非接触式低无源互调温箱穿仓接口技术

陈 翔,胡少光,双龙龙,胡天存,崔万照

(中国空间技术研究院西安分院,西安 710000)

0 引言

无源互调(passive intermodulation,PIM)是多个大功率发射载波通过微波无源系统时产生的一种非线性互调产物,如果PIM产物落入接收通道,则可能形成干扰。PIM干扰对具备收发天线共用体制、高发射功率、高接收灵敏度等特点的航天器通信有着严重威胁,且会伴随航天器通信系统普遍且长期存在,PIM干扰控制成为航天工程研制中至关重要的方面。产生PIM的主要物理机理包括材料非线性和接触非线性,材料非线性可通过合适的材料选择以避免,而微波部件及系统中普遍存在不良金属电接触,易产生接触非线性效应,从而成为PIM的主要来源[1-2],且电接触PIM通常呈现出多物理因素作用、多源随机分布的复杂特性。在航天微波产品研制中,难以实现对其PIM性能的仿真预测,PIM检测是评估产品PIM性能是否合格的唯一途径,高性能的PIM检测技术是支撑航天器微波产品研制及验证的关键技术[3-4]。对于航天微波产品,为准确衡量其在太空环境下的PIM性能,高低温循环PIM检测必不可少,通常需要若干个温度循环周期内的长时间、连续性PIM检测,这也对检测系统的可靠性提出了较高要求。

在开展温循PIM检测时,需要将待测件置于温箱内,通过温箱侧壁的预留通孔实现温箱内部待测件与外部检测系统端口的连接。通常采用穿仓波导实现内外连接,在温箱侧壁通孔的其他部位填充隔热棉实现热隔离,这种传统的温箱穿仓波导连接方式在PIM检测中会导致以下问题:

1)影响检测系统灵敏度:穿仓波导在温箱内外均通过传统的法兰连接,存在金属电接触,易产生接触非线性,直接恶化检测系统的残余PIM性能,导致检测系统的残余PIM无法达到稳定低水平,从而影响系统的PIM检测灵敏度。

2)检测系统稳定度较差:穿仓波导位于温箱内部的端口处于高低温交替状态下,且隔热棉缺乏对穿仓波导的稳定力学支撑,待测件及检测系统端口存在位置及高度差,导致在系统搭建及实测过程中极易产生连接部位的应力问题。在以上温变、应力及外部振动等多种物理因素的共作用下,很容易使得传统的温箱穿仓连接在微观接触界面上的电接触状态不稳定[5],从而导致系统残余PIM电平不稳定或永久性抬升,这对于开展长时间、高灵敏度PIM检测十分不利。

以上两方面问题的存在,使得传统的温箱穿仓波导连接方式成为PIM检测系统一个重要的可靠性和稳定性隐患,在开展温循PIM测试之前往往需要繁琐的连接状态校准和稳定性试验工作,导致检测试验效率低下;此外,如果在长时间检测过程中发生系统残余PIM波动或恶化,则会造成检测精确度下降或检测结果无效。

以上问题的物理根源是传统温箱穿仓连接中的非理想金属电接触部位易产生金属接触非线性,从而导致PIM问题发生,且温变、应力、振动等外界因素均会直接影响接触非线性特性[2],从而使得PIM性能不稳定。

高压法兰是实现低PIM波导连接的一种重要方式,通过增压台配合足够的连接压力使得法兰接触面达到良好的接触状态以实现低PIM。但由于存在金属接触,其无法从根源上规避接触非线性。而测试系统端口需要经常性的拆卸装配,在此过程难免会出现破坏连接状态的情形,影响电连接性能的一致性,从而可能引起PIM性能恶化。且为了达到较好的连接状态,高压法兰对于连接操作要求较高,不利于测试系统端口的便捷、快速连接。

为解决上述问题,本文提出一种非接触式低PIM温箱穿仓接口技术,利用特定设计的周期性阵列结构可形成非金属接触条件下宽带电磁屏蔽的物理原理,通过非接触式电磁屏蔽结构实现对温箱穿仓接口的非电接触化设计,避免了其不良金属电接触,从根源上消除产生PIM的金属接触非线性,且非接触式接口也避免了温变、应力、振动等外界因素的影响,从而可实现一种稳定的低PIM穿仓电连接。首先,分析了非接触式电磁屏蔽结构的PIM抑制特性,并以法兰适配器为例进行了实验验证,在此基础上,针对Ku频段PIM检测系统技术需求,结合温箱结构特点,设计研制了非接触式温箱穿仓接口并开展了PIM试验验证,实测获得了长时间温循状态下检测系统的稳定低残余PIM特性,在两路100W测试载波输入下,多个温循周期内检测系统的三阶残余PIM均保持在-140dBm以下,获得了极高的稳定性和可靠性,有效提升了PIM检测系统性能。

1 非接触式电磁屏蔽结构及其PIM抑制特性分析

1.1 非接触EBG的PIM抑制特性

非接触电磁屏蔽结构基于非接触电磁带隙(electromagnetic band gap, EBG)原理所实现,如图1(a)所示,非接触EBG结构是指周期性单元通过一定规则排布构成的、同时具备非接触结构特征和宽禁带电磁带隙特性的一类电磁结构的统称[6],可利用其电磁禁带特性实现电磁屏蔽功能。电磁禁带通常通过非接触EBG结构的色散特性计算得出,如图1(b)所示,其横坐标是对二维周期性EBG结构进行色散特性分析时,对所采用的等效晶格模型中布里渊三角的三个基本点Γ-X-M的遍历。关于非接触EBG,各类新结构和相关研究众多[7-11],此处不做详细展开。

图1 非接触电磁带隙(EBG)结构Fig.1 The contactless electromagnetic band gap (EBG) structure

非接触EBG最典型且独特的优势在于可实现非金属接触条件下的超宽带电磁屏蔽,可用于实现部件关键部位的非接触化,这为解决由金属接触非线性所导致的PIM问题提供了全新途径[12-14]。在非接触EBG结构中,位于禁带频率内的电磁场为截止模式,其内部场强沿周期性结构单元呈衰减趋势。当采用非接触EBG实现低PIM部件设计时,仅针对电接触部位进行非接触化,机械结构接触仍然存在,且实际部件为有限尺寸,非接触EBG中周期性单元的数量也直接决定着场强抑制特性,因此,首先需要针对实际应用结构对非接触EBG的PIM抑制特性进行分析。

产生PIM的接触非线性机理主要包括电子隧穿和热电子发射效应[1],其电流密度与偏置电压呈非线性关系,因而会导致金属接触结产生非线性的I-V关系,不论哪种非线性I-V关系,均可以展开为泰勒级数的形式,即:

(1)

式(1)中,ai为第i阶非线性系数,与具体的接触结物理特性相关。

以双载波为例,输入载波信号为:

V(t)=V1cos(ω1t)V2cos(ω2t)

(2)

式(2)中,V1,V2为两路载波信号幅值,ω1,ω2为两路载波信号角频率,则有:

(3)

将式(3)展开整理,由于2ω1+ω2及2ω2+ω1通常远离发射与接收频段,因此不做考虑。此外,产生PIM的非线性是一种极弱的非线性效应,因此高次项可以忽略。可分离出所关心的3阶PIM项为:

(4)

同理可得出所关心的5阶PIM项为:

(5)

在实际通信系统中,由于发射和接收频段固定,通常仅考虑单边带的PIM产物,因此可得实际的3阶及5阶PIM产物的电流幅值为:

(6)

通常情况下,认为金属接触结具有接触电阻,假设其阻抗为Z0。此外,假设输入双载波功率相同:V1=V2=V,则3阶及5阶PIM产物的平均功率可近似表示为:

(7)

对于给定的金属接触结构和工作频率,接触阻抗Z0、非线性系数a3,a5均为与接触结构物理特性相关的定值,因此将其简化合并为常系数C3和C5。

将式(7)取对数,得到PIM电平为:

PIM3(dBw)=10log(C3V6)=C+60logV
PIM5(dBw)=10log(C5V10)=D+100logV

(8)

式(8)中,C和D为常数。

假设载波信号原始幅值为V0,经非接触EBG结构截止衰减后,机械接触部位的信号幅值为Vs,则可近似得出理论上的PIM抑制度RPIM为:

(9)

(10)

1.2 非接触式法兰适配器设计验证

以Ku频段钉床型非接触法兰适配器为例做进一步说明,图2所示为匹配Ku频段WR75标准波导的法兰适配器示意图,由周期性金属凸体单元构成的钉床式人工磁导体(artificial magnetic conductor, AMC)结构以背靠背形式分别围绕波导端口排列于金属板正反两面,金属板长宽尺寸与标准波导法兰面相同,外围设置凸台支撑,连接于普通波导法兰之间时,凸台与法兰面构成机械连接,钉床式AMC面与普通法兰面则构成非接触EBG结构,如图2(a)。非接触EBG结构的电磁禁带应覆盖相应波导的主模工作频段。在该非接触法兰适配器尺寸参数下的电磁禁带计算结果如图2(b)所示,电磁禁带范围约为9.3GHz～39.0GHz,完全覆盖WR75波导工作频段,波导主模频段内的电磁信号被束缚于波导内部传输而无法从非接触的空气间隙泄漏,进而实现双面非接触的法兰过渡连接。

图2 Ku频段WR75波导的非接触法兰适配器设计Fig.2 The design of Ku band contactless flange adapter of WR75 waveguide

选择几个关键位置分析其场强分布特性,如图3所示,沿波导窄边(即z方向),定义x=0mm处为位置A,x=4.5mm处为位置B。沿波导宽边(即x方向),定义z=0mm处为位置C,z=4mm处为位置D。row1、row2、row3代表垂直于z方向排列的3排钉床EBG单元结构,column1、column2代表垂直于x方向排列的2排钉床EBG单元结构。

图3 非接触法兰适配器俯视结构示意Fig.3 The top view of the WR75 contactless flange adapter

在图4给出了非接触法兰适配器中A、B位置处沿电场极化方向(即z向)、14GHz频率下的钉床顶部电场强度分布计算结果。波导端口激励功率为100W,分别给出了不同空气间隙厚度ha下的场强分布计算结果。为便于对比观察,对纵坐标场强值取10log对数化处理。可以很明显看出,非接触结构的空气间隙越小,沿z向的电场强度衰减越快。根据式(9-10)及图4中结果,可估算得出非接触法兰适配器中沿电场极化方向的PIM抑制度理论值,表1给出了3阶PIM抑制度的估算结果。可以看出,经过三排周期性钉床结构,PIM电平即被大幅抑制,在实际中即体现为检测仪器自身的噪声。

表1 非接触法兰适配器中沿z方向的3阶PIM抑制度Tab.1 The theoretical 3rd order PIM suppression of the contactless flange adapter along the z direction

图4 非接触法兰适配器中,14GHz下沿z方向的电场强度分布值Fig.4 The electric field intensity distribution of the contactless flange adapter at 14GHz alone the z direction

如图5所示为非接触法兰适配器中C、D位置处沿垂直电场极化方向(即x向)、14GHz频率下的钉床顶部电场强度分布计算结果,同样地,计算了不同空气间隙厚度下的场强分布。可以看出,沿x方向,电场强度迅速衰减,经过两列钉床后场强即衰减至接近0,因此沿x方向上的理论PIM抑制度大于沿z方向的理论PIM抑制度。

图5 非接触法兰适配器中,14GHz下沿x方向的电场强度分布值Fig.5 The electric field intensity distribution of the contactless flange adapter at 14GHz alone the x direction

根据以上分析结果,非接触EBG在有限的尺寸空间内可以迅速衰减电场强度,因而在部件应用中应该可以获得极强的PIM抑制性能。为进行充分的实验验证,加工制作了上述非接触法兰适配器,如图6所示法兰适配器实物及S参数特性,在WR75工作频段内均具有良好的电磁传输特性。开展了非接触法兰适配器和普通法兰的3阶及5阶PIM对比实验测试,实测结果如图7所示,其中黑色曲线为测试系统的当次残余PIM实测结果。根据实测结果,未采取任何工艺、结构优化和低PIM控制措施的普通波导法兰连接的PIM性能明显较差,如红色曲线所示。采用非接触式法兰适配器后,其PIM性能得到明显改善,如蓝色曲线所示,最大PIM抑制度超过50dB,平均PIM抑制度超过25dB。通过非接触式法兰适配器连接,普通波导法兰的PIM电平降低至接近甚至低于测试系统的原残余PIM电平,且对于连接力矩和表面处理无特殊要求。以上结果充分验证了非接触EBG实现稳定低PIM应用的可行性和有效性。

图6 Ku频段非接触法兰适配器及S参数结果Fig.6 The prototype of the Ku band contactless flange adapter and its S-parameter results

图7 非接触法兰适配器的3阶及5阶PIM实测结果Fig.7 The 3rd and 5th order PIM measurement results of the contactless flange adapter

2 非接触式低PIM温箱穿仓接口设计及实验验证

基于前一节的分析及实验结果,基于周期性结构所构建的非接触电磁屏蔽结构可实现微波部件很好的PIM抑制特性,且在用于非接触电连接时,可获得良好的S参数特性,在解决PIM问题的同时不会导致额外的电性能受损,这对于解决当前PIM测试中温箱穿仓的诸多问题提供了全新的实现途径。

综合温箱穿仓结构特点和非接触EBG的低PIM实现思路,本节提出了一种非接触式低PIM温箱穿仓接口技术,如图8所示,在温箱侧壁通孔两端分别设置固定托盘,将穿仓直波导通过固定托盘固定于温箱侧壁通孔内,穿仓波导两端的法兰面上围绕波导端口排布一定数量的周期性金属单元结构,用于在与外部连接时形成非接触EBG。穿仓波导外壁与通孔间的空隙内填充隔热材料以实现温箱内外的热隔离。采用以上方式后,在温箱通孔内外则形成了非接触式电连接端口,分别用于与待测件及测试系统端口连接。此外,为实现对非接触式端口的保护,可在内外端口部位增加可更换的适配器。

图8 非接触式低PIM温箱穿仓接口示意图Fig.8 The diagram of the contactless low PIM through-wall structure of the temperature chamber

针对Ku频段PIM测试系统设计研制以上温箱穿仓接口,其中非接触式法兰端口的尺寸参数可参考前节中的尺寸参数。该结构为通用化结构,当用于其他频段时,非接触式端口的尺寸参数根据相应的工作频段进行计算,需保证所构成的非接触EBG的电磁禁带覆盖所需的工作频段范围[15]。如图9所示为加工制作的Ku频段非接触式低PIM温箱穿仓及其S参数结果,在WR75工作频段内具有良好的S参数特性,在实现温箱穿仓连接时不会对电磁传输性能产生影响。

图9 Ku频段非接触式温箱穿仓实物及其S参数结果Fig.9 The fabricated Ku band prototype of the temperature chamber’ contactless through-wall and its S parameter results

将所研制的非接触式温箱穿仓接口应用于五院西安分院测试及环境试验中心的某Ku频段PIM检测系统,实现检测系统自闭环连接并开展检测系统的3阶残余PIM性能验证,两路测试载波分别为11.45GHz和12.75GHz,测试14.05GHz处的3阶PIM产物,单路载波测试功率为100W。如图10所示为多个高低温循环周期内3阶残余PIM的实测结果。非接触式温箱穿仓接口连接方式十分简单,无特殊的连接力矩要求,可完全实现即连即用,对于检测系统连接及运行过程中的应力、振动等外部因素不敏感,在多次重复拆卸连接后实测3阶残余PIM电平均小于-140dBm,且在多个高低温循环周期内,系统残余PIM电平稳定保持在-140dBm以下,以仪器误差形式波动,在实现高灵敏度PIM检测性能的同时获得了极高的检测稳定性。该温箱穿仓接口已成功应用于五院西安分院某型号产品天线分系统馈源阵列的高低温循环PIM试验中,保证了长时间、高灵敏度、高效率PIM检测任务的成功实施。

图10 应用非接触式温箱穿仓接口的PIM检测系统在长时间高低温循环状态下的3阶残余PIM测试结果Fig.10 The 3rd order residual PIM results of the PIM measurement system under long time temperature cycles, where the proposed temperature chamber’ contactless through-wall technology is adopted

3 结论

本文针对航天工程应用中高性能温循PIM检测系统需求,提出了一种非接触式低PIM温箱穿仓接口技术,基于非接触电磁屏蔽原理实现温箱穿仓接口的非接触低PIM设计。在充分的理论分析和技术验证基础上,设计研制了Ku频段非接触式温箱穿仓接口并实现了Ku频段PIM检测系统闭环验证,实测获得了优秀性能。基于新型的非接触化设计,该温箱穿仓接口具有稳定的低PIM特性,有效解决了传统温箱穿仓方式在PIM检测中因电接触所导致的系统检测灵敏度恶化、稳定性较差等问题,且连接方式简单高效,即连即用,大幅提升了检测系统性能和检测工作效率。此外,该温箱穿仓接口为通用结构,可拓展应用于各类PIM检测系统中。