论输出三工器无源交调分析与改进范文

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摘要:在多载波收发系统中，无源交调的产生可能显著恶化接收信号的信噪比，导致整个系统的工作受到影响，特别是对于普遍要求大功率发射和高灵敏度接收的卫星收发系统。介绍了一个三工器无源交调的分析与测试，并通过降低接触非线性的措施，极大地改善了三工器的无源交调特性。

关键词:无源交调;非线性;三工器

1引言

微波系统中，由于某些无源部件具有非线性媒质特性，当输入多载波信号时，这些无源部件会产生载波信号的交调和谐波分量，这些信号就是无源交调产物(PIM)。随着通信技术的不断发展，卫星平台能力不断提高，卫星有效载荷的可用功率有了很大提高。真空大功率部件，如开关、连接器、同轴电缆、多工器、天线等的使用功率日益增大。同时，卫星接收系统一般是高灵敏度接收，无源交调对系统的影响逐渐变成一个越来越重要的问题［1］。

2无源交调产生机理

PIM是一个复杂问题，其机理还没有完全研究清楚，对其精确建模分析也存在困难［2－3］。目前公认的原因包括接触面非线性和材料非线性。

2．1接触面非线性两个金属面相互接触时，由于接触面粗糙的影响，在微观上总是凹凸不平的，一般状态如图1所示［4］。1)金属接触这是器件理想的接触条件，但由于接触面粗糙的影响，微观上金属的接触多是点接触。2)金属－氧化膜－金属接触氧化膜可能是单分子结构，依靠隧道效应和穿透薄膜的金属桥进行导电，属于半导体接触，具有相应的非线性。3)金属－介质－金属接触金属接触面间有绝缘介质，不导电，交流信号可通过电容效应传输。4)微小缝隙无源部件的缝隙可造成电磁泄漏，一定电流密度的泄露可产生PIM。PIM是大能量电磁场在无源部件中产生的有源响应，在某种意义上说是电磁场使微小缝隙变成类似二极管一样的器件产生的电磁现象［5］。射频信号通过此类接触面，在特性的相位条件下会产生间隙电压V，可能激发微观的电弧击穿从而产生非线性。因此，采取各种措施降低接触面的非线性，从本质上来说，就是要提高1)类金属接触面积，降低2)～4)类的接触面积。如使用抛光表面或使用具有良好延展性镀层材料，可以显著提高器件金属接触面面积，改善器件PIM。对金属结合面施加压力，也可以起到改善PIM的作用。原因是金属具有延展性，足够的压力可以使金属接触面积增加，同时减小微小缝隙;金属氧化膜、表面污染物也可能在足够的压力下被刺穿，使得金属与金属直接接触。而当器件表面受到污染或接触面表面粗糙不平时，都将加剧器件非线性。特别是接触压力不足或由于振动使得器件接触面微观分离，将引发严重的非线性，严重恶化器件PIM。

2．2材料非线性铁磁性材料在外加交变磁场条件下，磁场强度(H)和磁感应强度(B)是以磁滞曲线周期变化的(图2所示)，这是非线性的周期变化特性，由此产生非线性。这种非线性主要由所含材料的铁磁性强度、含量多少相关。

3输出三工器设计

3．1无源交调干扰分析某星载收发系统框图如图3所示，发射系统包含3个输出频段:B1、B2和B3。三个输出信号通过输出三工器合成后送至一副共用天线阵输出。在这个发射系统中，输出三工器和发射天线都是可能的PIM产生源。而一旦有较大PIM产生并且落入接收机工作频段内，该交调可能影响系统正常工作。该系统发射频段(Tx)和接收频段(Rx)在频谱上的分布如图4所示。由于无源交调分量随阶次降低很快，我们只考虑3阶交调情况。其中B2和B3的交调频段恰好覆盖了系统的接收频段。产生的PIM将显著提高收受频段的噪声电平，使得有用信号被噪声淹没，影响系统正常工作。

3．2无源交调测试通过对系统的分析和测试，发现PIM的主要产生源是三工器。对三工器无源交调的测试使用了图5的测试系统框图。由于干扰频率为B2和B3的交调分量，B1输入端接负载。实际使用双音信号对被测件三工器进行无源交调测试。滤波器通带就是系统接收频段，B2和B3上边带的3次交调可以通过，而B2和B3自身的频段被抑制。通过频谱仪A读出信号功率，频谱仪B读出产生的交调功率。在B2、B3输入功率为130W时，信号功率为3dBm，产生的交调功率为－76．9dBm，因此三工器的三阶无源交调为－79．9dB。

3．3无源交调改进措施三工器采用铝材，涂镀没有使用镍等铁磁性材料，无源交调的来源主要因素是接触非线性。三工器一处金属接合面有垂直于接合面的电流通过，该接触平面接触不良即可产生显著的非线性。该接触面尺寸为54mm×93．5mm的矩形，使用10颗M3螺钉固定连接面。该平面尺寸较大，良好的金属接触要求结合面两侧平面需要严格控制平面度与粗糙度。否则金属面间会存在较大范围微小缝隙，即可产生大量PIM。问题盖板实物如图7所示。由于盖板加工的平面度和粗糙度，盖板与腔体接合面存在微小缝隙。因此改善PIM的主要措施就是提高该平面的良好金属接触，降低微小间隙的比列。根据2．1节分析，采取以下措施对盖板进行改进:1)清洗接合面，以及紧固螺钉孔内残胶;2)在盖板接合面填充适量铟丝，由于铟具有很好的延展性，当施加足够压力时，铟可以填充金属平面间的微小间隙，使得金属接触良好;3)紧固螺钉孔内不使用螺纹胶，降低螺钉螺孔间的接触电阻。更改前和更改后的无源交调测试了4组进行比较，测试结果见图8。更改前由于金属接触好坏未进行控制，接触“好与坏”更加随机，离散型相对较大。采取措施进行改进后，无源交替抑制提升了约20dB，且数据一致性更高。

4结束语

本文对无源交调产生的原因进行了分析介绍。针对某三工器无源交调问题进行具体分析和测试，并采取了有效措施改进降低了三工器的无源交调，满足了系统使用要求，验证了分析的正确性。

参考文献:

［3］唐志辉，李洪超，王苏明．非线性媒质无源交调电平预测［J］．中国空间科学技术，2010(3):43－50．

［4］李明德．无源交调干扰的产生与预防［J］．机电元件，2005，25(2):3－18．

［5］禹旭敏，唐小宏，汪娟，等．大功率同轴谐振器连接缝隙EML和PIM研究［J］．中国空间科学技术，2016，36(2):81－86．

作者：杨光 闫欢 胡艺缤 单位：电子信息控制重点实验室