波導(dǎo)法蘭連接的無(wú)源互調(diào)分析與測(cè)量

張輝

（武警工程大學(xué) 陜西 西安 710086）

近年來(lái)，隨著微波部件集成度的不斷提高、發(fā)射機(jī)功率的不斷增大以及接收機(jī)靈敏度的不斷提高，無(wú)源互調(diào)（Passive Intermodulation，PIM）問(wèn)題越來(lái)越來(lái)引起人們的重視[2-4]。無(wú)源互調(diào)產(chǎn)生的非線性機(jī)理可以歸結(jié)為2類：接觸非線性和材料非線性[5]。其中，對(duì)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(zhǔn)確預(yù)測(cè)PIM功率電平帶來(lái)了困難。引起PIM的非線性效應(yīng)機(jī)理錯(cuò)綜復(fù)雜，依據(jù)這些機(jī)理對(duì)PIM進(jìn)行研究的理論模型還很少，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)低PIM微波通信系統(tǒng)的周期長(zhǎng)、成本高。

1 波導(dǎo)法蘭連接的模型分析

在各類微波器件中，波導(dǎo)法蘭連接形成的波導(dǎo)結(jié)是極為常見(jiàn)的一種結(jié)構(gòu)。通常，波導(dǎo)法蘭在自然條件下易與空氣發(fā)生反應(yīng)，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(duì)于鋁波導(dǎo)法蘭而言，主要成份為氧化鋁）。宏觀上波導(dǎo)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(jī)械加工的原因，波導(dǎo)圖1 波導(dǎo)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(gè)波導(dǎo)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(huì)有實(shí)際接觸。圖1（b）給出了這一情形的示意圖，微米級(jí)的孔隙表征了粗糙度，絕緣層的厚度則通常在納米級(jí)。從圖1（b）可以看出，波導(dǎo)法蘭連接實(shí)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(dǎo)法蘭連接、大型反射天線中的鉚釘鉚接等[6-7]。

2 波導(dǎo)法蘭連接的PIM測(cè)量

為了對(duì)波導(dǎo)法蘭連接的PIM進(jìn)行測(cè)量[8]，假設(shè)輸入載波頻率分別為：

則落入被測(cè)量的頻譜上限的三階PIM產(chǎn)物頻率為：

1）測(cè)量樣品

用于本文測(cè)量的樣品是純鋁（純度大于99．9%）和鍍銀的鋁波導(dǎo)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?yàn)樗鼈冊(cè)诳臻g應(yīng)用中是最具有代表性的波導(dǎo)材料。

如圖2所示，波導(dǎo)具有2種不同的法蘭。一種是待測(cè)法蘭（6個(gè)螺孔），而另一種（8個(gè)螺孔）是與實(shí)驗(yàn)裝置相連的接頭。后者不應(yīng)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(duì)M3（3mm直徑）螺絲80 N/cm2）。待測(cè)法蘭是六孔法蘭而不是標(biāo)準(zhǔn)法蘭（4個(gè)螺孔），這是為了最大限度地降低機(jī)械不穩(wěn)定性。

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

除了純鋁波導(dǎo)法蘭連接之外，我們可插入墊片以研究它們對(duì)波導(dǎo)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(jì)。

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(jìn)行了大約0．4μm的修整。為了測(cè)量典型工程表面的PIM電平，這里沒(méi)有做進(jìn)一步的拋光處理。

施于螺栓的力矩是由標(biāo)準(zhǔn)改錐進(jìn)行測(cè)量的，這在所使用的力矩范圍之內(nèi)，精度可以達(dá)到5%以內(nèi)，且力矩總是以扭力矩方式作用于螺絲的。

2）測(cè)量裝置

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

通過(guò)冪級(jí)數(shù)法可以計(jì)算PIM的功率電平。波導(dǎo)法蘭連接參數(shù)對(duì)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(gè)壓力（104Pa）使其急劇減小。這是因?yàn)椋涸诘蜋C(jī)械負(fù)載情形，接觸電阻通過(guò)非接觸電容起主導(dǎo)作用，且實(shí)際接觸面積很小，壓力的改變并不明顯影響波導(dǎo)法蘭連接的總阻抗，因此PIM功率緩慢減小；當(dāng)機(jī)械負(fù)載增加時(shí)（104Pa），接觸電阻和束縛電阻提供了波導(dǎo)法蘭連接的電響應(yīng)，壓力的微小變化能改變實(shí)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(guò)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(dǎo)法蘭連接的無(wú)源互調(diào)模型分析及計(jì)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(jí)數(shù)方法的預(yù)測(cè)值，使本文的數(shù)據(jù)在一定的程度上符合實(shí)際的結(jié)果。

[1]張世全．微波與射頻頻段無(wú)源互調(diào)干擾研究 [D]．西安：電子科技大學(xué)，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(wú)源互調(diào)測(cè)量裝置Fig．5 Passive intermodulation measuring device

圖6 連接參數(shù)對(duì)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(wú)源互調(diào)問(wèn)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(qiáng)，周浩森，鄒新民．基于計(jì)算機(jī)一體化無(wú)源互調(diào)測(cè)試系統(tǒng)的研究[J]．儀器儀表學(xué)報(bào)，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(dǎo)連接的無(wú)源互調(diào)研究[J]．微波學(xué)報(bào)，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．

[9]Vicente C，Hartnagel H L．Passive intermoduation analysis between rough rectangular waveguide flanges [J]．IEEE Transaction on Microwave Theory and Technique，2005，53（8）：2515-2525．