波导法兰连接的无源互调分析与测量
2012-03-17张辉
张辉
(武警工程大学 陕西 西安 710086)
近年来,随着微波部件集成度的不断提高、发射机功率的不断增大以及接收机灵敏度的不断提高,无源互调(Passive Intermodulation,PIM)问题越来越来引起人们的重视[2-4]。无源互调产生的非线性机理可以归结为2类:接触非线性和材料非线性[5]。其中,对材料非线性已经研究得比较透彻,但接触非线性目前不是很清楚,这给准确预测PIM功率电平带来了困难。引起PIM的非线性效应机理错综复杂,依据这些机理对PIM进行研究的理论模型还很少,导致开发低PIM微波通信系统的周期长、成本高。
1 波导法兰连接的模型分析
在各类微波器件中,波导法兰连接形成的波导结是极为常见的一种结构。通常,波导法兰在自然条件下易与空气发生反应,其表面覆盖一层绝缘层,该绝缘层的主要成份为氧化物,也可能含有硫化物等其他成份(对于铝波导法兰而言,主要成份为氧化铝)。宏观上波导法兰连接结构如图1(a)所示。
除了具有表面氧化层外,由于机械加工的原因,波导图1 波导法兰连接结构示意图Fig.1 Schematic diagram ofwaveguide flange connection structure法兰连接表面总有一定的粗糙度。这样,从微观上看,2个波导法兰的连接并不是百分之百的接触,而是只在那些表面有凸起的地方才会有实际接触。图1(b)给出了这一情形的示意图,微米级的孔隙表征了粗糙度,绝缘层的厚度则通常在纳米级。从图1(b)可以看出,波导法兰连接实际上形成MIM结构,即“金属-绝缘体-金属”结构。具体如天线馈电系统中的波导法兰连接、大型反射天线中的铆钉铆接等[6-7]。
2 波导法兰连接的PIM测量
为了对波导法兰连接的PIM进行测量[8],假设输入载波频率分别为:
则落入被测量的频谱上限的三阶PIM产物频率为:
1)测量样品
用于本文测量的样品是纯铝(纯度大于99.9%)和镀银的铝波导法兰(22.86×10.16mm)。银的厚度约为 10 μm。铝作为基板材料,银作为涂敷材料,这是因为它们在空间应用中是最具有代表性的波导材料。
如图2所示,波导具有2种不同的法兰。一种是待测法兰(6个螺孔),而另一种(8个螺孔)是与实验装置相连的接头。后者不应增加额外的PIM电平到噪声基底中去,这就是使用八孔法兰结构作为装置接头的理由,且尽量使用最大可能的压力(对M3(3mm直径)螺丝80 N/cm2)。待测法兰是六孔法兰而不是标准法兰(4个螺孔),这是为了最大限度地降低机械不稳定性。
图2 六孔波导法兰与八孔波导法兰Fig.2 The eight hole and six-holewaveguide flange
除了纯铝波导法兰连接之外,我们可插入垫片以研究它们对波导法兰连接的PIM的影响。这里所用的垫片都是铝制的,厚度为3mm,具有两种结构:平式结构或者桥式结构。图3和图4显示了这些垫片的图片和设计。
图3 左边为平垫片,右边为桥式垫片Fig.3 Left for the gasket, the right for the bridge type gasket
图4 垫片的尺寸Fig.4 Pad size
这些垫片的所有表面都进行了大约0.4μm的修整。为了测量典型工程表面的PIM电平,这里没有做进一步的抛光处理。
施于螺栓的力矩是由标准改锥进行测量的,这在所使用的力矩范围之内,精度可以达到5%以内,且力矩总是以扭力矩方式作用于螺丝的。
2)测量装置
由于极高灵敏度的要求,在PIM测量中一流的测量装置是至关重要的。对于每个输入载波功率为170W的情形,所用测量装置的噪声基底为-145 dBm。无源互调的测量装置如图 5所示[9]。
通过幂级数法可以计算PIM的功率电平。波导法兰连接参数对PIM的影响规律如图6所示。从图6可以看出,PIM功率随所施加压力的增大而缓慢减小,直到某个压力(104Pa)使其急剧减小。这是因为:在低机械负载情形,接触电阻通过非接触电容起主导作用,且实际接触面积很小,压力的改变并不明显影响波导法兰连接的总阻抗,因此PIM功率缓慢减小;当机械负载增加时(104Pa),接触电阻和束缚电阻提供了波导法兰连接的电响应,压力的微小变化能改变实际接触面积,从而显著改变总阻抗的大小,使PIM功率急剧减小。在保持输入载波功率之和不变的情况下,通过调节载波功率之比可以观察PIM功率的变化规律。
3 结 论
文中基于波导法兰连接的无源互调模型分析及计算,结果表明:PIM阶数越高,PIM功率越低;法兰连接间的接触压力越大,PIM功率越小。高阶PIM随输入功率的增加而增加的速度小于传统幂级数方法的预测值,使本文的数据在一定的程度上符合实际的结果。
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图5 无源互调测量装置Fig.5 Passive intermodulation measuring device
图6 连接参数对PIM的影响Fig.6 Connection parameters on the impact of PIM
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