒級數(shù)的形式,即:

(1)

式(1)中,ai為第i階非線性系數(shù),與具體的接觸結(jié)物理特性相關(guān)。

以雙載波為例,輸入載波信號為:

V(t)=V1cos(ω1t)V2cos(ω2t)

(2)

式(2)中,V1,V2為兩路載波信號幅值,ω1,ω2為兩路載波信號角頻率,則有:

(3)

將式(3)展開整理,由于2ω1+ω2及2ω2+ω1通常遠離發(fā)射與接收頻段,因此不做考慮。此外,產(chǎn)生PIM的非線性是一種極弱的非線性效應(yīng),因此高次項可以忽略?？煞蛛x出所關(guān)心的3階PIM項為:

(4)

同理可得出所關(guān)心的5階PIM項為:

(5)

在實際通信系統(tǒng)中,由于發(fā)射和接收頻段固定,通常僅考慮單邊帶的PIM產(chǎn)物,因此可得實際的3階及5階PIM產(chǎn)物的電流幅值為:

(6)

通常情況下,認為金屬接觸結(jié)具有接觸電阻,假設(shè)其阻抗為Z0。此外,假設(shè)輸入雙載波功率相同:V1=V2=V,則3階及5階PIM產(chǎn)物的平均功率可近似表示為:

(7)

對于給定的金屬接觸結(jié)構(gòu)和工作頻率,接觸阻抗Z0、非線性系數(shù)a3,a5均為與接觸結(jié)構(gòu)物理特性相關(guān)的定值,因此將其簡化合并為常系數(shù)C3和C5。

將式(7)取對數(shù),得到PIM電平為:

PIM3(dBw)=10log(C3V6)=C+60logV
PIM5(dBw)=10log(C5V10)=D+100logV

(8)

式(8)中,C和D為常數(shù)。

假設(shè)載波信號原始幅值為V0,經(jīng)非接觸EBG結(jié)構(gòu)截止衰減后,機械接觸部位的信號幅值為Vs,則可近似得出理論上的PIM抑制度RPIM為:

(9)

(10)

1.2 非接觸式法蘭適配器設(shè)計驗證

以Ku頻段釘床型非接觸法蘭適配器為例做進一步說明,圖2所示為匹配Ku頻段WR75標(biāo)準波導(dǎo)的法蘭適配器示意圖,由周期性金屬凸體單元構(gòu)成的釘床式人工磁導(dǎo)體(artificial magnetic conductor, AMC)結(jié)構(gòu)以背靠背形式分別圍繞波導(dǎo)端口排列于金屬板正反兩面,金屬板長寬尺寸與標(biāo)準波導(dǎo)法蘭面相同,外圍設(shè)置凸臺支撐,連接于普通波導(dǎo)法蘭之間時,凸臺與法蘭面構(gòu)成機械連接,釘床式AMC面與普通法蘭面則構(gòu)成非接觸EBG結(jié)構(gòu),如圖2(a)。非接觸EBG結(jié)構(gòu)的電磁禁帶應(yīng)覆蓋相應(yīng)波導(dǎo)的主模工作頻段。在該非接觸法蘭適配器尺寸參數(shù)下的電磁禁帶計算結(jié)果如圖2(b)所示,電磁禁帶范圍約為9.3GHz～39.0GHz,完全覆蓋WR75波導(dǎo)工作頻段,波導(dǎo)主模頻段內(nèi)的電磁信號被束縛于波導(dǎo)內(nèi)部傳輸而無法從非接觸的空氣間隙泄漏,進而實現(xiàn)雙面非接觸的法蘭過渡連接。

圖2 Ku頻段WR75波導(dǎo)的非接觸法蘭適配器設(shè)計Fig.2 The design of Ku band contactless flange adapter of WR75 waveguide

選擇幾個關(guān)鍵位置分析其場強分布特性,如圖3所示,沿波導(dǎo)窄邊(即z方向),定義x=0mm處為位置A,x=4.5mm處為位置B。沿波導(dǎo)寬邊(即x方向),定義z=0mm處為位置C,z=4mm處為位置D。row1、row2、row3代表垂直于z方向排列的3排釘床EBG單元結(jié)構(gòu),column1、column2代表垂直于x方向排列的2排釘床EBG單元結(jié)構(gòu)。

圖3 非接觸法蘭適配器俯視結(jié)構(gòu)示意Fig.3 The top view of the WR75 contactless flange adapter

在圖4給出了非接觸法蘭適配器中A、B位置處沿電場極化方向(即z向)、14GHz頻率下的釘床頂部電場強度分布計算結(jié)果。波導(dǎo)端口激勵功率為100W,分別給出了不同空氣間隙厚度ha下的場強分布計算結(jié)果。為便于對比觀察,對縱坐標(biāo)場強值取10log對數(shù)化處理。可以很明顯看出,非接觸結(jié)構(gòu)的空氣間隙越小,沿z向的電場強度衰減越快。根據(jù)式(9-10)及圖4中結(jié)果,可估算得出非接觸法蘭適配器中沿電場極化方向的PIM抑制度理論值,表1給出了3階PIM抑制度的估算結(jié)果?？梢钥闯?經(jīng)過三排周期性釘床結(jié)構(gòu),PIM電平即被大幅抑制,在實際中即體現(xiàn)為檢測儀器自身的噪聲。

表1 非接觸法蘭適配器中沿z方向的3階PIM抑制度Tab.1 The theoretical 3rd order PIM suppression of the contactless flange adapter along the z direction

圖4 非接觸法蘭適配器中,14GHz下沿z方向的電場強度分布值Fig.4 The electric field intensity distribution of the contactless flange adapter at 14GHz alone the z direction

如圖5所示為非接觸法蘭適配器中C、D位置處沿垂直電場極化方向(即x向)、14GHz頻率下的釘床頂部電場強度分布計算結(jié)果,同樣地,計算了不同空氣間隙厚度下的場強分布。可以看出,沿x方向,電場強度迅速衰減,經(jīng)過兩列釘床后場強即衰減至接近0,因此沿x方向上的理論PIM抑制度大于沿z方向的理論PIM抑制度。

圖5 非接觸法蘭適配器中,14GHz下沿x方向的電場強度分布值Fig.5 The electric field intensity distribution of the contactless flange adapter at 14GHz alone the x direction

根據(jù)以上分析結(jié)果,非接觸EBG在有限的尺寸空間內(nèi)可以迅速衰減電場強度,因而在部件應(yīng)用中應(yīng)該可以獲得極強的PIM抑制性能。為進行充分的實驗驗證,加工制作了上述非接觸法蘭適配器,如圖6所示法蘭適配器實物及S參數(shù)特性,在WR75工作頻段內(nèi)均具有良好的電磁傳輸特性。開展了非接觸法蘭適配器和普通法蘭的3階及5階PIM對比實驗測試,實測結(jié)果如圖7所示,其中黑色曲線為測試系統(tǒng)的當(dāng)次殘余PIM實測結(jié)果。根據(jù)實測結(jié)果,未采取任何工藝、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和低PIM控制措施的普通波導(dǎo)法蘭連接的PIM性能明顯較差,如紅色曲線所示。采用非接觸式法蘭適配器后,其PIM性能得到明顯改善,如藍色曲線所示,最大PIM抑制度超過50dB,平均PIM抑制度超過25dB。通過非接觸式法蘭適配器連接,普通波導(dǎo)法蘭的PIM電平降低至接近甚至低于測試系統(tǒng)的原殘余PIM電平,且對于連接力矩和表面處理無特殊要求。以上結(jié)果充分驗證了非接觸EBG實現(xiàn)穩(wěn)定低PIM應(yīng)用的可行性和有效性。

圖6 Ku頻段非接觸法蘭適配器及S參數(shù)結(jié)果Fig.6 The prototype of the Ku band contactless flange adapter and its S-parameter results

圖7 非接觸法蘭適配器的3階及5階PIM實測結(jié)果Fig.7 The 3rd and 5th order PIM measurement results of the contactless flange adapter

2 非接觸式低PIM溫箱穿倉接口設(shè)計及實驗驗證

基于前一節(jié)的分析及實驗結(jié)果,基于周期性結(jié)構(gòu)所構(gòu)建的非接觸電磁屏蔽結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)微波部件很好的PIM抑制特性,且在用于非接觸電連接時,可獲得良好的S參數(shù)特性,在解決PIM問題的同時不會導(dǎo)致額外的電性能受損,這對于解決當(dāng)前PIM測試中溫箱穿倉的諸多問題提供了全新的實現(xiàn)途徑。

綜合溫箱穿倉結(jié)構(gòu)特點和非接觸EBG的低PIM實現(xiàn)思路,本節(jié)提出了一種非接觸式低PIM溫箱穿倉接口技術(shù),如圖8所示,在溫箱側(cè)壁通孔兩端分別設(shè)置固定托盤,將穿倉直波導(dǎo)通過固定托盤固定于溫箱側(cè)壁通孔內(nèi),穿倉波導(dǎo)兩端的法蘭面上圍繞波導(dǎo)端口排布一定數(shù)量的周期性金屬單元結(jié)構(gòu),用于在與外部連接時形成非接觸EBG。穿倉波導(dǎo)外壁與通孔間的空隙內(nèi)填充隔熱材料以實現(xiàn)溫箱內(nèi)外的熱隔離。采用以上方式后,在溫箱通孔內(nèi)外則形成了非接觸式電連接端口,分別用于與待測件及測試系統(tǒng)端口連接。此外,為實現(xiàn)對非接觸式端口的保護,可在內(nèi)外端口部位增加可更換的適配器。

圖8 非接觸式低PIM溫箱穿倉接口示意圖Fig.8 The diagram of the contactless low PIM through-wall structure of the temperature chamber

針對Ku頻段PIM測試系統(tǒng)設(shè)計研制以上溫箱穿倉接口,其中非接觸式法蘭端口的尺寸參數(shù)可參考前節(jié)中的尺寸參數(shù)。該結(jié)構(gòu)為通用化結(jié)構(gòu),當(dāng)用于其他頻段時,非接觸式端口的尺寸參數(shù)根據(jù)相應(yīng)的工作頻段進行計算,需保證所構(gòu)成的非接觸EBG的電磁禁帶覆蓋所需的工作頻段范圍[15]。如圖9所示為加工制作的Ku頻段非接觸式低PIM溫箱穿倉及其S參數(shù)結(jié)果,在WR75工作頻段內(nèi)具有良好的S參數(shù)特性,在實現(xiàn)溫箱穿倉連接時不會對電磁傳輸性能產(chǎn)生影響。

圖9 Ku頻段非接觸式溫箱穿倉實物及其S參數(shù)結(jié)果Fig.9 The fabricated Ku band prototype of the temperature chamber’ contactless through-wall and its S parameter results

將所研制的非接觸式溫箱穿倉接口應(yīng)用于五院西安分院測試及環(huán)境試驗中心的某Ku頻段PIM檢測系統(tǒng),實現(xiàn)檢測系統(tǒng)自閉環(huán)連接并開展檢測系統(tǒng)的3階殘余PIM性能驗證,兩路測試載波分別為11.45GHz和12.75GHz,測試14.05GHz處的3階PIM產(chǎn)物,單路載波測試功率為100W。如圖10所示為多個高低溫循環(huán)周期內(nèi)3階殘余PIM的實測結(jié)果。非接觸式溫箱穿倉接口連接方式十分簡單,無特殊的連接力矩要求,可完全實現(xiàn)即連即用,對于檢測系統(tǒng)連接及運行過程中的應(yīng)力、振動等外部因素不敏感,在多次重復(fù)拆卸連接后實測3階殘余PIM電平均小于-140dBm,且在多個高低溫循環(huán)周期內(nèi),系統(tǒng)殘余PIM電平穩(wěn)定保持在-140dBm以下,以儀器誤差形式波動,在實現(xiàn)高靈敏度PIM檢測性能的同時獲得了極高的檢測穩(wěn)定性。該溫箱穿倉接口已成功應(yīng)用于五院西安分院某型號產(chǎn)品天線分系統(tǒng)饋源陣列的高低溫循環(huán)PIM試驗中,保證了長時間、高靈敏度、高效率PIM檢測任務(wù)的成功實施。

圖10 應(yīng)用非接觸式溫箱穿倉接口的PIM檢測系統(tǒng)在長時間高低溫循環(huán)狀態(tài)下的3階殘余PIM測試結(jié)果Fig.10 The 3rd order residual PIM results of the PIM measurement system under long time temperature cycles, where the proposed temperature chamber’ contactless through-wall technology is adopted

3 結(jié)論

本文針對航天工程應(yīng)用中高性能溫循PIM檢測系統(tǒng)需求,提出了一種非接觸式低PIM溫箱穿倉接口技術(shù),基于非接觸電磁屏蔽原理實現(xiàn)溫箱穿倉接口的非接觸低PIM設(shè)計。在充分的理論分析和技術(shù)驗證基礎(chǔ)上,設(shè)計研制了Ku頻段非接觸式溫箱穿倉接口并實現(xiàn)了Ku頻段PIM檢測系統(tǒng)閉環(huán)驗證,實測獲得了優(yōu)秀性能?；谛滦偷姆墙佑|化設(shè)計,該溫箱穿倉接口具有穩(wěn)定的低PIM特性,有效解決了傳統(tǒng)溫箱穿倉方式在PIM檢測中因電接觸所導(dǎo)致的系統(tǒng)檢測靈敏度惡化、穩(wěn)定性較差等問題,且連接方式簡單高效,即連即用,大幅提升了檢測系統(tǒng)性能和檢測工作效率。此外,該溫箱穿倉接口為通用結(jié)構(gòu),可拓展應(yīng)用于各類PIM檢測系統(tǒng)中。