基于耦合结构的双向可调无源互调参考源①

陈 雄，罗 宇，马凯学，贺永宁

(1.天津大学，天津 30072；2.西安交通大学，西安 710049)

0 引言

无源互调(PIM)是在高功率激励情况下由于微波无源器件微弱非线性产生的混频干扰现象，其普遍存在于滤波器、耦合器、功分器等无源器件。目前关于无源互调效应检测与研究，工程上常采取产品检测筛选的方法来避免无源互调危害，这使得互调检测设备成为确保无源互调指标的关键一步。传统的无源互调测试准确度的评估依赖于单值反射互调的校验式测试，依据目前仅有的IEC 62037无源互调测试标准，该种校准仅仅只能评估在校准源标称值下的测试状态误差水平[1，2]，并不能实现测试仪器整个动态范围内的误差评估和修正。目前关于互调测试系统的校准技术研究较少，业界公知的方法为将互调测试系统的载波输出端口直接短接到线性低互调负载并以此时系统显示互调值作为系统低噪。该方法虽然一定程度上能确定测试系统的自身互调水平，却并不能评价测试系统在不同的测试区间的测试准确度，已逐渐不适应日益增长且复杂化的PIM测试需求[3]。为解决针对该类问题，动态校准技术成为当前热门方向。关于动态校准技术中至关重要的动态参考源技术涌现出很多新的技术尝试[4，5]。

在已被公开的可调无源互调标准源中，较为常见的方法是基于接触可调节的连接器，通过调节连接处压力来产生标定PIM值[4]。该类实现方法简单，同时也存在接触结构不稳定问题，进而导致基于该种非线性的互调源设计具有较大随机性，也即不可预测的非线性强弱。相比之下，基于辐射空间中的非线性干扰效应，文献[5]提出了一种基于二极管辐射PIM的天线式PIM发生器。该种方法使用二极管作为非线性强源，通过改变二极管所处的电磁辐射环境来实现特定PIM参考电平，但该种方法为实现可控的非线性发生，必须使空间中的二极管非线性成为唯一非线性源，由此该种非线性源必须屏蔽测试环境中其他潜在非线性干扰，这就使得屏蔽空间实现该种可控非线性的必要条件，因此为实现该种可控非线性，暗室成为该种非线性源特有结构之一。由此，该类非线性源的便捷性受到制约，并不适合所有的PIM测试场合。

基于上述事实，本文通过对主流的无源互调发生原理进行分析，提出了一种基于双向耦合回路的双端口可调互调源用于PIM测试仪器的校准。相比于传统已有方案，本方案可实现双向同时调节功能，在未来潜在应用中将为互调测试仪器校准提供技术参考。该方案通过相应的同轴至微带及波导至微带转换器，可广泛适用于同轴及波导PIM测试系统。

1 电路设计及实现

在射频电路中应用较多的肖特基二极管是一种利用金属接触界面势垒实现强非线性效应的接触结。该种非线性结具有较低的正向开启电压及微弱的少数载流子存储效应，在混频器、倍频器中经常被作为理想的非线性频谱发生器件。关于该种非线性器件导致的混频效应已经有较多方法[6，7]，而本文工作则是基于偏置可控的二极管，结合双向的功率偶和网络实现可调的双向PIM参考。

如图1所示，所提出结构主要包含两部分，第一部分为双向的功率分配网络，拟使用基于耦合器组成的双向偶合网络。如图1中的基本信号流图所示，输入载波信号首先馈入到双向的功率合成网络中，经过功率衰减后激励二极管以达到合适的PIM幅值。二极管产生的PIM信号沿着反向路径到达功率分配网络输入和输出端形成双向互调参考，其中沿着载波方向的可以被认为是传输互调参考，而沿着反向载波方向的成为反射互调参考。基于上述拓扑，所实现的两种互调源结构如图2所示。

图1 两种可调互调参考源结构框架

图2 两种可调互调参考源拓扑结构及实物图

对照该实物结构，两种电路结构的信号流图如图3所示，其中(a)结构为基于耦合三线和平行线耦合器组合实现的简洁版双向参考互调源[8]。(b)结构为基于四个平行线耦合线的双向可调互调源[9]。相比于(a)结构，(b)结构通过将四个平行线耦合器对置放置，也即隔离端口连接，可增加左右传输和反射互调之间的隔离，从而传输和反射互调参考信号之间更加独立。尤其针对四个耦合器方案，由于该结构采用了对称耦合器布局，双向互调信号从二极管出来后的传播路径并不会有任何的交叉，从而避免了互调信号的二次叠加合成，进而保证了双向信号之间的独立性，保证了传输和反射互调一致性。

如图3中所示，无论耦合器如何排列，其最终效果依然是使得载波馈入功率衰减，进而通过不同的耦合器组合可实现不同的载波馈入，进而改变参考互调的可调范围。该方案可面向不同应用需求提供多种备选方案。

图3 两种电路结构的信号流图

2 测试验证结果

在实际的方法验证和设计制造过程中，为验证两种不同可调区间且考虑不同介质板的经济成本，选取了两种方案，其中设计可调PIM幅值整体较大的参考源制作在普通的玻璃纤维介质板上，并将可调PIM幅值整体较小的制作在低PIM介质板(Rogers 4730JXR)介质板。采用两种互调测试频率如下F1=2.62 GHz & F2=2.69 GHz /PIM3=2.55 GHz，F1=728 MHz & F2=746 MHz /PIM3=710 MHz。

针对基于耦合三线的第一种参考源的PIM测试结果如图4所示，其中图4(a)为反射互调，图4(b)为正反互调差别。第二种基于四个耦合器结构的PIM测试结果如图5所示，其中图5(a)为700 MHz下测试结果，图5(b)为2.6 GHz下测试结果。通过两种结构的S参数对比，结果证明第一种结构的端口驻波只能在第一级耦合器的中心频率(设计2.6GHz)附近保持小于1.5；而第二种结构由于使用了耦合器级联，其载波传输特性近似为一条宽带传输线，其可以工作在从0.3GHz到3GHz之间，为一个宽带的可调互调源。

(a) (b)

(a)

(b)

通过对比两种互调源可以发现，基于Rogers 4730JXR低互调介质板制作电路可使得可调互调源底噪降低至低PIM介质板自身互调底噪水平[10]。与此同时，由于双向通道之间的隔离不同，两种不同的拓扑结构可实现的传输和反射互调差异也不相同。其中基于四个耦合器的方案传输反射互调差值可以小于1dB，而基于耦合三线的方案最大的差别达到8dB。

3 结论

本文提出了两种基于偏置二极管实现的可调互调参考源，两种互调参考源的动态范围分别达到了50dB和30dB，其面积分别为4cm×6cm和8cm×12cm。通过使用低互调介质板，互调参考源的互调底噪得到进一步优化，与此同时再通过对置放置的耦合结构，传输和反射互调一致性也优化到1dB以内。在使用过程中，由于本互调参考源使用偏置电压来调节，这也使得基于该种电路结构后期可以增加自动的控制模块来实现与互调测试仪器联动，最终实现自动化的互调校准。这将在提高无源互调测试准确度的同时，进一步提高互调测试效率。