大功率同轴谐振器连接缝隙EML和PIM研究

禹旭敏,唐小宏,汪娟,代峰,林华杰

1.中国空间技术研究院西安分院,西安710100 2.电子科技大学电子工程学院,成都611731 3.西北工业大学,西安710000

大功率同轴谐振器连接缝隙EML和PIM研究

禹旭敏1,2,*,唐小宏2,汪娟1,代峰1,林华杰3

1.中国空间技术研究院西安分院,西安710100 2.电子科技大学电子工程学院,成都611731 3.西北工业大学,西安710000

在大功率工作环境中,射频电路经常发生电磁泄漏(Electro Magnetic Leak,EML)和无源互调(Passive Inter-Modulation,PIM)等现象。而在同轴谐振器中,不稳定连接缝隙处成为增加电磁泄漏EML和PIM问题风险的隐患部位。文章通过对同轴谐振器等效电路建模和电磁场建模给出了缝隙位置与电磁场表面电流的关系,并分析了3种不同结构同轴谐振腔EML特性。结果表明通过微调连接缝隙,使其有效偏离同轴谐振器的电流波幅点位置,可以降低大功率同轴谐振器的连接泄漏,从而减小无源互调的风险。依据分析结果选取了3种同轴结构(单螺钉连接、法兰内连接、法兰外连接)中连接泄露最小的结构作为大功率器件的基本结构,小批量器件在大功率测试和试验中无EML和PIM现象。

大功率;同轴谐振器;电磁泄露;无源互调

目前EML的研究在大规模集成电路部分得到长足的关注[5-6]。小功率EML会引发信息泄露[5],大功率电磁发射可以破坏其他接收部件[6]。在真空大功率工作环境中,无源部件一定密度的电流泄漏可以产生PIM[7],影响自身的接收系统。EML是电磁场特别是磁场被切割后造成的电磁能量泄露。PIM是大能量电磁场在无源部件中产生的有源响应,在某种意义上说是电磁场使微小缝隙变成类似二极管一样的器件产生的电磁现象。EML和PIM都与金属间的缝隙相关,主要区别在于PIM需要大功率激励。目前,尚无结合EML和PIM相关理论针对常用物理结构的研究。

在理想电磁设计中,所有相连的金属表面是一个整体。但在物理实现时,限于现有工艺技术不能将所有金属部分一体加工,一般需要进行机械连接。不同的连接方式,其效果直接影响大功率产品的各项性能。常用的同轴谐振器连接方式主要应用于小功率工作状态,并未考究功率增加后可能出现的问题。大功率同轴谐振器需要稳定的连接方法[8],同时,对连接方法产生的缝隙影响更需要系统深入地研究。

本文通过等效电路建模和电磁场建模分析了传统连接方式中连接缝隙的影响,给出了连接缝隙位置与其电磁泄露之间的趋势关系。在此基础上,分析了3种不同结构的同轴谐振器的内外导体连接方法。仿真结果表明微调连接缝隙的位置,使其有效偏离电场波节点,可以降低EML和PIM风险。试验验证了依据仿真结果选择的连接结构,在200余件大功率产品中应用状况良好,为后续研究EML和PIM在实际产品中的影响提供了理论和实践的借鉴。

1 同轴谐振腔的等效电路

图1为同轴谐振腔示意,模型中内导体和外导体部分为理想连接状态。但在实际中有两处非理想状态的机械连接,一处为图1中的连接处1,作为外导体的密闭腔必须分成两部分加工完成;另一处为图1中的连接处2,即内导体和外导体之间的连接。因此同轴谐振腔共由三部分金属体构成。

图1 同轴谐振腔示意Fig.1 Connection of coaxial resonator cavity

1.1 同轴谐振腔的等效电路

图2给出了图1中同轴谐振腔的等效电路示意,其中内导体悬空端面与外导体(盖板)内侧之间形成加载电容C。ZC为加载电容C等效的特征阻抗。l为同轴谐振腔内导体长度。

在同轴谐振腔的等效电路中,短路面到端面之间任意一点的阻抗与该点的位置和加载电容C的特性阻抗ZC有关,从-l(内导体悬空端面)向短路面方向看去的输入阻抗Zin为

2.3 检查阶段 每天护理组长在与患者及其家属交流的过程中，了解患者的满意度及健康教育内容的知晓情况。检查护士是否及时巡视病房、呼叫后有无及时应答、新入院的患者是否熟悉病区环境、是否知道自己的床位医师、护士及护士长的姓名、是否了解自己的病情;患者在检查前是否了解该检查的目的和注意事项;择期手术患者是否知道手术日期、手术名称、手术方法及术后注意事项;出院患者是否知道如何进行康复锻炼、何时门诊随访等。护士长不定期对各阶段健康教育的完成情况进行抽查。通过检查，发现并记录健康教育中存在的问题。

图2 同轴谐振腔的等效电路示意Fig.2 Equivalent circuit of coaxial resonator

当谐振器工作在谐振频率时:

1.2 同轴谐振器内电磁场的分布

当同轴谐振器工作在TEM主模状态下,加载电容C等效为特征阻抗为ZC的短路传输线,令该传输线长度为l′,当l+l′=k·λ/2,其中k为整数,λ为传输线波长,整个谐振腔可以用一个两端短路具有同一特征阻抗的同轴传输线表达。可以明确得到两端短路的同轴谐振器中的电磁场分布。

同轴谐振器在圆柱坐标系(r,Φ,z)下的电磁场表达式可以明确给出,设z=0时r=a(r为外导体的内径)处的电场为E0。

TEM模中:

TMmnl模中:

其中

式中:Jm和Nm分别为m阶Bessel函数和Neumann函数;a和b分别为同轴谐振器的内、外导体半径;Z′(kcr)是Z(kcr)的导数。传输波数kz为

截止波数kc为

的第n个非零根。将式(10)～(13)带入式(5)～(9),得到TMmnl模的表达式后,根据互易原理可以得到TEmnl模的表达式。同轴谐振腔外导体连接缝隙处的表面电流表示为考虑谐振器中的所有模式,式(14)可写为

式中:H=HΦ+Hr+Hz。

所有模式的幅度由激励源的幅度和位置决定。通常谐振器的物理尺寸设计在主模单模工作区域,即HTEM大,其他模式的系数很小,可以忽略。即在主模谐振频率处工作的谐振器,其表面电流可近似表示为

考虑此工作模式下的谐振器,在缝隙面积相同时,不同位置缝隙面电流与此时整个谐振器面电流比值关系,对磁场能量进行积分时,频率选择单腔滤波器的驻波最佳处。采用比值作为分析参数可消除缝隙位置对每次数值计算重新划分网格带来的数值误差,使结果的趋势更加明确。图3(a)给出了环形缝隙在同轴谐振器的位置及电磁场坐标方向,D为缝隙距短路面的距离,W=1 mm为半圆环向缝隙厚度;图3(b)给出了TEM模谐振时环形缝隙在整个谐振腔的电流矢量分布中的位置,可以看到,不同位置的环形缝可能切割的表面电流强度情况。当谐振器中通过大功率微波信号时,连接缝隙变为缝隙天线,其辐射能量强度取决于激励的大小。因此,缝隙位置越靠近磁场波幅点,泄漏的能量越大,具体结果见表1。当缝隙切断电流越大,PIM现象越明显,系统噪声越高。

表1计算了不同D值下的泄漏量百分比,可以看出缝隙距离短路面越近,泄漏量越大。图1中的连接处1、2分别对应于表1中D= 50 mm和D=1 mm的位置,连接处1的缝隙造成的泄漏是整个腔体面电流总量的0.14%;连接处2处造成的泄漏占谐振器的0.843%。

图3 同轴谐振腔环向缝隙示意和表面电流矢量分布Fig.3 Slot ring and surface current vectors distribution of coaxial resonator

表1 缝隙面电流占谐振器面电流的百分比Table 1 Ratio of integral of ring surface current and integral of resonator surface current

2 电磁场仿真分析

由上述计算分析得出,连接处2形成的缝隙造成的泄漏最大,是重点研究对象。在实际生产中,连接处2有几种常见的连接方式,下面通过全波仿真分析不同连接方式产生的缝隙对EML和PIM的影响。

图4给出了3种连接方式的示意。这3种方式的谐振器内腔尺寸相同,只是连接方式不同,示意图略去了谐振器外导体的侧壁与盖板。其中,图4(a)使用单个螺钉将同轴内导体和外导体底板从谐振器内部连接;图4(b)内导体与底部圆形法兰整体成形,使用4个螺钉将内导体与外导体底板从谐振器内部连接;图4(c)为本文提出的新连接方法,即内导体与底部方形法兰整体成形,连接时将内导体穿过外导体底板中间的圆孔,使用4个螺钉与外导体底板从谐振器外部连接。

图4 三种连接方式示意Fig.4 Three kinds of connection methods

对应图4的3种连接方式进行缝隙的电磁泄漏仿真分析,见图5。分析计算时在谐振器底部设置收集腔,其腔体半径与原腔体相同,高度为原腔体的1/3。所有泄露的磁场能量在底板下方收集腔内进行收集积分计算,收集腔内磁场能量与整个模型的空气腔内磁场总能量之比定义为能量泄漏比。图5(a)中,缝隙位于内导体圆柱与底板内侧接触部位,开厚度为0.05 mm的半圆缝隙;图5(b)中,缝隙为底板两侧宽度为0.05 mm的空气腔;图5(c)中,缝隙为内导体圆柱与外导体底板圆孔处的接触部位,开整圆0.05 mm缝隙,这是由于连接时内导体圆柱与腔体底板圆孔之间为间隙配合。

图5 三种连接方式的电磁泄漏分析示意Fig.5 EML in three kinds of connection method

对磁场能量进行积分时,频率选择单腔滤波器的驻波最佳处。相同电路设计的滤波器在3种不同的连接方式中,驻波最佳处频率差异很小,最大相差1 MHz,典型频率为1.653 GHz。

由于不同的输入相位使谐振器内最大表面电流位置略有差异,高次模的影响不尽相同,其能量泄漏比也略有不同。考虑这种情况,3种结构激励源相位设置为0～180°,每隔10°相位进行一次泄漏能量比计算,计算结果如图6所示。

图6 三种连接方式的电场能量泄漏比分析示意Fig.6 Ratio of EML in three kinds of connection methods

在3种连接结构中,图5(c)的连接结构将机械连接位置延伸到了同轴谐振腔体以外,使同轴腔的面电流波幅点与机械连接处重合部分减小;同时,图5(c)的连接结构具有更好的机械稳定度[8],可以减小连接缝隙的影响。二者同时作用使得这种新的连接方式EML较低,也减小了大功率传输时PIM产生的风险。如图6所示,法兰外连接的电磁能量泄漏比曲线数值最小。

3 试验验证

为验证本文介绍的方法,在某大功率课题中,采用结果最好的连接方式,如图5(c)所示,试制了200余件同轴结构试验件。EML测试结果显示,该方法EML隔离达到70 dBC,优于以往常见产品65 dBC的状态。同时,由于该连接方法状态稳定,加工方便,课题研究过程中没有一例因为连接状态不良,造成大功率工作环境中试验件预计结果与试验测试差异过大的现象。

4 结束语

本文通过等效电路建模和电磁场建模分析了传统连接方式中连接缝隙对EML的影响。并在此基础上,分析了3种同轴谐振器结构,结果表明微调连接缝隙位置,使其有效偏离电场波节点将明显降低EML风险。在200多件大功率部件中使用EML分析,结果最优的连接方式得到了很好的EML和PIM物理试验效果。理论分析和试验结果为设计大功率部件提供了借鉴。EML和PIM现象都与电磁场中面电流出现不连续相关,结合以往的EML和PIM问题分别研究的成果,综合考虑同轴谐振器物理结构实现缺陷中的问题给出了实际应用针对性的解决方案。如果能更进一步研究连接缝隙其他在大功率工作状态下的物理特性,应该可以给出大功率微波部件的设计制造中更加具体的优化方案,以提升整体产品的性能分析和制造水平。

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(编辑:车晓玲)

Study on EML and PlM from connection gap in a high power coaxial resonator

YU Xumin1,2,*,TANG Xiaohong2,WANG Juan1,DAI Feng1,LIN Huajie3
1.ChinaAcademyofSpaceTechnology(Xi'an),Xi'an710100,China 2.SchoolofElectronicEngineering,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu 611731,China 3.NorthesternPolytechnicalUniversity,Xi'an710072,China

Under the vacuum and high-power condition,an unstable slight gap of connecting structure of a coaxial resonator will have several risks,including PIM(Passive Inter-Modulation)and EML(Electro-Magnetic Leakage)problems.The percentage of gap's integral of surface current in the whole resonator cavity was analyzed.It shows that the gap's location is farther away from high surface current strength part of the cavity,the percentageis smaller.Three kinds of coaxial resonators have been simulated.A stable one was presented for reducing those risks.The connection gap of the coaxial resonator is far away from electric field wave nodes available.

high-power;coaxial resonator;electro-magnetic leak;passive inter-modulation

TN815

:A

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0027

2015-06-16;

:2015-11-17;录用日期:2016-02-24;< class="emphasis_bold">网络出版时间

时间:2016-04-19 15:39:34

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160419.1539.011.html

*

:禹旭敏(1973-),女,博士,高工,1149886452@qq.com,主要研究方向为星载微波无源部件设计

禹旭敏,唐小宏,汪娟,等.大功率同轴谐振器连接缝隙EML和PIM研究[J].中国空间科学技术,2016,

36(2):81-86.YUXM,TANGXH,WANGJ,etal.StudyonEMLandPIMfromconnectiongapinahighpower coaxialresonator[J].ChineseSpaceScienceandTechnology,2016,36(2):81-86(inChinese).

http:∥zgkj.cast.cn