辐射场中金属接触无源互调干扰研究

引 言

无源互调(passive intermodulation,PIM)产物是指频率不同的载波信号输入到微波无源器件中产生的载波谐波信号的线性叠加.PIM产生的根本原因可以归结为无源部件中的材料非线性和射频电连接接触非线性[1].为了适应移动通信系统复杂的硬件系统,射频前端很多常用的微波无源器件中都会存在金属接触界面,比如射频连接器、多路耦合器、网状天线,以及基站天线的固定连接都会引入金属接触非线性.当收发天线的辐射场中存在具有金属接触界面的微波无源器件时,载波信号会激励金属接触界面的非线性产生PIM信号.产生的PIM信号落入与其频率相近的接收频段时,就会降低收发共用天线的灵敏度,减少通信系统的容量[2].因此,辐射场中金属接触非线性引起的PIM问题已经成为微波通信系统射频前端中面临的严重电磁干扰问题[3-7].

在射频前端金属接触PIM问题研究中,已经有研究可以通过仿真建立网状天线反射面的PIM合成计算,并给出了具有相同结构和工作条件的网状反射面天线的PIM预测[8].基于射频电连接PIM产生的物理根源,赵小龙博士提出了金属接触PIM的点源模型,建立了金属接触PIM与接触电阻、接触压力、载波功率之间的关系,并利用点源模型建立了波导法兰连接界面处的金属接触PIM计算方法[9].但是目前已有的研究仍未对辐射场中金属接触的PIM进行预测分析,因此本文针对此问题进行探索研究.

揭示辐射场中金属接触PIM产生机制,开展辐射场中金属接触PIM的计算评估和实验规律研究具有重要的工程意义.本文利用外腔开缝隙的波导作为收发天线,两根直径为0.36 mm、长为15 mm的铜丝搭接而成的金属接触结作为非线性源来模拟辐射场中金属接触PIM对接收天线的干扰问题.基于点源模型并结合电磁仿真对辐射场中金属接触结的PIM的幅值进行理论推导和计算,并利用具有近场耦合特性的外腔开缝隙的波导工装[10]对单点金属接触结在缝隙波导辐射场不同位置处的三阶无源互调(third-order passive intermodulation,PIM3)进行测试研究.本文对辐射场中金属接触结PIM的理论探讨和实验研究,一方面有助于我们深入理解金属接触PIM的产生机理,另一方面提供了对天线接收到的PIM产物进行评估的计算方法.

1 金属接触PIM计算与仿真建模

1.1 实验方法和场景

利用图1所示的缝隙波导工装研究待测样在辐射场中不同位置处的PIM表现.当缝隙宽度W远小于缝隙长度L时,可以忽略远场的辐射功率,实现近场耦合测试.基于近场耦合的原理可以完成金属接触结的在线测试,对待测样在不同接触状态、不同位置下的非线性进行实验研究[11].

图1 缝隙波导工装

Fig.1 Slotted waveguide tooling

近场耦合测试原理如图2所示.当载波信号在缝隙波导工装腔体内传播时,一部分载波功率会通过缝隙耦合到波导工装外部辐照放置于缝隙波导上方的待测样,并在金属接触结处产生感应电流.由于金属接触J-V的非线性关系,在金属接触结处会产生与互调相关的非线性电流.该非线性电流作为PIM源向外辐射互调信号,一部分互调信号直接扩散到波导工装的外部环境中;一部分互调信号会通过缝隙耦合到波导工装内部,形成反射互调信号和传输互调信号,被与波导工装连接的PIM测试系统所接收.

图2 近场耦合测试原理图

Fig.2 Near-field coupling test principle

1.2 辐射场中金属接触PIM计算模型

首先利用点源模型对辐射场中金属接触结的PIM进行理论推导.根据赵小龙博士的理论研究[9],点源可以看作是在金属接触界面上一段长度为L的微区域.该微区域需要满足以下两个条件:1)微区域可以容纳足够多的微凸体,从而保证与压力相关的非线性电流表达式有效;2)微区域的表面电流密度分布均匀,可视为一个整体.

接触非线性的I-V关系表达式为

=g0+g1V1+g2V2+g3V3+….

(1)

式中:JMIM为非线性电流密度;gi为非线性系数;V为大功率电磁波经过接触结时在接触界面产生的压降,该压降的表达式为[12]

V=|Z|I.

(2)

式中:Z为名义接触面积内的接触阻抗;I为流过接触结载波信号所激励的电流幅值.

对于两路功率幅值相同的载波通入到微波器件,在金属接触面上就产生的压降由式(2)可得:

V=|Z|[I1cos(2πf1t)+I2cos(2πf2t)]

=(|Z|I1)cos(2πf1t)+(|Z|I2)cos(2πf2t)

=V1cos(2πf1t)+V2cos(2πf2t).

(3)

金属界面的非线性产生于金属-绝缘层-金属(metal insulator metal, MIM)接触,MIM接触产生的非线性电流由式(1)、式(3)可得:

(4)

式中:ξ为微区域内MIM接触面积所占的比例,与接触结两端施加的压力有关;A为名义接触面积,A=Lδ,δ为趋肤深度.

将式(4)展开,提取出与三阶产物相关的非线性电流,如式(5)所示:

(5)

该非线性电流源可以看成一个短偶极子,它的辐射功率,即Pc的表达式为

(6)

式中,R为点源辐射电阻,与点源的长度L和载波频率f有关,其表达式为[13]

R=80π2(L/c)2f2.

(7)

由图2可得,在接触结产生的互调信号一部分会耦合到缝隙波导,另外一部分会直接扩散到缝隙波导外部的环境中.把耦合到缝隙波导的互调信号与在接触结处产生的互调信号幅值的比值记为互调信号的耦合效率,用C表示.耦合效率可通过CST仿真获得.

综上,被缝隙波导接收的金属接触PIM3幅值计算为

60lg(Z)+40lg(I1)+20lg(I2)+10lg(C).

(8)

式中:I1、I2为流过接触结的两路载波信号的电流,其幅值可以通过CST电磁仿真获取.

1.3 辐射场中金属接触PIM仿真建模

本文研究对象为两根长15 mm、直径为0.36 mm的铜丝搭接形成的接触结,为了保证在移动待测样的过程中不改变接触结的接触状态,把两根铜丝固定在长40 mm、宽1.5 mm、高1 mm的玻璃片上.将待测接触结水平置于缝隙波导上方,待测接触结与缝隙的夹角为90°.在CST中对波导和待测样建模,在接触结处设置功率离散端口port1,设置波导的两个端口为port2、port3,如图3所示.

图3 仿真模型

Fig.3 Simulation model

沿x轴、y轴平行移动待测接触结到图3虚线所示的位置,每次移动的距离为 5 mm,移动过程中待测接触结与缝隙始终垂直.通过仿真S21可以获得不同位置下互调信号的耦合效率;仿真流过port3的电流幅值可以得到不同位置下流过接触结的两路载波信号的电流幅值.输入的两路载波信号频率为2.62 GHz和2.69 GHz,PIM3的频率为2.55 GHz.输入功率为43 dBm.

仿真结果如图4所示,我们可以得缝隙波导上方以缝隙中心为中心点的30mm×30 mm正方形区域内不同位置处流过接触结载波电流幅值I1、I2和互调信号耦合效率C.在该区域内,I1、I2以及C的幅值分布沿缝隙对称,I1、I2的幅值分布反映了该区域内磁场的分布.

(a)接触结处载波信号(2.62 GHz)的电流幅值I1

(a)Current amplitude I1 of carrier signal(2.62 GHz)atcontact junction

(b)接触结处载波信号(2.69 GHz)的电流幅值I2

(b)Current amplitude I2 of carrier signal(2.69 GHz)atcontact junction

(c)PIM3(2.55 GHz)的耦合效率C

(c)Coupling efficiency C of PIM3(2.55 GHz)

图4 不同位置下I1、I2、C的仿真结果

Fig.4 Simulation results of I1,I2 and C at different positions

2 辐射场中点接触PIM实验研究

根据仿真模型设计图5(b)所示的金属接触结构作为待测样开展实验研究.搭建金属接触PIM测试平台如图5(a)所示,将待测样品的接触结水平置于缝隙波导上方,待测接触结与缝隙垂直.基于PIM反射测试方法采用澳华测控PIM分析仪测试被缝隙波导接收的金属铜丝搭接的PIM3.两路输入载波信号参数与仿真设置一致,频率为2.62 GHz、2.69 GHz,输入功率为43 dBm.待测的PIM3信号频率为2.55 GHz.测试过程中,在不加待测样品时,PIM测试系统的本底噪声在-125 dBm以下.

图5 测试平台

Fig.5 Testing platform

与仿真过程相对应,沿x、y轴移动待测样,间距为5 mm.测试待测金属接触结在不同位置处的PIM3幅值,实验测试结果如图6所示.

图6 PIM3(2.55 GHz)实验测试结果

Fig.6 Measured results of PIM3(2.55 GHz)

由实验测试结果可得,当待测接触结在缝隙波导上方移动时,由于在不同位置处接触结处载波电流幅值、互调信号耦合效率发生变化,在波导端口接收到的互调信号也会发生相应的变化.并且在测试区域内,不同位置处互调信号幅值分布变化趋势和接触结处的载波电流幅值I1、I2、互调信号耦合效率C的幅值分布变化趋势一致.

采用微欧计基于四线法测试原理可以得到待测金属接触结的接触电阻为0.582 Ω.将测试所得的PIM3、接触阻抗Z以及仿真所得的接触结处载波电流幅值I1、I2、互调信号的耦合效率C代入式(8),就可以计算推导出接触结的非线性参数ξg3.由于测试过程中待测接触结固定在玻璃片上,移动的过程中并未改变接触结的接触状态,因此我们假设待测样在不同位置处的非线性参数保持不变.通过待测接触结在正方形区域中心点处的PIM3、Z、I1、I2、C,得到待测接触结的非线性参数ξg3为4.23×108.将计算所得的ξg3以及仿真结果I1、I2、C回代入式(8),可以基于本文中建立的金属接触PIM模型得到待测接触结在缝隙波导辐射场的不同位置下,被缝隙波导接收的PIM3理论计算值,如图7所示.

图7 PIM3(2.55 GHz)计算结果

Fig.7 Calculated results of PIM3(2.55 GHz)

对比图6所示的实验测试结果和图7所得的计算结果,可以发现在测试区域内,基于本文推导的辐射场中金属接触PIM模型计算得到的PIM3分布与实测PIM3分布趋于一致,与接触结处的载波电流幅值I1、I2、互调信号耦合效率C的幅值分布相同,都沿缝隙呈对称分布.由图8给出的待测样在x=0 mm、x=5 mm、x=10 mm处PIM3的实测结果与计算结果的对比曲线可得,在待测接触结距离缝隙中心小于20 mm的区域内,实验测试结果和计算结果相差在10 dB以内.证明本文所推导单点接触PIM计算模型可以估算辐射场中金属接触PIM的幅值,评估接触非线性源对接收天线的干扰程度.由于测试过程中会因为电热耦合效应[14]等因素导致待测样的金属接触状态发生改变,从而引起金属接触结上的非线性发生改变,因此我们的实验测试值和理论计算值会有几个dB的偏差.并且,由于本文采用的PIM测试系统本底噪声的限制,当待测接触结距离缝隙中心大于20 mm时,待测接触结产生的PIM被波导接收时幅值会小于PIM测试系统的本底噪声,实际接收的PIM信号会被系统的本底噪声所湮没.因此,在这种情况下,待测接触结PIM的测试值和理论计算值会有较大的偏差.

图8 待测样在x=0 mm、x=5 mm、x=10 mm处PIM3(2.55 GHz)实验测试结果和计算结果的对比曲线

Fig.8 Comparison of measured results and calculated results of PIM3(2.55 GHz)at x=0 mm, x=5 mm and x=10 mm

3 结 论

本文应用金属接触PIM的点源模型,结合待测接触结处载波激励电流幅值和互调信号耦合效率的仿真过程,建立了辐射场中金属接触结PIM3计算模型.并利用外腔开缝隙的波导工装,应用近场耦合的测试方法测试在缝隙波导天线近场附近不同位置处待测金属接触结的PIM3幅值及分布规律,实验验证了本文提出的理论计算模型能够预估辐射场中金属接触PIM幅值的大小,为评估天线的PIM环境提供了一种仿真计算方法.本文仅针对辐射场中单点金属线接触结构在不同位置下的PIM的研究,还没有考虑待测接触结构自身的影响,由于接触结的结构尺度不同,会改变接触结构所处位置的磁场分布,进而改变接触结处的电流幅值,影响接触结产生的PIM幅值.另外接触界面的接触压力、温度、湿度等因素,也会改变接触结的接触状态,影响金属接触PIM幅值的大小.因此,有关辐射场中金属接触PIM的机理和规律还需要我们进一步的探索研究.