波導法蘭連接的無源互調(diào)分析與測量

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。

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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

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