利用電熱耦合效應的金屬單點接觸結構無源互調研究

李軍,趙小龍,高凡,張松昌,賀永寧,崔萬照,徐卓

(1.西安交通大學電子與信息工程學院,710049,西安;2.西安空間無線電技術研究所,710100,西安)

兩路或多路載波經過微波無源器件時,由于無源器件寄生的非線性效應,在系統(tǒng)中產生頻率為載波頻率線性疊加的微波信號,被稱為無源互調(PIM)效應。無源互調問題的研究早在20世紀60年代就已經開始[1-2]。隨著近年來移動通訊的快速發(fā)展,通信衛(wèi)星和移動基站硬件系統(tǒng)隨著收發(fā)共用技術普遍應用及其通訊容量的不斷增加,使得PIM問題更加突出[3-5]。無線通訊硬件系統(tǒng)的高PIM指標要求使系統(tǒng)的制造和運營成本顯著增加。

PIM主要由材料非線性和接觸非線性引起[6-7],由于接觸結構在無線通信硬件系統(tǒng)中的存在使PIM難以避免。衛(wèi)星網狀天線由金屬絲編織而成,不同絲之間存在多達百萬個的接觸點,這些接觸節(jié)點的存在是網狀天線產生PIM的主要原因。另外,天線饋電系統(tǒng)中腔體部件以及同軸連接裝配結構中也存在金屬接觸連接結構,因此研究接觸非線性引起的PIM產生機制、測試和抑制方法具有重要的實際意義。

通常,PIM測試是將整個被測器件接入互調測試系統(tǒng)中,PIM值用功率表示,所獲得的互調結果不僅與接觸界面狀態(tài)有關,還與無源器件的接口結構及其連接壓強等因素有關,這對互調產生原因的分析造成困難。目前,雖然人們通過大量工程實踐已經獲得了關鍵微波部件PIM發(fā)生的現象和規(guī)律,并獲得了一些基于經驗的PIM抑制手段和方法,但是由于影響微波部件PIM發(fā)生的多種因素交錯在一起,PIM產生機理的準確描述和微波部件PIM模型的準確建立還相當困難,對微波部件及其子系統(tǒng)的PIM預測依然很困難[7]。在目前微波通信系統(tǒng)和一些精密測試系統(tǒng)中,PIM引起的系統(tǒng)故障頻繁發(fā)生。

本文采用近場耦合的測試方法,開展了金屬單個接觸點引起互調效應的實驗研究,深入分析了同種金屬不同表面狀態(tài)和不同金屬對PIM現象及規(guī)律的影響機制。本文研究了單點接觸結構的PIM效應,揭示了金屬接觸結PIM的產生根源,基于接觸非線性和載波信號相互作用過程的理論研究,建立了PIM產生的機理和模型,并對PIM現象和規(guī)律進行了預測。

1 單點接觸無源互調效應的實驗方法

在測試微波輻照引起PIM時,天線產生的載波輻照在待測部件上,由待測部件產生的互調信號再被天線接收,從而獲得待測部件反射回來的PIM值。對常規(guī)天線反射面,包括金屬絲網編織的網狀反射面的PIM測試通常都采用這種測試方法[8-9],這種測試滿足遠場測試條件,即待測樣和天線之間的距離遠大于載波波長。本文采用了一種新的測試方法,即近場耦合測試。由于近場的場強較遠場要強,因此近場PIM測試能夠獲得更高的靈敏度。應用這種新的近場耦合測試手段,將待測接觸結構與PIM測試系統(tǒng)分離,從而能夠實現對單個接觸點的PIM測試。

圖1給出了具體測試結構原理。激勵輻射場由縫隙波導提供,在載波激勵下電磁場通過縫隙波導耦合到波導外部,當耦合出來的電磁場輻照到接觸結構,將在接觸結構上產生感應電流。由于點接觸結構的弱I-V非線性特性,當該感應電流流過接觸點時將產生互調頻率成分,這部分互調電流作為輻射源向外輻射互調波信號[10],互調波再通過縫隙波導耦合回波導中,從而產生正向傳輸互調和反向傳輸的反射互調,互調信號可被后端測試系統(tǒng)檢測到。通過合理設計狹縫尺寸,可以調節(jié)輻射場的大小,并且能夠抑制遠場輻射,這種具有收發(fā)共用的縫隙波導PIM測試工裝的具體方法可以參照文獻[11]。借鑒天線PIM測試過程,將測試結構分離出來,利用縫隙波導近場耦合原理測試PIM,其優(yōu)勢是方便開展針對專門設計待測接觸結構的PIM實驗研究,控制接觸狀態(tài)和接觸界面,從而獲取單一或有限可控因素對PIM的影響,通過實驗研究認識PIM產生的機理,揭示PIM產生的物理根源。

圖1 測試結構原理圖

采用PIM輻射源模型,接觸結非線性響應產生的3階和5階互調功率,可表示為[10]

PIM3=K3(ξg3)2(|Z|Il)6

(1)

PIM5=K5(ξg5)2(|Z|Il)10

(2)

(a)金屬片和金屬絲接觸結構

(b)測試工裝整體圖圖2 縫隙波導近場耦合單點接觸結構PIM測試結構

本文針對由金屬片和金屬絲構成的單點接觸結構展開研究,將金屬絲彎成U字型,與金屬片端部的折起部分形成接觸,測試結構如圖2所示。測試所用材料為鋁、黃銅和紫銅,片厚度均為0.2 mm,金屬絲直徑分別為0.032、0.03和0.03 mm。3階PIM測試時,兩路載波分別為2.62和2.69 GHz,載波功率均為43 dBm,3階PIM測試頻率為2.55 GHz,測量獲得反射互調。互調測試設備應用澳華測控技術有限公司的PIM2600S分析儀。

圖3給出了3階PIM功率隨鋁絲和鋁片位移的變化關系。由圖3可知,當鋁片和鋁絲未接觸時,PIM功率在系統(tǒng)噪聲為-121 dBm附近,當鋁片和鋁絲接觸后,則產生功率約為-55 dBm的PIM值,圖3提供了單點接觸結構能夠引起互調信號的實驗證據。

圖3 3階PIM功率隨位移的變化關系

2 金屬表面狀態(tài)及其電接觸特性測試分析

由圖3可知,只有當鋁絲和鋁片接觸時才會產生可測的PIM值,因此接觸界面的電接觸狀態(tài)將直接影響PIM值。對于金屬鋁,通常在空氣中會形成致密的表面氧化層,同時在空氣中暴露較長時間或是在實驗過程中觸摸等過程很容易造成待測件表面有機物沾污。因此,當鋁片和鋁絲接觸時,將形成金屬-絕緣層-金屬結構,從而可以產生非線性[10,12]關系。

為了深入研究金屬鋁表面氧化物和沾污對PIM的影響,先對原始狀態(tài)、超聲清洗和氧化物刻蝕這3種不同狀態(tài)金屬鋁的電接觸特性進行系統(tǒng)研究。本文采用丙酮、乙醇和去離子水分別對鋁絲和鋁片進行超聲清洗5 min,去除金屬鋁表面的沾污物;采用質量分數為0.15%的NaOH溶液對金屬鋁進行5 min的刻蝕,去除金屬鋁表面的氧化物,刻蝕完成后再用去離子水超聲清洗5 min,以去除Na離子沾污。原始狀態(tài)、清洗后以及刻蝕后的鋁片和鋁絲表面顯微形貌的掃描電子顯微鏡(SEM,S-4800,日本)圖片如圖4所示。由圖4可知:鋁絲和鋁片原始表面均存在沾污;清洗后樣片表面的沾污基本被去除;刻蝕過程中,NaOH對鋁表面進行腐蝕,因此刻蝕后樣片表面出現了蝕坑,通過測量鋁絲腐蝕前后直徑的變化,得到腐蝕深度約為0.5 μm。

(a)原始鋁片 (b)原始鋁絲

(c)清洗后鋁片 (d)清洗后鋁絲

(e)刻蝕后鋁片 (f)刻蝕后鋁絲圖4 金屬不同狀態(tài)的表面形貌

對于表面有機沾污物,其主要成分為C、H和O,對于表面氧化物,主要成分為O、Al,對原始狀態(tài)、清洗后和刻蝕后的鋁絲、鋁片表面的C、O成分含量采用掃描電鏡中配置的EDX進行測試,結果如圖5所示。由圖5可知,原始狀態(tài)的鋁絲、鋁片表面均含有較多的C元素,說明原始樣片確實存在沾污,這與SEM得到的結果一致。清洗后,C元素含量顯著減少,表明清洗可以有效減少表面沾污,然而O元素沒有明顯減少,說明多數O元素以氧化物形式存在,且表面氧化物無法通過簡單清洗去除。采用NaOH溶液刻蝕后,可以看到O元素有明顯減少,說明NaOH溶液刻蝕去除了氧化物。

以上是通過材料的表征方法獲取不同方法處理后樣片表面形貌和成分的變化。對于電連接結構,測量其電接觸特性是衡量接觸狀態(tài)的重要方法。對不同方法處理后的鋁絲和鋁片的點接觸I-V特性進行測試,測試結果如圖6所示。對于原始狀態(tài)和清洗后的接觸結構,由于金屬表面存在沾污或氧化層,在1～100 mV范圍內,絕緣層的絕緣性能良好,接觸結構幾乎不導通。刻蝕后,由于氧化層基本被去除,接觸結構的導電特性顯著增強。

圖5 原始、清洗后和刻蝕后的鋁片、鋁絲表面 C、O原子百分比

在測試過程中發(fā)現,除了表面處理影響接觸狀態(tài),微波輻照對接觸狀態(tài)也會產生影響。由圖6可知,采用43 dBm的兩路載波輻照后,3種接觸結構的導電特性均增加了約4個數量級。微波輻照接觸結構時,在金屬表面產生感應電流,感應電流將流過接觸結構,其導電性能增強,這是由感應電流的加熱效應引起的。對于原始狀態(tài)和清洗后的接觸結構,微波輻照使得沾污層或氧化層熔解,從而增加了接觸結構的導電性。文獻[13]報道了在電接觸領域氧化膜層的熔解現象,這表明在微波輻照過程中存在自熱效應。

圖6 鋁片和鋁絲接觸結構的I-V特性曲線

3 單點接觸無源互調的產生機理及模型分析

為了進一步揭示無源互調的產生機理,對同種金屬不同狀態(tài)以及不同金屬形成的單點接觸結構的3階和5階PIM進行了測試。測試3階PIM時,兩路載波分別為2.62和2.69 GHz,3階PIM測試頻率為2.55 GHz;測試5階PIM時,兩路載波分別為2.64和2.69 GHz,5階PIM測試頻率為2.54 GHz。

原始狀態(tài)、清洗后和刻蝕后的鋁金屬單點接觸結構的PIM值如圖7所示。可知清洗后3階和5階PIM值均高于刻蝕后的,而原始狀態(tài)下的接觸PIM值又高于清洗后的,這說明金屬表面氧化和沾污使得PIM值增加。通常氧化和沾污的存在顯著增加了接觸結的阻抗,根據式(1)(2),PIM值將顯著增加。由圖7可知,經過表面刻蝕后,鋁片和鋁絲的單點接觸結構依然會產生PIM。由圖5的EDX表面成分分析可知,刻蝕后的鋁絲和鋁片表面依然有氧化和沾污物殘留,殘留的氧化和沾污物是PIM的主要來源。因此,為了降低微波部件無源互調,應盡量避免部件連接面出現沾污,并且應盡量防止表面氧化。

圖7 原始、清洗后和刻蝕后的鋁片和鋁絲單點 接觸結構的PIM值隨載波功率的變化

鋁、黃銅、紫銅這3種材料的片和絲形成的單點接觸結構在不同功率下的3階PIM值如圖8所示。由圖8可知,相同載波功率下,單點結構的PIM值隨鋁、黃銅、紫銅依次降低。這是因為3種材料在空氣中形成氧化膜的電阻率依次降低,其單點接觸結構的接觸電阻和非線性依次降低,根據式(1),其PIM值也依次降低。

圖8 鋁、黃銅、紫銅材料的片和絲形成的單點接 觸結構的PIM值隨載波功率的變化

對PIM值功率隨載波功率的變化關系進行線性擬合,根據非線性函數的冪級數展開方法,3階PIM值擬合線的斜率近似為3,5階PIM值擬合線的斜率近似為5。但是,由圖7、8中可知,3階PIM值擬合線斜率小于3,而5階PIM值擬合線斜率小于5。這種斜率偏離現象在同軸連接器和微帶線PIM實驗中也經常被觀察到[14-19],部分研究者提出了一些數學經驗模型[14-15]來描述這種偏離,但是目前沒有合理的理論模型來解釋和驗證。

由第2節(jié)的分析可知,載波和接觸結構相互作用產生熱效應,載波功率的變化將引起接觸結溫度的變化,而接觸界面的溫度變化進一步將會引起MOM非線性以及電阻率的變化,從而對PIM的變化規(guī)律產生影響,因此電熱耦合效應可能是PIM值斜率偏離的主要原因。

根據固體物理理論,MOM接觸結構的I-V非線性特性通常具有如下形式

I=ATαexp(-qV/nk0T)

(3)

式中:T為溫度;α為指數因子;q為單位電荷量;n為理想因子;k0為波爾茲曼常數;A為比例系數。根據式(3)可以得到3次項和5次項系數

(4)

(5)

對鋁表面的狀態(tài)分析可知,鋁表面存在氧化物和沾污,接觸結的接觸電阻主要由MOM結構的膜層電阻決定,即由式(3)一階近似,即

R=nk0/qATα-1

(6)

若接觸結阻抗主要由接觸電阻R決定,即|Z|≈R,結合式(1)(2)和(4)～(6),近似得到PIM值和溫度的關系

(7)

(8)

由式(7)(8)可知,若T不隨載波功率變化,則PIM3～Pc關系的斜率為理想值3,PIM5～Pc關系的斜率為理想值5。若微波的電熱耦合效應對接觸結溫度影響較大時,接觸結溫度隨載波功率的大而升高,即

T=T0+κPc

(9)

式中:T0為環(huán)境溫度;κ為比例系數。互調功率隨載波功率變化的關系為

(10)

(11)

由式(10)(11)可知,由于電熱耦合效應的存在使得PIM隨載波功率變化關系的斜率小于理想值。由圖7、8中采用式(10)(11)得到的擬合曲線可知,擬合結果與實驗數據吻合較好,表明基于電熱耦合效應分析的互調-載波功率關系合理。

對于式(10)(11),如果κ越小,分母項越接近于常數,則PIM3、PIM5的斜率越接近于理想值3、5。對于接觸結來說,κ隨接觸電阻的增大而增大,隨材料熱導率的增大而減小。圖8中鋁、黃銅和紫銅3種材料構成的單點接觸結構的PIM值隨功率變化曲線的斜率與預測的結果吻合。

以上實驗規(guī)律和理論分析表明,對于圖2所示的金屬單點接觸結構產生互調信號的根源主要是金屬表面的氧化物和沾污物引起非線性接觸。載波和接觸結相互作用的電熱耦合效應對互調信號具有顯著影響,是PIM值的斜率偏離理想值的根源。

4 結 論

本文在接觸界面成分分析和電接觸特性測試研究的基礎上,利用近場耦合PIM測試獲取了PIM與載波功率的關系,提出了基于電熱耦合效應的PIM產生機理和模型。實驗研究表明,金屬表面的氧化層和沾污層是PIM產生和劣化的根本原因。理論結果表明,電熱耦合效應使PIM值關系斜率小于理想值,并且接觸結的電阻越小,導熱性越好,斜率越接近于理想值。該模型對PIM的產生根源和機理給出了明確解釋,研究結果對于通信衛(wèi)星網狀天線PIM效應及相關大功率微波部件射頻連接可靠性問題具有參考意義。