S波段波导同轴转换器的无源互调特性实验研究

叶 鸣 吴 驰 贺永宁 张 鹤 陶长英 邹小芳

（1.西安交通大学电子与信息工程学院，陕西西安710049；2.镇江市澳华测控技术有限公司，江苏镇江212009）

S波段波导同轴转换器的无源互调特性实验研究

叶 鸣1吴 驰1贺永宁1张 鹤1陶长英2邹小芳2

（1.西安交通大学电子与信息工程学院，陕西西安710049；2.镇江市澳华测控技术有限公司，江苏镇江212009）

通过专用无源互调（Passive Intermodulation，PIM）分析仪对S波段波导同轴转换器的PIM特性进行了研究.对S波段波导同轴转换器的原型器件进行了PIM测试，结果表明：在输入载波功率为40dBm时其三阶PIM约为－56dBm；从连接器的外导体镀层材料和内导体探针的结构设计两个角度对所测结果进行了解释，并通过改进实验予以验证；为进一步获得低PIM性能，依据低PIM设计的基本原理对S波段波导同轴转换器进行了设计加工及验证测试，测试结果表明在输入载波功率为43dBm时其三阶PIM约为－114dBm.所得结果对开展有关波导PIM特性实验研究、微波无源器件的低PIM设计具有借鉴意义.

S波段；波导同轴转换器；无源互调；微波无源器件

引 言

无源互调（Passive Intermodulation，PIM）效应是指两个或两个以上的载波信号通过弱非线性的无源器件时产生互调信号的现象，当这些互调信号落入接收通带时可能造成通信系统性能下降［1－2］.

波导同轴转换器是一种广泛应用于雷达、精密制导、电子对抗以及微波测试等系统中的微波无源器件［3］.该器件设计的基本要求是：低驻波比、低插入损耗，在部分系统中还对带宽有一定要求.为此，已经报道了多种波导同轴转换器的设计［3－4］，市面上也能购买到微波波段的各种波导同轴转换器.波导同轴转换器的研究已经趋于成熟.然而，随着PIM问题在微波系统中的日益凸显［5－6］，有关波导同轴转换器的PIM问题却鲜有报道，主流供应商也基本不提供该器件的PIM指标特性.

PIM产生的非线性物理机制分为材料非线性和接触非线性［6］.文献［6］报道的微带线PIM问题即属于典型的材料非线性，而文献［5］报道的波导法兰接触结的PIM问题则属于典型的接触非线性.由于接触非线性具有比材料非线性更为复杂的产生机理，所以虽然关于接触非线性产生PIM的问题在理论研究上已经有了一些进展［7－10］，但理论分析结果与实验测试结果相比仍有一定差距.如果能够获取到更为准确、丰富的实验数据，从而为理论突破提供基本素材，无疑对于推进接触非线性PIM问题研究将大有裨益.考虑到主流的微波测试仪器均是同轴端口，因此，具有优良PIM性能的波导同轴转换器是开展波导法兰接触PIM实验研究的先决条件；同时，开发低PIM波导同轴转换器也可为对波导同轴转换器PIM指标有要求的实际工程应用提供借鉴.

本文从实验角度研究了S波段波导同轴转换器的PIM特性，并基于表面镀层材料非线性和金属连接接触非线性理论分析器件PIM产生原因，最终设计并实现具有低PIM指标（－114dBm）的直插式波导同轴转换器.

1 波导同轴转换器原型的PIM特性

1.1 波导同轴转换器的基本结构及分析

波导同轴转换器的原型器件是指按常规电性能设计指标进行设计和加工、未专门考虑PIM指标的转换器.本文研究针对直插式波导同轴转换器（同轴连接器位于波导宽边上），其结构示意图如图1所示.a、b分别为波导宽、高.D1为同轴探针距离短路面的距离，通常约为四分之一波长.D2为调谐柱直径，调谐柱的主要作用是增大器件工作带宽.D3为同轴探针距离波导侧边的距离，通常约为波导宽度的一半.L1、L2为同轴探针伸入波导内的高度以及调谐柱的高度.需要指出的是，为便于调节驻波比特性，调谐柱是与探针分离加工并通过螺纹连接的.该结构的好处是可以通过调节调谐柱的高度来获得期望的驻波比特性.图2为组装好的波导同轴转换器原型器件，其中同轴接头为N型接头，波导为标准的BJ32波导.

1.2 波导同轴转换器的PIM测试方法及结果

PIM测试采用澳华测控技术有限公司开发的专用PIM分析仪进行测试，分析仪型号为PIM2400S和PIM2600S，分析仪的残留互调电平典型值为＜－125dBm.PIM测试的基本原理框图可参见文献［6］.分析仪可以对两种不同类型的PIM进行测试：传输型PIM和反射型PIM.通常，反射型PIM的测试值比传输型PIM约低3dB.由于分析仪采用接收机检测PIM产物电平，而接收机自身存在动态范围的限制，从而使得分析仪能检测的最高PIM电平约为－50dBm.当待测件PIM电平较高时，可以通过降低馈入待测件的载波功率来完成PIM测试.

将图2所示的波导同轴转换器原型器件组装后接入PIM分析仪进行了传输型三阶PIM测试，测试结果如图3所示（标注为“转换器原型”的点线）.可以看到，在40dBm的载波功率下，PIM已经达到约－56dBm，与通信系统中要求的－110dBm（输入载波功率为43dBm）指标相比，差距显著.由于原型器件PIM较严重，在42dBm载波功率输入条件下，PIM电平就已经达到分析仪接收机的上限，所以，载波功率最大加到42dBm，而非标准测试要求的43dBm.另外，测试结果中呈现出的PIM功率随输入功率增加渐趋饱和的现象，主要是由接近接收机测试极限引起的，与PIM饱和特性有区别［11］.

1.3 PIM测试结果分析

通过对波导同轴转换器原型器件的材料和结构进行分析，得到引起PIM的主要因素.同轴连接器的外导体采用了具有强铁磁性镀镍层，这是因为镍镀层具有良好的耐磨性，可以提高同轴连接器的使用寿命和可靠性，因此，主流同轴连接器的外导体镀层均采用镍镀层，但从PIM角度来看，铁、钴、镍等材料是典型的非线性PIM源［12］.铁磁材料引起PIM的主要机理是磁导率非线性，设材料本构关系为

式中：B、H分别是磁感应强度和磁场强度；μ1为磁导率μ的线性分量；μ3为三阶非线性分量.设双载波激励信号为

式中：H1、H2是分别对应于两个载波信号的磁场强度；ω1、ω2为两个载波的角频率；t是时间.按照类似幂级数的处理方法，将式（2）代入式（1）得到对应于频率（2ω1－ω2）的互调产物所对应的磁感应强度BIM由式（3）可知，互调产物与磁导率的非线性系数μ3成正比.对于铁磁类材料，μ3通常取值较大，从而表现出较为显著的非线性特性.

探针与调谐柱的连接采用了螺纹连接，这样的结构设计主要是为了方便调节驻波比，然而，由文献［7，9－10］可知，由于金属接触处可能存在的氧化物半导体效应及电流收缩效应，而使得金属接触成为潜在的PIM非线性源［13］，引起PIM产物.下面将依次从这两个角度对图2所示的波导同轴转换器原型器件进行改进和PIM测试验证.

2 波导同轴转换器的PIM性能改进

2.1 同轴连接器外导体镍镀层的影响

由于银镀层的良好PIM性能已经在工程实践中得到了大量验证，因此，首先将同轴连接器的外导体镀层由镀镍改为镀银，避免镍镀层的强非线性，镀银层厚度大于3倍趋肤深度，约为10μm.修改之后，采用PIM2400S分析仪，在42dBm的输入功率下测得反射型三阶PIM为－93dBm.由于客观条件限制，未进行传输型三阶PIM测试，但依据这两类PIM的测试经验，预估传输型三阶PIM为－90dBm，相比于改进之前测得的－54dBm，PIM指标提高了约36dB，由此验证镍镀层确实是主要的PIM产生源之一.

2.2 同轴探针与调谐柱间螺纹连接结构的影响

为了避免调谐柱与同轴探针之间的螺纹连接引起的接触非线性，对波导同轴转换器进行的第二项修改是去掉调谐柱，此时同轴探针末端仍保留外螺纹.如前所述，去掉调谐柱之后将影响器件工作带宽，图4给出了调谐柱去掉之后的转换器驻波比测试结果（标记为“修改后转换器”）.运用PIM2600S分析仪进行了传输型三阶PIM测试，测试结果如图3中的“修改后转换器”线条所示.可以发现，在42 dBm的载波功率下，三阶PIM约为－100dBm，即进一步改善了10dB，从而证实了调谐柱处引入的金属接触是PIM产生的根源之一.

2.3 波导同轴转换器的低PIM设计及验证

尽管相比于转换器原型器件，修改后的波导同轴转换器的PIM指标提高了约46dB，但考虑到器件经两次修改后可能存在的工艺缺陷（比如银镀层的质量可能因退镀镍而受到影响）以及在结构设计上仍存在可改进之处，因此，在转换器原型及其改进器件的经验基础之上，结合通用的低PIM设计准则［14］重新设计并加工了S波段波导同轴转换器.设计过程中主要的考虑因素包括：1）依据“电流密度越大，对PIM越不利”的准则，将原先的N型连接器更改为更大尺寸的L29型连接器，从而降低连接器内外导体上的电流密度，达到降低PIM电平的目的；2）为兼顾驻波比特性和PIM特性，对同轴探针和调谐柱进行了一体化加工，降低了金属接触产生的PIM；3）对波导内腔、连接器内导体均采用微波无源器件行业标准的电化学镀银工艺，连接器外导体采用具有低PIM特性的三元合金电镀层；4）同轴连接器与波导的连接由原先的螺纹连接改为法兰连接，以增强连接可靠性，降低可能产生的PIM.所设计的波导同轴转换器实物图如图5所示，驻波比测试结果如图4所示（标记为“低PIM设计转换器”的实线），PIM测试结果如图3所示（标记为“低PIM设计转换器”）.测试结果表明，在标准的43 dBm输入功率下，其传输型三阶PIM约为－114 dBm，相比于原型器件的修改件再次改善了约16 dB（低PIM设计转换器在42dBm的载波功率下，三阶PIM约为－116dBm）.从而再次验证了低PIM设计方案的可行性.从图4给出的驻波比测试结果还可以看到，驻波比小于1.2，进一步证明所设计的转换器具有实用潜力.

3 结 论

本文对市场上一种典型的直插式波导同轴转换器的PIM特性进行了测试和分析，发现镍镀层、调谐柱螺纹连接等因素是产生PIM的主要原因；结合抑制材料非线性和接触非线性的低PIM设计准则，重新设计并实现了一种低PIM转换器，在标准测试条件下其三阶PIM为－114dBm，达到了低PIM设计指标.研究结果表明：采取以下措施可有效降低波导同轴转换器的PIM电平：1）同轴连接器的外导体采用具有良好PIM性能的三元合金镀层，连接器内导体及波导内腔采用镀银层（厚度不小于3个趋肤深度）；2）如果采用了调谐柱，则调谐柱与连接器内导体采用一体化加工；3）连接器外导体与波导的连接方式采用法兰连接；4）使用L29这种大尺寸连接器.本文工作为天馈系统中的低PIM波导同轴转换器设计以及开展波导法兰连接的PIM特性实验研究提供了借鉴和基础.

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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

叶 鸣 （1985－），男，湖南人，西安交通大学电子与信息工程学院博士研究生，主要研究方向为微波无源器件与电路.

贺永宁 （1971－），女，陕西人，西安交通大学电子与信息工程学院教授，主要研究方向为微波无源器件、低维半导体纳米结构和器件.

陶长英 （1953－），男，澳籍华人，镇江市澳华测控技术有限公司总工，主要研究方向为微波无源器件的无源互调问题及互调测试.

叶 鸣，吴 驰，贺永宁，等.S波段波导同轴转换器的无源互调特性实验研究［J］.电波科学学报，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

联系人：贺永宁E-mail：yongning＠mail.xjtu.edu.cn