輻射場中金屬接觸非線性源的無源互調仿真方法

曹 智,趙小龍,周昊楠,張可越,陳 雄,賀永寧

(1.西安交通大學 電子與信息工程學部,西安 710049;2.南方科技大學 電子與電氣工程系,深圳 518055;3.香港中文大學 電子工程學系,香港 999077)

0 引言

兩路或多路載波信號流經(jīng)射頻前端無源器件中的弱非線性時所產生的非線性產物稱為無源互調(passive intermodulation,PIM)[1]。當PIM產物落入接收系統(tǒng)時,會提升誤碼率,惡化通信系統(tǒng)性能。PIM干擾是微波通信系統(tǒng)的亟待解決的關鍵可靠性問題[2-3]。

誘發(fā)PIM的物理根源一般分為材料非線性[4-5]和金屬接觸非線性[6-7]。射頻前端中的多數(shù)無源器件內都會存在金屬接觸非線性,比如射頻同軸連接器[8-9]、波導法蘭連接[4-5]、網(wǎng)狀天線中的金屬絲搭接[10-11]、移相器中的螺栓連接等。當基站天線的輻射場中存在具有金屬接觸的無源器件時,載波信號會激勵金屬接觸非線性生成PIM產物,若PIM產物頻率與接收信號的頻率相近,PIM會落入接收系統(tǒng)從而降低天線的靈敏度,減少通信系統(tǒng)的容量。因此,輻射場中金屬非線性引起的PIM干擾已成為大功率微波工程技術的重要研究課題之一[12-13]。

針對輻射場中的接觸PIM問題,我們已經(jīng)對波導縫隙天線輻射場中的金屬接觸PIM進行了理論及實驗研究[14]。WU D W等[15]通過仿真建立了網(wǎng)狀天線反射面的PIM模型,并給出了具有相同結構和工作條件的網(wǎng)狀反射面天線的PIM預測?；陔娺B接誘發(fā)PIM的物理根源,ZHAO X L等[16]建立了金屬接觸PIM與接觸電阻、接觸壓力、載波功率之間的關系,提出了一種波導法蘭連接界面處金屬接觸PIM的計算方法。由于多系統(tǒng)、多頻段的通信技術使輻射場中的PIM干擾問題日益凸顯,關于輻射場中金屬接觸PIM可靠的仿真預估亟需進一步的研究。

開展輻射場中金屬接觸PIM的仿真評估和實驗規(guī)律研究具有重要的工程意義。文章通過方同軸縫隙天線提供的輻射場景,提出并實驗驗證了一種預估天線端口接收金屬接觸PIM幅值的仿真方法。實測結果與仿真結果一致,驗證了仿真方法能夠預估輻射場中金屬接觸的PIM響應。

1 金屬接觸非線性電流建模

根據(jù)固體物理的理論,可能導致金屬接觸界面產生PIM產物的非線性物理機制有量子隧穿電流[17]、熱電子發(fā)射。雖然不同的非線性物理機制對應的非線性方程各不相同,但非線性方程都可被展開成冪級數(shù)的形式,如式(1)所列:

(1)

式(1)中,Inl是金屬接觸產生的非線性電流的總和,包含各個頻率分量。ai為各個頻率分量的非線性參數(shù)。V是大功率電磁波經(jīng)過接觸結時在接觸界面產生的壓降。當有兩路載波信號饋入測試系統(tǒng)時,該壓降的表達式如式(2)所列:

V=(Z)[I1lcos(2πf1t)+I2lcos(2πf2t)]

(2)

式(2)中,(Z)為接觸界面的接觸阻抗。I1l,I2l為通過接觸界面的載波信號電流幅值。本文采用的兩路載波信號功率幅值相同,即I1l=I2l=Il。f1,f2分別為兩路載波信號的頻率。

將式(1)展開,提取出與三階無源互調(third-order passive intermodulation, PIM3)相關的三階非線性電流,如式(3)所列:

(3)

綜上所述,建立如式(4)所列的電連接非線性電流源仿真模型。流經(jīng)金屬接觸界面的載波信號電流Il可以通過CST仿真獲取。三階非線性參數(shù)A3由待測樣品某一位置的PIM3測試結果提取。

(4)

2 同軸縫隙天線輻射場中接觸PIM仿真

文章采用如圖1所示的外腔開縫隙的方同軸縫隙天線提供輻射場景[18],待測樣(device under test,DUT)置于縫隙天線的輻射場中。同軸縫隙的寬度遠小于縫隙長度,此時可以忽略遠場的輻射功率,大部分的載波功率在同軸內部傳輸。因此,利用該方同軸縫隙天線可以實現(xiàn)近場內金屬接觸PIM的研究,并忽略遠場中,即測試系統(tǒng)所處環(huán)境中其他金屬接觸非線性源對測試結果的影響。

圖1 同軸縫隙天線仿真模型Fig.1 The simulation model of the slotted coaxial antenna

在DUT的接觸界面設置端口port3,方同軸的輸入、輸出端口分別設置波端口port1和port2。

由式(4)可得,通過線性電流幅值I1及非線性參數(shù)A3可以建立金屬接觸界面的非線性電流模型。在接觸界面port3設置幅值為該非線性電流源的離散端口(端口類型設置為current),通過CST可以仿真獲取到當端口port3以非線性電流源為激勵時,端口port1接收到的功率值,即金屬接觸的PIM響應。綜上,基于非線性系數(shù)A3及流經(jīng)DUT接觸界面載波信號的電流幅值I1可以預估輻射場中DUT在不同位置處的PIM幅值。輻射場中金屬接觸PIM3的仿真流程圖如圖2所示。

圖2 輻射場中金屬接觸PIM3仿真流程圖Fig.2 Flow chart of PIM3 simulation induced by metallic contact in the radiation field

2.1 線性電流I1仿真

如圖1所示,DUT置于方同軸縫隙天線輻射場中。當載波信號在方同軸內傳輸時,一部分載波信號會通過縫隙向外輻射功率,因此在DUT的接觸界面會流經(jīng)由載波信號誘發(fā)的線性電流I1。

在接觸界面設置離散端口port3(端口類型設置為S-parameter)。從端口port1饋入激勵信號,通過CST仿真能夠獲取流過端口port3載波信號的電流幅值,即Il。

2.2 非線性參數(shù)A3提取方法

通過DUT在某個位置處的PIM測試結果可以提取該DUT接觸結的非線性參數(shù)。如圖1所示,如果已知在port1獲取的PIM3響應,基于該PIM3功率通過仿真可以反推接觸界面port3端口處非線性電流激勵源I3f的幅值,最后由式(4)計算得到DUT接觸界面的非線性參數(shù)A3。DUT非線性參數(shù)A3的提取流程如圖3所示。

圖3 DUT非線性參數(shù)A3的提取流程圖Fig.3 Flow chart for the extraction of DUT nonlinear parameter A3

3 實驗驗證

DUT的PIM3測試平臺如圖4所示,其中,圖4(b)為所加工的外腔開縫的方同軸縫隙工裝?；谠摴ぱb可以實現(xiàn)對置于縫隙天線附近的待測樣PIM的測試。

圖4 DUT的PIM3測試平臺Fig.4 Test platform for PIM3 of DUT

將射頻前端天線輻射場中的電連接抽象為兩段鋁合金圓柱相連接的接觸件,如圖5所示。在接觸界面的兩端裝有介質螺釘,通過力矩扳手可以給接觸界面施加不同的壓力,從而改變接觸界面的接觸狀態(tài)。

圖5 DUT實物圖Fig.5 Physical diagram of the DUT

將DUT的接觸結水平置于縫隙波導上方。由于待測接觸結DUT與縫隙在水平方向上的夾角會改變流經(jīng)接觸界面的線性電流I1幅值,因此在實驗及仿真中對DUT與縫隙的夾角設置應保持相同。文章中待測接觸結與縫隙垂直。首先,如圖6所示,在位置P1測試DUT不同壓力下的PIM響應。將縫隙的中心記為原點,位置P1位于原點處。由圖3所示,通過DUT在P1的PIM測試結果及DUT在位置P1的線性電流I1-P1提取不同壓力下接觸界面的非線性參數(shù)A3。其次,基于提取的非線性參數(shù)A3及DUT在P2的線性電流I1-P2,可以仿真評估DUT在P2處不同壓力下的PIM響應。P2位于沿x軸向右平移13mm,沿y軸向上平移5mm的位置,如圖6(a)所示。

圖6 DUT位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of DUT position

建立圖4(a)所示的測試平臺,采用澳華測控PIM分析儀對方同軸縫隙天線輻射場中待測鋁合金接觸不同接觸壓力下的反射PIM3展開實驗研究。兩路載波信號的輸入功率均為43dBm,頻率分別為2.62GHz、2.69GHz。待測的PIM3信號頻率為2.55GHz。測試過程中,PIM測試系統(tǒng)的本底噪聲小于-125dBm@2×43dBm。

采用力矩扳手對DUT接觸界面兩端施加0.1～1.1N·m的力矩,DUT在P1位置處的三次PIM3測試結果如圖7所示。

圖7 DUT在P1處的PIM3測試結果Fig.7 PIM3 test results for the DUT at P1

因為相同力矩下,DUT每次連接的微觀接觸狀態(tài)會存在差異,從而導致DUT在相同力矩下多次實驗的PIM3實測結果在一定范圍內波動,如圖7所示。且該波動范圍隨著外加力矩的增大呈下降的趨勢。本文通過三次重復性的實驗來獲取PIM3的波動范圍。

饋入測試系統(tǒng)的載波功率為43dBm,則由CST場仿真得到在P1處流過接觸結的基波信號電流幅值I1-P1為99mA。根據(jù)DUT在P1處的測試結果PIM3及I1-P1提取DUT在不同接觸狀態(tài)下的非線性參數(shù)A3,如圖8所示。

圖8 DUT在不同外加力矩下的非線性參數(shù)A3Fig.8 Nonlinear parameters A3 of the DUT under variable applied torques

由圖8可得,DUT的非線性參數(shù)A3的均值隨著外加力矩的增大呈下降的趨勢。在微觀物理機制下,接觸界面的非線性參數(shù)A3與單位接觸面積內金屬-絕緣層-金屬(metal-insulator-metal,MIM)的占比,接觸界面氧化膜的厚度及介電常數(shù),接觸界面的勢壘高度等參數(shù)相關[19]。因為,每次連接狀態(tài)下,金屬接觸界面的MIM占比會存在差異,就會導致多次實驗條件下鋁合金接觸件DUT的A3呈現(xiàn)一定的波動范圍。

基于圖6所示的仿真模型,可以獲取在P2處流經(jīng)DUT接觸界面的基波信號電流幅值I1-P2為34.2mA。由式(4)所示,通過在P1處提取的非線性參數(shù)A3及I1-P2可以獲取在P2處DUT接觸界面產生的非線性電流I3f,利用I3f進而可以仿真預估DUT在P2處不同接觸壓力下的PIM3幅值。DUT在P2處的PIM3仿真預估及實測結果如圖9所示。

圖9 P2處DUT的PIM3仿真預估及實驗結果Fig.9 Predicted and experimental results for PIM3 amplitude of DUT at P2

由圖9可得,當外加力矩等于0.35N·m時,DUT的PIM3波動范圍最大。當外加力矩大于0.35N·m時,DUT的PIM3幅值及PIM3波動范圍趨于穩(wěn)定。且在0.3N·m～1.1N·m外加力矩的測試范圍內,DUT的PIM3測試結果的變化范圍在預測結果的變化范圍內,預測結果與實測結果均值相差在3dB以內。

綜上所述,文章提出的仿真方法可以評估金屬接觸樣在不同天線輻射場中的PIM響應。

4 結論

文章提出并實驗驗證了一種評估天線輻射場中金屬接觸結構PIM的仿真方法。首先,基于DUT在天線輻射場中某一位置的PIM測試結果及流經(jīng)接觸界面的線性電流仿真結果能夠提取DUT接觸界面的非線性參數(shù),其次,利用該非線性參數(shù)建立DUT接觸界面的非線性電流源,最后,以該非線性電流源為激勵,通過CST場仿真能夠仿真預估DUT在輻射場中任意位置的PIM響應。采用方同軸縫隙天線及鋁合金接觸件對該仿真方法進行了實驗驗證,實測結果均值與仿真評估結果相差在3dB以內。表明文章提出的仿真方法能夠預估輻射場中金屬接觸的PIM水平,為評估天線的PIM環(huán)境提供了一種仿真計算方法。