应用于航天器的低无源互调滤波器分析

王琪，崔万照

中国空间技术研究院 西安分院 空间微波技术重点实验室，西安 710100

20世纪60年代后期以来在人造卫星、高功率地球站设备和地面微波系统中，都发现了无源互调。轻时会造成信道阻塞，严重时会造成卫星失效。随着航天技术的发展，一方面需要更多数量和更大功率的滤波器、多工器等，另一方面要求航天器体积小、质量小等，使得无源互调问题更加突出。由于材料的非线性或接触的非线性输入信号的不同频率分量相互叠加出现的现象称为无源互调(passive intermodulation，PIM)[1]。滤波器、多工器和馈源等都会产生无源互调，当互调产物较小且落入接收带时会降低信噪比，误码率会相应提高。当无源互调较大时，会阻碍通信。因此对于滤波器、多工器和馈源等无源微波部件来说，无源互调是其重要指标，该指标的高低是影响航天器能否在轨正常工作的重要因素[2-6]。无源互调是两个或多个信号通过无源器件时产生的。

多工器由滤波器和连接件组成，因此滤波器和连接件的无源互调高低决定多工器的无源互调。滤波器种类主要有：同轴腔体滤波器、波导腔体滤波器、微带滤波器和介质滤波器等。对于同轴腔体滤波器而言，其波导法兰连接面、调谐螺钉、耦合螺钉和表面镀层等均是无源互调发生的主要位置。这些位置是连接处，而且调谐螺钉位于电场最强处，这是无源互调产生的最大因素。

在低频段，如L频段、S频段和C频段等通信系统中，要求滤波器损耗小的情况下，一般采用同轴腔体滤波器和介质滤波器。但由于介质滤波器对于温度变化较为敏感以及散热等因素，大多数情况下都会采用同轴腔体滤波器。这就导致无源互调成为最重要的指标之一。同轴腔体滤波器主要由连接器、盖板、调谐螺钉、馈电杆、谐振杆和腔体等组成。由于这些部件无法一体化加工，因此不可避免地会有一些连接处，这些连接处是产生无源互调的主要因素。而电流密度较大的连接处是重要关注处，如谐振杆和腔体连接处。当连接面的平整度不好、镀层厚度较小或出现毛刺沾污时会引起较大的无源互调[2-6]。

本文针对同轴滤波器产生无源互调的因素进行了研究。设计了一种同轴滤波器，使其无源互调主要产生于一个谐振杆和腔体连接处，方法如下：

1)改变该处的镀层工艺，研究镀层工艺对无源互调的影响规律；

2)让无源互调主要产生于馈电处，研究插芯和馈电杆连接方式(介质隔离和焊接)对无源互调的影响规律；

3)最后，采用研究的规律和改进滤波器结构设计了一种低无源互调同轴滤波器，可以有效地抑制无源互调。

1 镀层对无源互调的影响

在进行试验之前需要对文中所采用的无源互调测试设备进行简单介绍，该测试设备是目前国内高灵敏度的S频段无源互调检测设备。检测设备输入测试频点为2.16 GHz，2.21 GHz。三阶无源互调频率为2.21 GHz，五阶无源互调频率为2.21 GHz。该系统的最大测试功率为200 W，可测试变温下的无源互调，温变范围是-50～150 ℃。可进行反射法和传输法两种方法检测，本文采用的是反射法在常温下进行测试。

本节主要设计了唯一PIM源的滤波器，采用该滤波器试验研究了镀层对无源互调的影响规律，对实际无源器件的表面电镀处理有重要的指导意义。

1.1 试验样件设计

对于试验样件的设计，主要突出只在一个位置产生较大的无源互调，而避免其他位置产生无源互调。这样可以对该位置进行表面镀层处理和研究。在同轴滤波器中，谐振杆和腔体底面连接处电流密度较大，因此对其中一个谐振杆底面进行处理[7-9]。其他谐振杆和腔体一体化加工。

谐振器间的耦合通过开窗口的方法来实现，窗口越大耦合就越大[10-12]。由专用软件可以计算出各个谐振器所需要的耦合大小，根据计算的耦合值采用下式计算，可以求得各个谐振器之间所需窗口大小的初始值：

(1)

式中：fm为偶模谐振频率；fe为奇模谐振频率。

输入输出馈电主要采用同轴连接器的插芯和馈电杆实现，馈电杆离谐振器越近，馈电耦合就越大。而同轴连接器的插芯和馈电杆的连接方式有两种：介质隔离式和焊接式。本文研究了这两种馈电方式对无源互调的影响规律，采用隔离式馈电方式的滤波器研究了镀层对无源互调的影响规律。不论是隔离式还是焊接式馈电，都可以计算滤波器的输入输出耦合，从而获得谐振杆和馈电柱之间的位置关系，计算公式为：

(2)

式中：τS11为群时延；ω0为中心角频率；FBW为相对带宽；m01为输入耦合(对称时，输入输出耦合相等)。

依据上述设计原则，设计了一款低无源互调同轴滤波器，图1为该同轴滤波器在HFSS中的3D模型。其工作频率为2.16～2.21 GHz,带内插入损耗小于0.3 dB，如图2所示。

图1 低无源互调同轴滤波器的3D模型Fig.1 3D model of low PIM coaxial filter

图2 S参数测试曲线Fig.2 Testing values of S parameters

1.2 表面镀层处理对无源互调的影响

采用隔离式馈电的三阶同轴滤波器进行研究，其中一个谐振杆采用分离式设计，用螺钉固定于腔体底部，其余两个谐振杆和腔体一体化加工，保证无源互调源的基本唯一性。对该滤波器和谐振杆与腔体一体化加工的两种滤波器的PIM进行测试，测试数据如图3所示。

从图3可以看出，两种滤波器的无源互调差距很大。验证了该位置是无源互调的主要发生位置，可以对该位置进行镀层处理，研究不同镀层对无源互调的影响规律。本文中，对谐振杆下底进行氧化和传统镀银两种工艺处理，然后在相同的环境下进行无源互调测试，得到了两者的无源互调对比，如图4所示。

图3 两种类型滤波器PIM对比Fig.3 Comparison of PIM levels between two different filters

从图4中可以看出，表面氧化处理的滤波器无源互调性能较差，在实际镀层表面处理过程中应尽量保护不产生氧化层，将谐振杆及时固定在腔体底面上，可以有效抑制同轴滤波器的无源互调。

图4 表面氧化和传统镀银PIM对比Fig.4 Comparison of PIM level between surface oxidation and plating silver

1.3 不同材料调节螺钉对无源互调的影响

研究金属调节螺钉对滤波器无源互调的影响，并设计出新的介质调节螺钉替换金属调节螺钉来验证介质螺钉对无源互调抑制的有效性。对介质调谐螺钉滤波器进行无源互调测试，如图5所示。

金属调节螺钉滤波器的无源互调比介质调节螺钉滤波器大10 dB左右，但介质调节螺钉滤波器需要精确设计，对于简单的微波部件可以采用。

图5 金属和介质螺钉滤波器PIM曲线Fig.5 PIM curves of filters with metal and dielectric tuning screws

2 S频段低无源互调同轴滤波器设计

由上文得到了影响无源互调的主要因素：表面镀层和调谐螺钉。本文在优选镀层和调谐螺钉的基础上，改进了滤波器的输入输出馈电结构。

在传统滤波器中，输入输出馈电采用焊接方式，本文采用介质隔离来实现金属-介质-金属的接触方式，可有效地降低滤波器的无源互调，图1中的蓝色部分为介质套，图6为传统和改进后的同轴滤波器。图7试验结果表明该方法相比传统滤波器设计无源互调方法可有效降低20 dB。

对上述两种滤波器进行无源互调测试，测试曲线如图7所示。两种滤波器的无源互调均为5阶。测试功率从40～49 dBm。

通过图7可以看出，采用介质隔离同轴连接器的内导体和馈电杆，减少了金属焊接的部分，可以有效降低滤波器的无源互调。那么在别的微波部件中也可以采用类似的方法来实现低无源互调。对整个低无源互调的微波部件设计具有很好的指导意义。

图6 滤波器Fig.6 Photoes of coaxial filters

图7 改进后滤波器和传统滤波器PIM结果对比Fig.7 Comparison of PIM level between conventional coaxial filter and improved coaxial filter

3 结束语

本文通过对谐振杆下底面进行不同的表面镀层处理，获得了镀层工艺对无源互调的影响规律；固定其他因素不变，只改变调谐螺钉材料，得到了材料对无源互调的影响规律。发现对于大功率同轴滤波器而言，同轴线内芯直接焊接到馈电杆上，焊接点不稳定会引起较大PIM，另外腔体与谐振杆连接处的镀层工艺对滤波器的PIM影响较大，具体如下：

1)试验表明，介质螺钉抑制无源互调有明显的效果，但介质调节螺钉的调节范围较小，对复杂微波部件的调节能力较差，因此简单的微波部件可以采用介质螺钉。

2)改进了滤波器的结构，改变了传统输入输出馈电方式的金属接触，实现了金属-介质-金属接触。相比传统滤波器,无源互调有效降低了20 dB。

3)验证了该方法的有效性，为下一代航天技术和地面移动通信技术提供了强有力的技术保证。