大功率同軸諧振器連接縫隙EML和PIM研究

禹旭敏,唐小宏,汪娟,代峰,林華杰

1.中國空間技術研究院西安分院,西安710100 2.電子科技大學電子工程學院,成都611731 3.西北工業(yè)大學,西安710000

大功率同軸諧振器連接縫隙EML和PIM研究

禹旭敏1,2,*,唐小宏2,汪娟1,代峰1,林華杰3

1.中國空間技術研究院西安分院,西安710100 2.電子科技大學電子工程學院,成都611731 3.西北工業(yè)大學,西安710000

在大功率工作環(huán)境中,射頻電路經(jīng)常發(fā)生電磁泄漏(Electro Magnetic Leak,EML)和無源互調(diào)(Passive Inter-Modulation,PIM)等現(xiàn)象。而在同軸諧振器中,不穩(wěn)定連接縫隙處成為增加電磁泄漏EML和PIM問題風險的隱患部位。文章通過對同軸諧振器等效電路建模和電磁場建模給出了縫隙位置與電磁場表面電流的關系,并分析了3種不同結構同軸諧振腔EML特性。結果表明通過微調(diào)連接縫隙,使其有效偏離同軸諧振器的電流波幅點位置,可以降低大功率同軸諧振器的連接泄漏,從而減小無源互調(diào)的風險。依據(jù)分析結果選取了3種同軸結構(單螺釘連接、法蘭內(nèi)連接、法蘭外連接)中連接泄露最小的結構作為大功率器件的基本結構,小批量器件在大功率測試和試驗中無EML和PIM現(xiàn)象。

大功率;同軸諧振器;電磁泄露;無源互調(diào)

目前EML的研究在大規(guī)模集成電路部分得到長足的關注[5-6]。小功率EML會引發(fā)信息泄露[5],大功率電磁發(fā)射可以破壞其他接收部件[6]。在真空大功率工作環(huán)境中,無源部件一定密度的電流泄漏可以產(chǎn)生PIM[7],影響自身的接收系統(tǒng)。EML是電磁場特別是磁場被切割后造成的電磁能量泄露。PIM是大能量電磁場在無源部件中產(chǎn)生的有源響應,在某種意義上說是電磁場使微小縫隙變成類似二極管一樣的器件產(chǎn)生的電磁現(xiàn)象。EML和PIM都與金屬間的縫隙相關,主要區(qū)別在于PIM需要大功率激勵。目前,尚無結合EML和PIM相關理論針對常用物理結構的研究。

在理想電磁設計中,所有相連的金屬表面是一個整體。但在物理實現(xiàn)時,限于現(xiàn)有工藝技術不能將所有金屬部分一體加工,一般需要進行機械連接。不同的連接方式,其效果直接影響大功率產(chǎn)品的各項性能。常用的同軸諧振器連接方式主要應用于小功率工作狀態(tài),并未考究功率增加后可能出現(xiàn)的問題。大功率同軸諧振器需要穩(wěn)定的連接方法[8],同時,對連接方法產(chǎn)生的縫隙影響更需要系統(tǒng)深入地研究。

本文通過等效電路建模和電磁場建模分析了傳統(tǒng)連接方式中連接縫隙的影響,給出了連接縫隙位置與其電磁泄露之間的趨勢關系。在此基礎上,分析了3種不同結構的同軸諧振器的內(nèi)外導體連接方法。仿真結果表明微調(diào)連接縫隙的位置,使其有效偏離電場波節(jié)點,可以降低EML和PIM風險。試驗驗證了依據(jù)仿真結果選擇的連接結構,在200余件大功率產(chǎn)品中應用狀況良好,為后續(xù)研究EML和PIM在實際產(chǎn)品中的影響提供了理論和實踐的借鑒。

1 同軸諧振腔的等效電路

圖1為同軸諧振腔示意,模型中內(nèi)導體和外導體部分為理想連接狀態(tài)。但在實際中有兩處非理想狀態(tài)的機械連接,一處為圖1中的連接處1,作為外導體的密閉腔必須分成兩部分加工完成;另一處為圖1中的連接處2,即內(nèi)導體和外導體之間的連接。因此同軸諧振腔共由三部分金屬體構成。

圖1 同軸諧振腔示意Fig.1 Connection of coaxial resonator cavity

1.1 同軸諧振腔的等效電路

圖2給出了圖1中同軸諧振腔的等效電路示意,其中內(nèi)導體懸空端面與外導體(蓋板)內(nèi)側(cè)之間形成加載電容C。ZC為加載電容C等效的特征阻抗。l為同軸諧振腔內(nèi)導體長度。

在同軸諧振腔的等效電路中,短路面到端面之間任意一點的阻抗與該點的位置和加載電容C的特性阻抗ZC有關,從-l(內(nèi)導體懸空端面)向短路面方向看去的輸入阻抗Zin為

2.3 檢查階段 每天護理組長在與患者及其家屬交流的過程中，了解患者的滿意度及健康教育內(nèi)容的知曉情況。檢查護士是否及時巡視病房、呼叫后有無及時應答、新入院的患者是否熟悉病區(qū)環(huán)境、是否知道自己的床位醫(yī)師、護士及護士長的姓名、是否了解自己的病情;患者在檢查前是否了解該檢查的目的和注意事項;擇期手術患者是否知道手術日期、手術名稱、手術方法及術后注意事項;出院患者是否知道如何進行康復鍛煉、何時門診隨訪等。護士長不定期對各階段健康教育的完成情況進行抽查。通過檢查，發(fā)現(xiàn)并記錄健康教育中存在的問題。

圖2 同軸諧振腔的等效電路示意Fig.2 Equivalent circuit of coaxial resonator

當諧振器工作在諧振頻率時:

1.2 同軸諧振器內(nèi)電磁場的分布

當同軸諧振器工作在TEM主模狀態(tài)下,加載電容C等效為特征阻抗為ZC的短路傳輸線,令該傳輸線長度為l′,當l+l′=k·λ/2,其中k為整數(shù),λ為傳輸線波長,整個諧振腔可以用一個兩端短路具有同一特征阻抗的同軸傳輸線表達。可以明確得到兩端短路的同軸諧振器中的電磁場分布。

同軸諧振器在圓柱坐標系(r,Φ,z)下的電磁場表達式可以明確給出,設z=0時r=a(r為外導體的內(nèi)徑)處的電場為E0。

TEM模中:

TMmnl模中:

其中

式中:Jm和Nm分別為m階Bessel函數(shù)和Neumann函數(shù);a和b分別為同軸諧振器的內(nèi)、外導體半徑;Z′(kcr)是Z(kcr)的導數(shù)。傳輸波數(shù)kz為

截止波數(shù)kc為

的第n個非零根。將式(10)～(13)帶入式(5)～(9),得到TMmnl模的表達式后,根據(jù)互易原理可以得到TEmnl模的表達式。同軸諧振腔外導體連接縫隙處的表面電流表示為考慮諧振器中的所有模式,式(14)可寫為

式中:H=HΦ+Hr+Hz。

所有模式的幅度由激勵源的幅度和位置決定。通常諧振器的物理尺寸設計在主模單模工作區(qū)域,即HTEM大,其他模式的系數(shù)很小,可以忽略。即在主模諧振頻率處工作的諧振器,其表面電流可近似表示為

考慮此工作模式下的諧振器,在縫隙面積相同時,不同位置縫隙面電流與此時整個諧振器面電流比值關系,對磁場能量進行積分時,頻率選擇單腔濾波器的駐波最佳處。采用比值作為分析參數(shù)可消除縫隙位置對每次數(shù)值計算重新劃分網(wǎng)格帶來的數(shù)值誤差,使結果的趨勢更加明確。圖3(a)給出了環(huán)形縫隙在同軸諧振器的位置及電磁場坐標方向,D為縫隙距短路面的距離,W=1 mm為半圓環(huán)向縫隙厚度;圖3(b)給出了TEM模諧振時環(huán)形縫隙在整個諧振腔的電流矢量分布中的位置,可以看到,不同位置的環(huán)形縫可能切割的表面電流強度情況。當諧振器中通過大功率微波信號時,連接縫隙變?yōu)榭p隙天線,其輻射能量強度取決于激勵的大小。因此,縫隙位置越靠近磁場波幅點,泄漏的能量越大,具體結果見表1。當縫隙切斷電流越大,PIM現(xiàn)象越明顯,系統(tǒng)噪聲越高。

表1計算了不同D值下的泄漏量百分比,可以看出縫隙距離短路面越近,泄漏量越大。圖1中的連接處1、2分別對應于表1中D= 50 mm和D=1 mm的位置,連接處1的縫隙造成的泄漏是整個腔體面電流總量的0.14%;連接處2處造成的泄漏占諧振器的0.843%。

圖3 同軸諧振腔環(huán)向縫隙示意和表面電流矢量分布Fig.3 Slot ring and surface current vectors distribution of coaxial resonator

表1 縫隙面電流占諧振器面電流的百分比Table 1 Ratio of integral of ring surface current and integral of resonator surface current

2 電磁場仿真分析

由上述計算分析得出,連接處2形成的縫隙造成的泄漏最大,是重點研究對象。在實際生產(chǎn)中,連接處2有幾種常見的連接方式,下面通過全波仿真分析不同連接方式產(chǎn)生的縫隙對EML和PIM的影響。

圖4給出了3種連接方式的示意。這3種方式的諧振器內(nèi)腔尺寸相同,只是連接方式不同,示意圖略去了諧振器外導體的側(cè)壁與蓋板。其中,圖4(a)使用單個螺釘將同軸內(nèi)導體和外導體底板從諧振器內(nèi)部連接;圖4(b)內(nèi)導體與底部圓形法蘭整體成形,使用4個螺釘將內(nèi)導體與外導體底板從諧振器內(nèi)部連接;圖4(c)為本文提出的新連接方法,即內(nèi)導體與底部方形法蘭整體成形,連接時將內(nèi)導體穿過外導體底板中間的圓孔,使用4個螺釘與外導體底板從諧振器外部連接。

圖4 三種連接方式示意Fig.4 Three kinds of connection methods

對應圖4的3種連接方式進行縫隙的電磁泄漏仿真分析,見圖5。分析計算時在諧振器底部設置收集腔,其腔體半徑與原腔體相同,高度為原腔體的1/3。所有泄露的磁場能量在底板下方收集腔內(nèi)進行收集積分計算,收集腔內(nèi)磁場能量與整個模型的空氣腔內(nèi)磁場總能量之比定義為能量泄漏比。圖5(a)中,縫隙位于內(nèi)導體圓柱與底板內(nèi)側(cè)接觸部位,開厚度為0.05 mm的半圓縫隙;圖5(b)中,縫隙為底板兩側(cè)寬度為0.05 mm的空氣腔;圖5(c)中,縫隙為內(nèi)導體圓柱與外導體底板圓孔處的接觸部位,開整圓0.05 mm縫隙,這是由于連接時內(nèi)導體圓柱與腔體底板圓孔之間為間隙配合。

圖5 三種連接方式的電磁泄漏分析示意Fig.5 EML in three kinds of connection method

對磁場能量進行積分時,頻率選擇單腔濾波器的駐波最佳處。相同電路設計的濾波器在3種不同的連接方式中,駐波最佳處頻率差異很小,最大相差1 MHz,典型頻率為1.653 GHz。

由于不同的輸入相位使諧振器內(nèi)最大表面電流位置略有差異,高次模的影響不盡相同,其能量泄漏比也略有不同。考慮這種情況,3種結構激勵源相位設置為0～180°,每隔10°相位進行一次泄漏能量比計算,計算結果如圖6所示。

圖6 三種連接方式的電場能量泄漏比分析示意Fig.6 Ratio of EML in three kinds of connection methods

在3種連接結構中,圖5(c)的連接結構將機械連接位置延伸到了同軸諧振腔體以外,使同軸腔的面電流波幅點與機械連接處重合部分減小;同時,圖5(c)的連接結構具有更好的機械穩(wěn)定度[8],可以減小連接縫隙的影響。二者同時作用使得這種新的連接方式EML較低,也減小了大功率傳輸時PIM產(chǎn)生的風險。如圖6所示,法蘭外連接的電磁能量泄漏比曲線數(shù)值最小。

3 試驗驗證

為驗證本文介紹的方法,在某大功率課題中,采用結果最好的連接方式,如圖5(c)所示,試制了200余件同軸結構試驗件。EML測試結果顯示,該方法EML隔離達到70 dBC,優(yōu)于以往常見產(chǎn)品65 dBC的狀態(tài)。同時,由于該連接方法狀態(tài)穩(wěn)定,加工方便,課題研究過程中沒有一例因為連接狀態(tài)不良,造成大功率工作環(huán)境中試驗件預計結果與試驗測試差異過大的現(xiàn)象。

4 結束語

本文通過等效電路建模和電磁場建模分析了傳統(tǒng)連接方式中連接縫隙對EML的影響。并在此基礎上,分析了3種同軸諧振器結構,結果表明微調(diào)連接縫隙位置,使其有效偏離電場波節(jié)點將明顯降低EML風險。在200多件大功率部件中使用EML分析,結果最優(yōu)的連接方式得到了很好的EML和PIM物理試驗效果。理論分析和試驗結果為設計大功率部件提供了借鑒。EML和PIM現(xiàn)象都與電磁場中面電流出現(xiàn)不連續(xù)相關,結合以往的EML和PIM問題分別研究的成果,綜合考慮同軸諧振器物理結構實現(xiàn)缺陷中的問題給出了實際應用針對性的解決方案。如果能更進一步研究連接縫隙其他在大功率工作狀態(tài)下的物理特性,應該可以給出大功率微波部件的設計制造中更加具體的優(yōu)化方案,以提升整體產(chǎn)品的性能分析和制造水平。

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(編輯:車曉玲)

Study on EML and PlM from connection gap in a high power coaxial resonator

YU Xumin1,2,*,TANG Xiaohong2,WANG Juan1,DAI Feng1,LIN Huajie3
1.ChinaAcademyofSpaceTechnology(Xi'an),Xi'an710100,China 2.SchoolofElectronicEngineering,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu 611731,China 3.NorthesternPolytechnicalUniversity,Xi'an710072,China

Under the vacuum and high-power condition,an unstable slight gap of connecting structure of a coaxial resonator will have several risks,including PIM(Passive Inter-Modulation)and EML(Electro-Magnetic Leakage)problems.The percentage of gap's integral of surface current in the whole resonator cavity was analyzed.It shows that the gap's location is farther away from high surface current strength part of the cavity,the percentageis smaller.Three kinds of coaxial resonators have been simulated.A stable one was presented for reducing those risks.The connection gap of the coaxial resonator is far away from electric field wave nodes available.

high-power;coaxial resonator;electro-magnetic leak;passive inter-modulation

TN815

:A

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0027

2015-06-16;

:2015-11-17;錄用日期:2016-02-24;< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡出版時間

時間:2016-04-19 15:39:34

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160419.1539.011.html

*

:禹旭敏(1973-),女,博士,高工,1149886452@qq.com,主要研究方向為星載微波無源部件設計

禹旭敏,唐小宏,汪娟,等.大功率同軸諧振器連接縫隙EML和PIM研究[J].中國空間科學技術,2016,

36(2):81-86.YUXM,TANGXH,WANGJ,etal.StudyonEMLandPIMfromconnectiongapinahighpower coaxialresonator[J].ChineseSpaceScienceandTechnology,2016,36(2):81-86(inChinese).

http:∥zgkj.cast.cn