應(yīng)用于航天器的低無(wú)源互調(diào)濾波器分析

王琪，崔萬(wàn)照

中國(guó)空間技術(shù)研究院 西安分院 空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710100

20世紀(jì)60年代后期以來(lái)在人造衛(wèi)星、高功率地球站設(shè)備和地面微波系統(tǒng)中，都發(fā)現(xiàn)了無(wú)源互調(diào)。輕時(shí)會(huì)造成信道阻塞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成衛(wèi)星失效。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，一方面需要更多數(shù)量和更大功率的濾波器、多工器等，另一方面要求航天器體積小、質(zhì)量小等，使得無(wú)源互調(diào)問(wèn)題更加突出。由于材料的非線性或接觸的非線性輸入信號(hào)的不同頻率分量相互疊加出現(xiàn)的現(xiàn)象稱為無(wú)源互調(diào)(passive intermodulation，PIM)[1]。濾波器、多工器和饋源等都會(huì)產(chǎn)生無(wú)源互調(diào)，當(dāng)互調(diào)產(chǎn)物較小且落入接收帶時(shí)會(huì)降低信噪比，誤碼率會(huì)相應(yīng)提高。當(dāng)無(wú)源互調(diào)較大時(shí)，會(huì)阻礙通信。因此對(duì)于濾波器、多工器和饋源等無(wú)源微波部件來(lái)說(shuō)，無(wú)源互調(diào)是其重要指標(biāo)，該指標(biāo)的高低是影響航天器能否在軌正常工作的重要因素[2-6]。無(wú)源互調(diào)是兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)通過(guò)無(wú)源器件時(shí)產(chǎn)生的。

多工器由濾波器和連接件組成，因此濾波器和連接件的無(wú)源互調(diào)高低決定多工器的無(wú)源互調(diào)。濾波器種類主要有：同軸腔體濾波器、波導(dǎo)腔體濾波器、微帶濾波器和介質(zhì)濾波器等。對(duì)于同軸腔體濾波器而言，其波導(dǎo)法蘭連接面、調(diào)諧螺釘、耦合螺釘和表面鍍層等均是無(wú)源互調(diào)發(fā)生的主要位置。這些位置是連接處，而且調(diào)諧螺釘位于電場(chǎng)最強(qiáng)處，這是無(wú)源互調(diào)產(chǎn)生的最大因素。

在低頻段，如L頻段、S頻段和C頻段等通信系統(tǒng)中，要求濾波器損耗小的情況下，一般采用同軸腔體濾波器和介質(zhì)濾波器。但由于介質(zhì)濾波器對(duì)于溫度變化較為敏感以及散熱等因素，大多數(shù)情況下都會(huì)采用同軸腔體濾波器。這就導(dǎo)致無(wú)源互調(diào)成為最重要的指標(biāo)之一。同軸腔體濾波器主要由連接器、蓋板、調(diào)諧螺釘、饋電桿、諧振桿和腔體等組成。由于這些部件無(wú)法一體化加工，因此不可避免地會(huì)有一些連接處，這些連接處是產(chǎn)生無(wú)源互調(diào)的主要因素。而電流密度較大的連接處是重要關(guān)注處，如諧振桿和腔體連接處。當(dāng)連接面的平整度不好、鍍層厚度較小或出現(xiàn)毛刺沾污時(shí)會(huì)引起較大的無(wú)源互調(diào)[2-6]。

本文針對(duì)同軸濾波器產(chǎn)生無(wú)源互調(diào)的因素進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)了一種同軸濾波器，使其無(wú)源互調(diào)主要產(chǎn)生于一個(gè)諧振桿和腔體連接處，方法如下：

1)改變?cè)撎幍腻儗庸に嚕芯垮儗庸に噷?duì)無(wú)源互調(diào)的影響規(guī)律；

2)讓無(wú)源互調(diào)主要產(chǎn)生于饋電處，研究插芯和饋電桿連接方式(介質(zhì)隔離和焊接)對(duì)無(wú)源互調(diào)的影響規(guī)律；

3)最后，采用研究的規(guī)律和改進(jìn)濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種低無(wú)源互調(diào)同軸濾波器，可以有效地抑制無(wú)源互調(diào)。

1 鍍層對(duì)無(wú)源互調(diào)的影響

在進(jìn)行試驗(yàn)之前需要對(duì)文中所采用的無(wú)源互調(diào)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，該測(cè)試設(shè)備是目前國(guó)內(nèi)高靈敏度的S頻段無(wú)源互調(diào)檢測(cè)設(shè)備。檢測(cè)設(shè)備輸入測(cè)試頻點(diǎn)為2.16 GHz，2.21 GHz。三階無(wú)源互調(diào)頻率為2.21 GHz，五階無(wú)源互調(diào)頻率為2.21 GHz。該系統(tǒng)的最大測(cè)試功率為200 W，可測(cè)試變溫下的無(wú)源互調(diào)，溫變范圍是-50～150 ℃。可進(jìn)行反射法和傳輸法兩種方法檢測(cè)，本文采用的是反射法在常溫下進(jìn)行測(cè)試。

本節(jié)主要設(shè)計(jì)了唯一PIM源的濾波器，采用該濾波器試驗(yàn)研究了鍍層對(duì)無(wú)源互調(diào)的影響規(guī)律，對(duì)實(shí)際無(wú)源器件的表面電鍍處理有重要的指導(dǎo)意義。

1.1 試驗(yàn)樣件設(shè)計(jì)

對(duì)于試驗(yàn)樣件的設(shè)計(jì)，主要突出只在一個(gè)位置產(chǎn)生較大的無(wú)源互調(diào)，而避免其他位置產(chǎn)生無(wú)源互調(diào)。這樣可以對(duì)該位置進(jìn)行表面鍍層處理和研究。在同軸濾波器中，諧振桿和腔體底面連接處電流密度較大，因此對(duì)其中一個(gè)諧振桿底面進(jìn)行處理[7-9]。其他諧振桿和腔體一體化加工。

諧振器間的耦合通過(guò)開(kāi)窗口的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，窗口越大耦合就越大[10-12]。由專用軟件可以計(jì)算出各個(gè)諧振器所需要的耦合大小，根據(jù)計(jì)算的耦合值采用下式計(jì)算，可以求得各個(gè)諧振器之間所需窗口大小的初始值：

(1)

式中：fm為偶模諧振頻率；fe為奇模諧振頻率。

輸入輸出饋電主要采用同軸連接器的插芯和饋電桿實(shí)現(xiàn)，饋電桿離諧振器越近，饋電耦合就越大。而同軸連接器的插芯和饋電桿的連接方式有兩種：介質(zhì)隔離式和焊接式。本文研究了這兩種饋電方式對(duì)無(wú)源互調(diào)的影響規(guī)律，采用隔離式饋電方式的濾波器研究了鍍層對(duì)無(wú)源互調(diào)的影響規(guī)律。不論是隔離式還是焊接式饋電，都可以計(jì)算濾波器的輸入輸出耦合，從而獲得諧振桿和饋電柱之間的位置關(guān)系，計(jì)算公式為：

(2)

式中：τS11為群時(shí)延；ω0為中心角頻率；FBW為相對(duì)帶寬；m01為輸入耦合(對(duì)稱時(shí)，輸入輸出耦合相等)。

依據(jù)上述設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)了一款低無(wú)源互調(diào)同軸濾波器，圖1為該同軸濾波器在HFSS中的3D模型。其工作頻率為2.16～2.21 GHz,帶內(nèi)插入損耗小于0.3 dB，如圖2所示。

圖1 低無(wú)源互調(diào)同軸濾波器的3D模型Fig.1 3D model of low PIM coaxial filter

圖2 S參數(shù)測(cè)試曲線Fig.2 Testing values of S parameters

1.2 表面鍍層處理對(duì)無(wú)源互調(diào)的影響

采用隔離式饋電的三階同軸濾波器進(jìn)行研究，其中一個(gè)諧振桿采用分離式設(shè)計(jì)，用螺釘固定于腔體底部，其余兩個(gè)諧振桿和腔體一體化加工，保證無(wú)源互調(diào)源的基本唯一性。對(duì)該濾波器和諧振桿與腔體一體化加工的兩種濾波器的PIM進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖3所示。

從圖3可以看出，兩種濾波器的無(wú)源互調(diào)差距很大。驗(yàn)證了該位置是無(wú)源互調(diào)的主要發(fā)生位置，可以對(duì)該位置進(jìn)行鍍層處理，研究不同鍍層對(duì)無(wú)源互調(diào)的影響規(guī)律。本文中，對(duì)諧振桿下底進(jìn)行氧化和傳統(tǒng)鍍銀兩種工藝處理，然后在相同的環(huán)境下進(jìn)行無(wú)源互調(diào)測(cè)試，得到了兩者的無(wú)源互調(diào)對(duì)比，如圖4所示。

圖3 兩種類型濾波器PIM對(duì)比Fig.3 Comparison of PIM levels between two different filters

從圖4中可以看出，表面氧化處理的濾波器無(wú)源互調(diào)性能較差，在實(shí)際鍍層表面處理過(guò)程中應(yīng)盡量保護(hù)不產(chǎn)生氧化層，將諧振桿及時(shí)固定在腔體底面上，可以有效抑制同軸濾波器的無(wú)源互調(diào)。

圖4 表面氧化和傳統(tǒng)鍍銀PIM對(duì)比Fig.4 Comparison of PIM level between surface oxidation and plating silver

1.3 不同材料調(diào)節(jié)螺釘對(duì)無(wú)源互調(diào)的影響

研究金屬調(diào)節(jié)螺釘對(duì)濾波器無(wú)源互調(diào)的影響，并設(shè)計(jì)出新的介質(zhì)調(diào)節(jié)螺釘替換金屬調(diào)節(jié)螺釘來(lái)驗(yàn)證介質(zhì)螺釘對(duì)無(wú)源互調(diào)抑制的有效性。對(duì)介質(zhì)調(diào)諧螺釘濾波器進(jìn)行無(wú)源互調(diào)測(cè)試，如圖5所示。

金屬調(diào)節(jié)螺釘濾波器的無(wú)源互調(diào)比介質(zhì)調(diào)節(jié)螺釘濾波器大10 dB左右，但介質(zhì)調(diào)節(jié)螺釘濾波器需要精確設(shè)計(jì)，對(duì)于簡(jiǎn)單的微波部件可以采用。

圖5 金屬和介質(zhì)螺釘濾波器PIM曲線Fig.5 PIM curves of filters with metal and dielectric tuning screws

2 S頻段低無(wú)源互調(diào)同軸濾波器設(shè)計(jì)

由上文得到了影響無(wú)源互調(diào)的主要因素：表面鍍層和調(diào)諧螺釘。本文在優(yōu)選鍍層和調(diào)諧螺釘?shù)幕A(chǔ)上，改進(jìn)了濾波器的輸入輸出饋電結(jié)構(gòu)。

在傳統(tǒng)濾波器中，輸入輸出饋電采用焊接方式，本文采用介質(zhì)隔離來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬-介質(zhì)-金屬的接觸方式，可有效地降低濾波器的無(wú)源互調(diào)，圖1中的藍(lán)色部分為介質(zhì)套，圖6為傳統(tǒng)和改進(jìn)后的同軸濾波器。圖7試驗(yàn)結(jié)果表明該方法相比傳統(tǒng)濾波器設(shè)計(jì)無(wú)源互調(diào)方法可有效降低20 dB。

對(duì)上述兩種濾波器進(jìn)行無(wú)源互調(diào)測(cè)試，測(cè)試曲線如圖7所示。兩種濾波器的無(wú)源互調(diào)均為5階。測(cè)試功率從40～49 dBm。

通過(guò)圖7可以看出，采用介質(zhì)隔離同軸連接器的內(nèi)導(dǎo)體和饋電桿，減少了金屬焊接的部分，可以有效降低濾波器的無(wú)源互調(diào)。那么在別的微波部件中也可以采用類似的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)低無(wú)源互調(diào)。對(duì)整個(gè)低無(wú)源互調(diào)的微波部件設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)意義。

圖6 濾波器Fig.6 Photoes of coaxial filters

圖7 改進(jìn)后濾波器和傳統(tǒng)濾波器PIM結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of PIM level between conventional coaxial filter and improved coaxial filter

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)諧振桿下底面進(jìn)行不同的表面鍍層處理，獲得了鍍層工藝對(duì)無(wú)源互調(diào)的影響規(guī)律；固定其他因素不變，只改變調(diào)諧螺釘材料，得到了材料對(duì)無(wú)源互調(diào)的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)對(duì)于大功率同軸濾波器而言，同軸線內(nèi)芯直接焊接到饋電桿上，焊接點(diǎn)不穩(wěn)定會(huì)引起較大PIM，另外腔體與諧振桿連接處的鍍層工藝對(duì)濾波器的PIM影響較大，具體如下：

1)試驗(yàn)表明，介質(zhì)螺釘抑制無(wú)源互調(diào)有明顯的效果，但介質(zhì)調(diào)節(jié)螺釘?shù)恼{(diào)節(jié)范圍較小，對(duì)復(fù)雜微波部件的調(diào)節(jié)能力較差，因此簡(jiǎn)單的微波部件可以采用介質(zhì)螺釘。

2)改進(jìn)了濾波器的結(jié)構(gòu)，改變了傳統(tǒng)輸入輸出饋電方式的金屬接觸，實(shí)現(xiàn)了金屬-介質(zhì)-金屬接觸。相比傳統(tǒng)濾波器,無(wú)源互調(diào)有效降低了20 dB。

3)驗(yàn)證了該方法的有效性，為下一代航天技術(shù)和地面移動(dòng)通信技術(shù)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保證。