波导法兰连接的无源互调分析与测量

张辉

（武警工程大学 陕西 西安 710086）

近年来，随着微波部件集成度的不断提高、发射机功率的不断增大以及接收机灵敏度的不断提高，无源互调（Passive Intermodulation，PIM）问题越来越来引起人们的重视[2-4]。无源互调产生的非线性机理可以归结为2类：接触非线性和材料非线性[5]。其中，对材料非线性已经研究得比较透彻，但接触非线性目前不是很清楚，这给准确预测PIM功率电平带来了困难。引起PIM的非线性效应机理错综复杂，依据这些机理对PIM进行研究的理论模型还很少，导致开发低PIM微波通信系统的周期长、成本高。

1 波导法兰连接的模型分析

在各类微波器件中，波导法兰连接形成的波导结是极为常见的一种结构。通常，波导法兰在自然条件下易与空气发生反应，其表面覆盖一层绝缘层，该绝缘层的主要成份为氧化物，也可能含有硫化物等其他成份（对于铝波导法兰而言，主要成份为氧化铝）。宏观上波导法兰连接结构如图1（a）所示。

除了具有表面氧化层外，由于机械加工的原因，波导图1 波导法兰连接结构示意图Fig．1 Schematic diagram ofwaveguide flange connection structure法兰连接表面总有一定的粗糙度。这样，从微观上看，2个波导法兰的连接并不是百分之百的接触，而是只在那些表面有凸起的地方才会有实际接触。图1（b）给出了这一情形的示意图，微米级的孔隙表征了粗糙度，绝缘层的厚度则通常在纳米级。从图1（b）可以看出，波导法兰连接实际上形成MIM结构，即“金属-绝缘体-金属”结构。具体如天线馈电系统中的波导法兰连接、大型反射天线中的铆钉铆接等[6-7]。

2 波导法兰连接的PIM测量

为了对波导法兰连接的PIM进行测量[8]，假设输入载波频率分别为：

则落入被测量的频谱上限的三阶PIM产物频率为：

1）测量样品

用于本文测量的样品是纯铝（纯度大于99．9%）和镀银的铝波导法兰（22．86×10．16mm）。银的厚度约为 10 μm。铝作为基板材料，银作为涂敷材料，这是因为它们在空间应用中是最具有代表性的波导材料。

如图2所示，波导具有2种不同的法兰。一种是待测法兰（6个螺孔），而另一种（8个螺孔）是与实验装置相连的接头。后者不应增加额外的PIM电平到噪声基底中去，这就是使用八孔法兰结构作为装置接头的理由，且尽量使用最大可能的压力（对M3（3mm直径）螺丝80 N/cm2）。待测法兰是六孔法兰而不是标准法兰（4个螺孔），这是为了最大限度地降低机械不稳定性。

图2 六孔波导法兰与八孔波导法兰Fig．2 The eight hole and six-holewaveguide flange

除了纯铝波导法兰连接之外，我们可插入垫片以研究它们对波导法兰连接的PIM的影响。这里所用的垫片都是铝制的，厚度为3mm，具有两种结构：平式结构或者桥式结构。图3和图4显示了这些垫片的图片和设计。

图3 左边为平垫片，右边为桥式垫片Fig．3 Left for the gasket， the right for the bridge type gasket

图4 垫片的尺寸Fig．4 Pad size

这些垫片的所有表面都进行了大约0．4μm的修整。为了测量典型工程表面的PIM电平，这里没有做进一步的抛光处理。

施于螺栓的力矩是由标准改锥进行测量的，这在所使用的力矩范围之内，精度可以达到5%以内，且力矩总是以扭力矩方式作用于螺丝的。

2）测量装置

由于极高灵敏度的要求，在PIM测量中一流的测量装置是至关重要的。对于每个输入载波功率为170W的情形，所用测量装置的噪声基底为-145 dBm。无源互调的测量装置如图 5所示[9]。

通过幂级数法可以计算PIM的功率电平。波导法兰连接参数对PIM的影响规律如图6所示。从图6可以看出，PIM功率随所施加压力的增大而缓慢减小，直到某个压力（104Pa）使其急剧减小。这是因为：在低机械负载情形，接触电阻通过非接触电容起主导作用，且实际接触面积很小，压力的改变并不明显影响波导法兰连接的总阻抗，因此PIM功率缓慢减小；当机械负载增加时（104Pa），接触电阻和束缚电阻提供了波导法兰连接的电响应，压力的微小变化能改变实际接触面积，从而显著改变总阻抗的大小，使PIM功率急剧减小。在保持输入载波功率之和不变的情况下，通过调节载波功率之比可以观察PIM功率的变化规律。

3 结 论

文中基于波导法兰连接的无源互调模型分析及计算，结果表明：PIM阶数越高，PIM功率越低；法兰连接间的接触压力越大，PIM功率越小。高阶PIM随输入功率的增加而增加的速度小于传统幂级数方法的预测值，使本文的数据在一定的程度上符合实际的结果。

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图5 无源互调测量装置Fig．5 Passive intermodulation measuring device

图6 连接参数对PIM的影响Fig．6 Connection parameters on the impact of PIM

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