S波段波導同軸轉換器的無源互調特性實驗研究

葉 鳴 吳 馳 賀永寧 張 鶴 陶長英 鄒小芳

（1.西安交通大學電子與信息工程學院，陜西西安710049；2.鎮江市澳華測控技術有限公司，江蘇鎮江212009）

S波段波導同軸轉換器的無源互調特性實驗研究

葉 鳴1吳 馳1賀永寧1張 鶴1陶長英2鄒小芳2

（1.西安交通大學電子與信息工程學院，陜西西安710049；2.鎮江市澳華測控技術有限公司，江蘇鎮江212009）

通過專用無源互調（Passive Intermodulation，PIM）分析儀對S波段波導同軸轉換器的PIM特性進行了研究.對S波段波導同軸轉換器的原型器件進行了PIM測試，結果表明：在輸入載波功率為40dBm時其三階PIM約為－56dBm；從連接器的外導體鍍層材料和內導體探針的結構設計兩個角度對所測結果進行了解釋，并通過改進實驗予以驗證；為進一步獲得低PIM性能，依據低PIM設計的基本原理對S波段波導同軸轉換器進行了設計加工及驗證測試，測試結果表明在輸入載波功率為43dBm時其三階PIM約為－114dBm.所得結果對開展有關波導PIM特性實驗研究、微波無源器件的低PIM設計具有借鑒意義.

S波段；波導同軸轉換器；無源互調；微波無源器件

引 言

無源互調（Passive Intermodulation，PIM）效應是指兩個或兩個以上的載波信號通過弱非線性的無源器件時產生互調信號的現象，當這些互調信號落入接收通帶時可能造成通信系統性能下降［1－2］.

波導同軸轉換器是一種廣泛應用于雷達、精密制導、電子對抗以及微波測試等系統中的微波無源器件［3］.該器件設計的基本要求是：低駐波比、低插入損耗，在部分系統中還對帶寬有一定要求.為此，已經報道了多種波導同軸轉換器的設計［3－4］，市面上也能購買到微波波段的各種波導同軸轉換器.波導同軸轉換器的研究已經趨于成熟.然而，隨著PIM問題在微波系統中的日益凸顯［5－6］，有關波導同軸轉換器的PIM問題卻鮮有報道，主流供應商也基本不提供該器件的PIM指標特性.

PIM產生的非線性物理機制分為材料非線性和接觸非線性［6］.文獻［6］報道的微帶線PIM問題即屬于典型的材料非線性，而文獻［5］報道的波導法蘭接觸結的PIM問題則屬于典型的接觸非線性.由于接觸非線性具有比材料非線性更為復雜的產生機理，所以雖然關于接觸非線性產生PIM的問題在理論研究上已經有了一些進展［7－10］，但理論分析結果與實驗測試結果相比仍有一定差距.如果能夠獲取到更為準確、豐富的實驗數據，從而為理論突破提供基本素材，無疑對于推進接觸非線性PIM問題研究將大有裨益.考慮到主流的微波測試儀器均是同軸端口，因此，具有優良PIM性能的波導同軸轉換器是開展波導法蘭接觸PIM實驗研究的先決條件；同時，開發低PIM波導同軸轉換器也可為對波導同軸轉換器PIM指標有要求的實際工程應用提供借鑒.

本文從實驗角度研究了S波段波導同軸轉換器的PIM特性，并基于表面鍍層材料非線性和金屬連接接觸非線性理論分析器件PIM產生原因，最終設計并實現具有低PIM指標（－114dBm）的直插式波導同軸轉換器.

1 波導同軸轉換器原型的PIM特性

1.1 波導同軸轉換器的基本結構及分析

波導同軸轉換器的原型器件是指按常規電性能設計指標進行設計和加工、未專門考慮PIM指標的轉換器.本文研究針對直插式波導同軸轉換器（同軸連接器位于波導寬邊上），其結構示意圖如圖1所示.a、b分別為波導寬、高.D1為同軸探針距離短路面的距離，通常約為四分之一波長.D2為調諧柱直徑，調諧柱的主要作用是增大器件工作帶寬.D3為同軸探針距離波導側邊的距離，通常約為波導寬度的一半.L1、L2為同軸探針伸入波導內的高度以及調諧柱的高度.需要指出的是，為便于調節駐波比特性，調諧柱是與探針分離加工并通過螺紋連接的.該結構的好處是可以通過調節調諧柱的高度來獲得期望的駐波比特性.圖2為組裝好的波導同軸轉換器原型器件，其中同軸接頭為N型接頭，波導為標準的BJ32波導.

1.2 波導同軸轉換器的PIM測試方法及結果

PIM測試采用澳華測控技術有限公司開發的專用PIM分析儀進行測試，分析儀型號為PIM2400S和PIM2600S，分析儀的殘留互調電平典型值為＜－125dBm.PIM測試的基本原理框圖可參見文獻［6］.分析儀可以對兩種不同類型的PIM進行測試：傳輸型PIM和反射型PIM.通常，反射型PIM的測試值比傳輸型PIM約低3dB.由于分析儀采用接收機檢測PIM產物電平，而接收機自身存在動態范圍的限制，從而使得分析儀能檢測的最高PIM電平約為－50dBm.當待測件PIM電平較高時，可以通過降低饋入待測件的載波功率來完成PIM測試.

將圖2所示的波導同軸轉換器原型器件組裝后接入PIM分析儀進行了傳輸型三階PIM測試，測試結果如圖3所示（標注為“轉換器原型”的點線）.可以看到，在40dBm的載波功率下，PIM已經達到約－56dBm，與通信系統中要求的－110dBm（輸入載波功率為43dBm）指標相比，差距顯著.由于原型器件PIM較嚴重，在42dBm載波功率輸入條件下，PIM電平就已經達到分析儀接收機的上限，所以，載波功率最大加到42dBm，而非標準測試要求的43dBm.另外，測試結果中呈現出的PIM功率隨輸入功率增加漸趨飽和的現象，主要是由接近接收機測試極限引起的，與PIM飽和特性有區別［11］.

1.3 PIM測試結果分析

通過對波導同軸轉換器原型器件的材料和結構進行分析，得到引起PIM的主要因素.同軸連接器的外導體采用了具有強鐵磁性鍍鎳層，這是因為鎳鍍層具有良好的耐磨性，可以提高同軸連接器的使用壽命和可靠性，因此，主流同軸連接器的外導體鍍層均采用鎳鍍層，但從PIM角度來看，鐵、鈷、鎳等材料是典型的非線性PIM源［12］.鐵磁材料引起PIM的主要機理是磁導率非線性，設材料本構關系為

式中：B、H分別是磁感應強度和磁場強度；μ1為磁導率μ的線性分量；μ3為三階非線性分量.設雙載波激勵信號為

式中：H1、H2是分別對應于兩個載波信號的磁場強度；ω1、ω2為兩個載波的角頻率；t是時間.按照類似冪級數的處理方法，將式（2）代入式（1）得到對應于頻率（2ω1－ω2）的互調產物所對應的磁感應強度BIM由式（3）可知，互調產物與磁導率的非線性系數μ3成正比.對于鐵磁類材料，μ3通常取值較大，從而表現出較為顯著的非線性特性.

探針與調諧柱的連接采用了螺紋連接，這樣的結構設計主要是為了方便調節駐波比，然而，由文獻［7，9－10］可知，由于金屬接觸處可能存在的氧化物半導體效應及電流收縮效應，而使得金屬接觸成為潛在的PIM非線性源［13］，引起PIM產物.下面將依次從這兩個角度對圖2所示的波導同軸轉換器原型器件進行改進和PIM測試驗證.

2 波導同軸轉換器的PIM性能改進

2.1 同軸連接器外導體鎳鍍層的影響

由于銀鍍層的良好PIM性能已經在工程實踐中得到了大量驗證，因此，首先將同軸連接器的外導體鍍層由鍍鎳改為鍍銀，避免鎳鍍層的強非線性，鍍銀層厚度大于3倍趨膚深度，約為10μm.修改之后，采用PIM2400S分析儀，在42dBm的輸入功率下測得反射型三階PIM為－93dBm.由于客觀條件限制，未進行傳輸型三階PIM測試，但依據這兩類PIM的測試經驗，預估傳輸型三階PIM為－90dBm，相比于改進之前測得的－54dBm，PIM指標提高了約36dB，由此驗證鎳鍍層確實是主要的PIM產生源之一.

2.2 同軸探針與調諧柱間螺紋連接結構的影響

為了避免調諧柱與同軸探針之間的螺紋連接引起的接觸非線性，對波導同軸轉換器進行的第二項修改是去掉調諧柱，此時同軸探針末端仍保留外螺紋.如前所述，去掉調諧柱之后將影響器件工作帶寬，圖4給出了調諧柱去掉之后的轉換器駐波比測試結果（標記為“修改后轉換器”）.運用PIM2600S分析儀進行了傳輸型三階PIM測試，測試結果如圖3中的“修改后轉換器”線條所示.可以發現，在42 dBm的載波功率下，三階PIM約為－100dBm，即進一步改善了10dB，從而證實了調諧柱處引入的金屬接觸是PIM產生的根源之一.

2.3 波導同軸轉換器的低PIM設計及驗證

盡管相比于轉換器原型器件，修改后的波導同軸轉換器的PIM指標提高了約46dB，但考慮到器件經兩次修改后可能存在的工藝缺陷（比如銀鍍層的質量可能因退鍍鎳而受到影響）以及在結構設計上仍存在可改進之處，因此，在轉換器原型及其改進器件的經驗基礎之上，結合通用的低PIM設計準則［14］重新設計并加工了S波段波導同軸轉換器.設計過程中主要的考慮因素包括：1）依據“電流密度越大，對PIM越不利”的準則，將原先的N型連接器更改為更大尺寸的L29型連接器，從而降低連接器內外導體上的電流密度，達到降低PIM電平的目的；2）為兼顧駐波比特性和PIM特性，對同軸探針和調諧柱進行了一體化加工，降低了金屬接觸產生的PIM；3）對波導內腔、連接器內導體均采用微波無源器件行業標準的電化學鍍銀工藝，連接器外導體采用具有低PIM特性的三元合金電鍍層；4）同軸連接器與波導的連接由原先的螺紋連接改為法蘭連接，以增強連接可靠性，降低可能產生的PIM.所設計的波導同軸轉換器實物圖如圖5所示，駐波比測試結果如圖4所示（標記為“低PIM設計轉換器”的實線），PIM測試結果如圖3所示（標記為“低PIM設計轉換器”）.測試結果表明，在標準的43 dBm輸入功率下，其傳輸型三階PIM約為－114 dBm，相比于原型器件的修改件再次改善了約16 dB（低PIM設計轉換器在42dBm的載波功率下，三階PIM約為－116dBm）.從而再次驗證了低PIM設計方案的可行性.從圖4給出的駐波比測試結果還可以看到，駐波比小于1.2，進一步證明所設計的轉換器具有實用潛力.

3 結 論

本文對市場上一種典型的直插式波導同軸轉換器的PIM特性進行了測試和分析，發現鎳鍍層、調諧柱螺紋連接等因素是產生PIM的主要原因；結合抑制材料非線性和接觸非線性的低PIM設計準則，重新設計并實現了一種低PIM轉換器，在標準測試條件下其三階PIM為－114dBm，達到了低PIM設計指標.研究結果表明：采取以下措施可有效降低波導同軸轉換器的PIM電平：1）同軸連接器的外導體采用具有良好PIM性能的三元合金鍍層，連接器內導體及波導內腔采用鍍銀層（厚度不小于3個趨膚深度）；2）如果采用了調諧柱，則調諧柱與連接器內導體采用一體化加工；3）連接器外導體與波導的連接方式采用法蘭連接；4）使用L29這種大尺寸連接器.本文工作為天饋系統中的低PIM波導同軸轉換器設計以及開展波導法蘭連接的PIM特性實驗研究提供了借鑒和基礎.

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Experimental research on passive intermodulation characteristics of S-band waveguide to coaxial adapter

YE Ming1WU Chi1HE Yongning1ZHANG He1TAO Changying2ZOU Xiaofang2
（1.School of Electronic and Information Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an Shaanxi 710049，China；2.PIMTEK Instrument，Zhenjiang Jiangsu 212009，China）

The passive intermodulation（PIM）characteristics of S-band waveguide to coaxial adapter are studied experimentally using PIM analyzer.Firstly，the prototype adapter is measured and it is found that its 3rd PIM level is about－56dBm when the power of input carriers is 40dBm.Secondly，the prototype adapter PIM performance is ascribed to the following two factors：the effect of nickel plate on the outer conductor of the coaxial connector and the metal contact effect between the tuning disk and the inner conductor of the connector.The explanation is verified through PIM measurement of modified prototype adapter.Lastly，considering the ordinary low PIM design rules，a low PIM adapter is designed and manufactured.The measurement result show that its 3rd order PIM is about－114dBm when input carrier is 43dBm.The developed adapter can be used in antenna feeding system or PIM test setup for waveguide flange.

S-band；waveguide to coaxial adapter；passive intermodulation；microwave passive devices

TN015

A

1005-0388（2015）01-0183-05

葉 鳴 （1985－），男，湖南人，西安交通大學電子與信息工程學院博士研究生，主要研究方向為微波無源器件與電路.

賀永寧 （1971－），女，陜西人，西安交通大學電子與信息工程學院教授，主要研究方向為微波無源器件、低維半導體納米結構和器件.

陶長英 （1953－），男，澳籍華人，鎮江市澳華測控技術有限公司總工，主要研究方向為微波無源器件的無源互調問題及互調測試.

葉 鳴，吳 馳，賀永寧，等.S波段波導同軸轉換器的無源互調特性實驗研究［J］.電波科學學報，2015，30（1）：183-187.

10.13443／j.cjors.2014022801

YE Ming，WU Chi，HE Yongning，et al.Experimental research on passive intermodulation characteristics of S-band waveguide to coaxial adapter［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（1）：183-187.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014022801

2014-02-28

聯系人：賀永寧E-mail：yongning＠mail.xjtu.edu.cn