S波段波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的無源互調(diào)特性實驗研究

葉 鳴 吳 馳 賀永寧 張 鶴 陶長英 鄒小芳

（1.西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，陜西西安710049；2.鎮(zhèn)江市澳華測控技術(shù)有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212009）

S波段波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的無源互調(diào)特性實驗研究

葉 鳴1吳 馳1賀永寧1張 鶴1陶長英2鄒小芳2

（1.西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，陜西西安710049；2.鎮(zhèn)江市澳華測控技術(shù)有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212009）

通過專用無源互調(diào)（Passive Intermodulation，PIM）分析儀對S波段波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的PIM特性進行了研究.對S波段波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的原型器件進行了PIM測試，結(jié)果表明：在輸入載波功率為40dBm時其三階PIM約為－56dBm；從連接器的外導(dǎo)體鍍層材料和內(nèi)導(dǎo)體探針的結(jié)構(gòu)設(shè)計兩個角度對所測結(jié)果進行了解釋，并通過改進實驗予以驗證；為進一步獲得低PIM性能，依據(jù)低PIM設(shè)計的基本原理對S波段波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器進行了設(shè)計加工及驗證測試，測試結(jié)果表明在輸入載波功率為43dBm時其三階PIM約為－114dBm.所得結(jié)果對開展有關(guān)波導(dǎo)PIM特性實驗研究、微波無源器件的低PIM設(shè)計具有借鑒意義.

S波段；波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器；無源互調(diào)；微波無源器件

引 言

無源互調(diào)（Passive Intermodulation，PIM）效應(yīng)是指兩個或兩個以上的載波信號通過弱非線性的無源器件時產(chǎn)生互調(diào)信號的現(xiàn)象，當(dāng)這些互調(diào)信號落入接收通帶時可能造成通信系統(tǒng)性能下降［1－2］.

波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器是一種廣泛應(yīng)用于雷達、精密制導(dǎo)、電子對抗以及微波測試等系統(tǒng)中的微波無源器件［3］.該器件設(shè)計的基本要求是：低駐波比、低插入損耗，在部分系統(tǒng)中還對帶寬有一定要求.為此，已經(jīng)報道了多種波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的設(shè)計［3－4］，市面上也能購買到微波波段的各種波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器.波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的研究已經(jīng)趨于成熟.然而，隨著PIM問題在微波系統(tǒng)中的日益凸顯［5－6］，有關(guān)波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的PIM問題卻鮮有報道，主流供應(yīng)商也基本不提供該器件的PIM指標(biāo)特性.

PIM產(chǎn)生的非線性物理機制分為材料非線性和接觸非線性［6］.文獻［6］報道的微帶線PIM問題即屬于典型的材料非線性，而文獻［5］報道的波導(dǎo)法蘭接觸結(jié)的PIM問題則屬于典型的接觸非線性.由于接觸非線性具有比材料非線性更為復(fù)雜的產(chǎn)生機理，所以雖然關(guān)于接觸非線性產(chǎn)生PIM的問題在理論研究上已經(jīng)有了一些進展［7－10］，但理論分析結(jié)果與實驗測試結(jié)果相比仍有一定差距.如果能夠獲取到更為準確、豐富的實驗數(shù)據(jù)，從而為理論突破提供基本素材，無疑對于推進接觸非線性PIM問題研究將大有裨益.考慮到主流的微波測試儀器均是同軸端口，因此，具有優(yōu)良PIM性能的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器是開展波導(dǎo)法蘭接觸PIM實驗研究的先決條件；同時，開發(fā)低PIM波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器也可為對波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器PIM指標(biāo)有要求的實際工程應(yīng)用提供借鑒.

本文從實驗角度研究了S波段波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的PIM特性，并基于表面鍍層材料非線性和金屬連接接觸非線性理論分析器件PIM產(chǎn)生原因，最終設(shè)計并實現(xiàn)具有低PIM指標(biāo)（－114dBm）的直插式波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器.

1 波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器原型的PIM特性

1.1 波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)及分析

波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的原型器件是指按常規(guī)電性能設(shè)計指標(biāo)進行設(shè)計和加工、未專門考慮PIM指標(biāo)的轉(zhuǎn)換器.本文研究針對直插式波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器（同軸連接器位于波導(dǎo)寬邊上），其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.a、b分別為波導(dǎo)寬、高.D1為同軸探針距離短路面的距離，通常約為四分之一波長.D2為調(diào)諧柱直徑，調(diào)諧柱的主要作用是增大器件工作帶寬.D3為同軸探針距離波導(dǎo)側(cè)邊的距離，通常約為波導(dǎo)寬度的一半.L1、L2為同軸探針伸入波導(dǎo)內(nèi)的高度以及調(diào)諧柱的高度.需要指出的是，為便于調(diào)節(jié)駐波比特性，調(diào)諧柱是與探針分離加工并通過螺紋連接的.該結(jié)構(gòu)的好處是可以通過調(diào)節(jié)調(diào)諧柱的高度來獲得期望的駐波比特性.圖2為組裝好的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器原型器件，其中同軸接頭為N型接頭，波導(dǎo)為標(biāo)準的BJ32波導(dǎo).

1.2 波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的PIM測試方法及結(jié)果

PIM測試采用澳華測控技術(shù)有限公司開發(fā)的專用PIM分析儀進行測試，分析儀型號為PIM2400S和PIM2600S，分析儀的殘留互調(diào)電平典型值為＜－125dBm.PIM測試的基本原理框圖可參見文獻［6］.分析儀可以對兩種不同類型的PIM進行測試：傳輸型PIM和反射型PIM.通常，反射型PIM的測試值比傳輸型PIM約低3dB.由于分析儀采用接收機檢測PIM產(chǎn)物電平，而接收機自身存在動態(tài)范圍的限制，從而使得分析儀能檢測的最高PIM電平約為－50dBm.當(dāng)待測件PIM電平較高時，可以通過降低饋入待測件的載波功率來完成PIM測試.

將圖2所示的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器原型器件組裝后接入PIM分析儀進行了傳輸型三階PIM測試，測試結(jié)果如圖3所示（標(biāo)注為“轉(zhuǎn)換器原型”的點線）.可以看到，在40dBm的載波功率下，PIM已經(jīng)達到約－56dBm，與通信系統(tǒng)中要求的－110dBm（輸入載波功率為43dBm）指標(biāo)相比，差距顯著.由于原型器件PIM較嚴重，在42dBm載波功率輸入條件下，PIM電平就已經(jīng)達到分析儀接收機的上限，所以，載波功率最大加到42dBm，而非標(biāo)準測試要求的43dBm.另外，測試結(jié)果中呈現(xiàn)出的PIM功率隨輸入功率增加漸趨飽和的現(xiàn)象，主要是由接近接收機測試極限引起的，與PIM飽和特性有區(qū)別［11］.

1.3 PIM測試結(jié)果分析

通過對波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器原型器件的材料和結(jié)構(gòu)進行分析，得到引起PIM的主要因素.同軸連接器的外導(dǎo)體采用了具有強鐵磁性鍍鎳層，這是因為鎳鍍層具有良好的耐磨性，可以提高同軸連接器的使用壽命和可靠性，因此，主流同軸連接器的外導(dǎo)體鍍層均采用鎳鍍層，但從PIM角度來看，鐵、鈷、鎳等材料是典型的非線性PIM源［12］.鐵磁材料引起PIM的主要機理是磁導(dǎo)率非線性，設(shè)材料本構(gòu)關(guān)系為

式中：B、H分別是磁感應(yīng)強度和磁場強度；μ1為磁導(dǎo)率μ的線性分量；μ3為三階非線性分量.設(shè)雙載波激勵信號為

式中：H1、H2是分別對應(yīng)于兩個載波信號的磁場強度；ω1、ω2為兩個載波的角頻率；t是時間.按照類似冪級數(shù)的處理方法，將式（2）代入式（1）得到對應(yīng)于頻率（2ω1－ω2）的互調(diào)產(chǎn)物所對應(yīng)的磁感應(yīng)強度BIM由式（3）可知，互調(diào)產(chǎn)物與磁導(dǎo)率的非線性系數(shù)μ3成正比.對于鐵磁類材料，μ3通常取值較大，從而表現(xiàn)出較為顯著的非線性特性.

探針與調(diào)諧柱的連接采用了螺紋連接，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是為了方便調(diào)節(jié)駐波比，然而，由文獻［7，9－10］可知，由于金屬接觸處可能存在的氧化物半導(dǎo)體效應(yīng)及電流收縮效應(yīng)，而使得金屬接觸成為潛在的PIM非線性源［13］，引起PIM產(chǎn)物.下面將依次從這兩個角度對圖2所示的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器原型器件進行改進和PIM測試驗證.

2 波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的PIM性能改進

2.1 同軸連接器外導(dǎo)體鎳鍍層的影響

由于銀鍍層的良好PIM性能已經(jīng)在工程實踐中得到了大量驗證，因此，首先將同軸連接器的外導(dǎo)體鍍層由鍍鎳改為鍍銀，避免鎳鍍層的強非線性，鍍銀層厚度大于3倍趨膚深度，約為10μm.修改之后，采用PIM2400S分析儀，在42dBm的輸入功率下測得反射型三階PIM為－93dBm.由于客觀條件限制，未進行傳輸型三階PIM測試，但依據(jù)這兩類PIM的測試經(jīng)驗，預(yù)估傳輸型三階PIM為－90dBm，相比于改進之前測得的－54dBm，PIM指標(biāo)提高了約36dB，由此驗證鎳鍍層確實是主要的PIM產(chǎn)生源之一.

2.2 同軸探針與調(diào)諧柱間螺紋連接結(jié)構(gòu)的影響

為了避免調(diào)諧柱與同軸探針之間的螺紋連接引起的接觸非線性，對波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器進行的第二項修改是去掉調(diào)諧柱，此時同軸探針末端仍保留外螺紋.如前所述，去掉調(diào)諧柱之后將影響器件工作帶寬，圖4給出了調(diào)諧柱去掉之后的轉(zhuǎn)換器駐波比測試結(jié)果（標(biāo)記為“修改后轉(zhuǎn)換器”）.運用PIM2600S分析儀進行了傳輸型三階PIM測試，測試結(jié)果如圖3中的“修改后轉(zhuǎn)換器”線條所示.可以發(fā)現(xiàn)，在42 dBm的載波功率下，三階PIM約為－100dBm，即進一步改善了10dB，從而證實了調(diào)諧柱處引入的金屬接觸是PIM產(chǎn)生的根源之一.

2.3 波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的低PIM設(shè)計及驗證

盡管相比于轉(zhuǎn)換器原型器件，修改后的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的PIM指標(biāo)提高了約46dB，但考慮到器件經(jīng)兩次修改后可能存在的工藝缺陷（比如銀鍍層的質(zhì)量可能因退鍍鎳而受到影響）以及在結(jié)構(gòu)設(shè)計上仍存在可改進之處，因此，在轉(zhuǎn)換器原型及其改進器件的經(jīng)驗基礎(chǔ)之上，結(jié)合通用的低PIM設(shè)計準則［14］重新設(shè)計并加工了S波段波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器.設(shè)計過程中主要的考慮因素包括：1）依據(jù)“電流密度越大，對PIM越不利”的準則，將原先的N型連接器更改為更大尺寸的L29型連接器，從而降低連接器內(nèi)外導(dǎo)體上的電流密度，達到降低PIM電平的目的；2）為兼顧駐波比特性和PIM特性，對同軸探針和調(diào)諧柱進行了一體化加工，降低了金屬接觸產(chǎn)生的PIM；3）對波導(dǎo)內(nèi)腔、連接器內(nèi)導(dǎo)體均采用微波無源器件行業(yè)標(biāo)準的電化學(xué)鍍銀工藝，連接器外導(dǎo)體采用具有低PIM特性的三元合金電鍍層；4）同軸連接器與波導(dǎo)的連接由原先的螺紋連接改為法蘭連接，以增強連接可靠性，降低可能產(chǎn)生的PIM.所設(shè)計的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器實物圖如圖5所示，駐波比測試結(jié)果如圖4所示（標(biāo)記為“低PIM設(shè)計轉(zhuǎn)換器”的實線），PIM測試結(jié)果如圖3所示（標(biāo)記為“低PIM設(shè)計轉(zhuǎn)換器”）.測試結(jié)果表明，在標(biāo)準的43 dBm輸入功率下，其傳輸型三階PIM約為－114 dBm，相比于原型器件的修改件再次改善了約16 dB（低PIM設(shè)計轉(zhuǎn)換器在42dBm的載波功率下，三階PIM約為－116dBm）.從而再次驗證了低PIM設(shè)計方案的可行性.從圖4給出的駐波比測試結(jié)果還可以看到，駐波比小于1.2，進一步證明所設(shè)計的轉(zhuǎn)換器具有實用潛力.

3 結(jié) 論

本文對市場上一種典型的直插式波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的PIM特性進行了測試和分析，發(fā)現(xiàn)鎳鍍層、調(diào)諧柱螺紋連接等因素是產(chǎn)生PIM的主要原因；結(jié)合抑制材料非線性和接觸非線性的低PIM設(shè)計準則，重新設(shè)計并實現(xiàn)了一種低PIM轉(zhuǎn)換器，在標(biāo)準測試條件下其三階PIM為－114dBm，達到了低PIM設(shè)計指標(biāo).研究結(jié)果表明：采取以下措施可有效降低波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的PIM電平：1）同軸連接器的外導(dǎo)體采用具有良好PIM性能的三元合金鍍層，連接器內(nèi)導(dǎo)體及波導(dǎo)內(nèi)腔采用鍍銀層（厚度不小于3個趨膚深度）；2）如果采用了調(diào)諧柱，則調(diào)諧柱與連接器內(nèi)導(dǎo)體采用一體化加工；3）連接器外導(dǎo)體與波導(dǎo)的連接方式采用法蘭連接；4）使用L29這種大尺寸連接器.本文工作為天饋系統(tǒng)中的低PIM波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器設(shè)計以及開展波導(dǎo)法蘭連接的PIM特性實驗研究提供了借鑒和基礎(chǔ).

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Experimental research on passive intermodulation characteristics of S-band waveguide to coaxial adapter

YE Ming1WU Chi1HE Yongning1ZHANG He1TAO Changying2ZOU Xiaofang2
（1.School of Electronic and Information Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an Shaanxi 710049，China；2.PIMTEK Instrument，Zhenjiang Jiangsu 212009，China）

The passive intermodulation（PIM）characteristics of S-band waveguide to coaxial adapter are studied experimentally using PIM analyzer.Firstly，the prototype adapter is measured and it is found that its 3rd PIM level is about－56dBm when the power of input carriers is 40dBm.Secondly，the prototype adapter PIM performance is ascribed to the following two factors：the effect of nickel plate on the outer conductor of the coaxial connector and the metal contact effect between the tuning disk and the inner conductor of the connector.The explanation is verified through PIM measurement of modified prototype adapter.Lastly，considering the ordinary low PIM design rules，a low PIM adapter is designed and manufactured.The measurement result show that its 3rd order PIM is about－114dBm when input carrier is 43dBm.The developed adapter can be used in antenna feeding system or PIM test setup for waveguide flange.

S-band；waveguide to coaxial adapter；passive intermodulation；microwave passive devices

TN015

A

1005-0388（2015）01-0183-05

葉 鳴 （1985－），男，湖南人，西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院博士研究生，主要研究方向為微波無源器件與電路.

賀永寧 （1971－），女，陜西人，西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院教授，主要研究方向為微波無源器件、低維半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)和器件.

陶長英 （1953－），男，澳籍華人，鎮(zhèn)江市澳華測控技術(shù)有限公司總工，主要研究方向為微波無源器件的無源互調(diào)問題及互調(diào)測試.

葉 鳴，吳 馳，賀永寧，等.S波段波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的無源互調(diào)特性實驗研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報，2015，30（1）：183-187.

10.13443／j.cjors.2014022801

YE Ming，WU Chi，HE Yongning，et al.Experimental research on passive intermodulation characteristics of S-band waveguide to coaxial adapter［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（1）：183-187.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014022801

2014-02-28

聯(lián)系人：賀永寧E-mail：yongning＠m(xù)ail.xjtu.edu.cn