辐射场中金属接触非线性源的无源互调仿真方法

曹 智,赵小龙,周昊楠,张可越,陈 雄,贺永宁

(1.西安交通大学 电子与信息工程学部,西安 710049;2.南方科技大学 电子与电气工程系,深圳 518055;3.香港中文大学 电子工程学系,香港 999077)

0 引言

两路或多路载波信号流经射频前端无源器件中的弱非线性时所产生的非线性产物称为无源互调(passive intermodulation,PIM)[1]。当PIM产物落入接收系统时,会提升误码率,恶化通信系统性能。PIM干扰是微波通信系统的亟待解决的关键可靠性问题[2-3]。

诱发PIM的物理根源一般分为材料非线性[4-5]和金属接触非线性[6-7]。射频前端中的多数无源器件内都会存在金属接触非线性,比如射频同轴连接器[8-9]、波导法兰连接[4-5]、网状天线中的金属丝搭接[10-11]、移相器中的螺栓连接等。当基站天线的辐射场中存在具有金属接触的无源器件时,载波信号会激励金属接触非线性生成PIM产物,若PIM产物频率与接收信号的频率相近,PIM会落入接收系统从而降低天线的灵敏度,减少通信系统的容量。因此,辐射场中金属非线性引起的PIM干扰已成为大功率微波工程技术的重要研究课题之一[12-13]。

针对辐射场中的接触PIM问题,我们已经对波导缝隙天线辐射场中的金属接触PIM进行了理论及实验研究[14]。WU D W等[15]通过仿真建立了网状天线反射面的PIM模型,并给出了具有相同结构和工作条件的网状反射面天线的PIM预测。基于电连接诱发PIM的物理根源,ZHAO X L等[16]建立了金属接触PIM与接触电阻、接触压力、载波功率之间的关系,提出了一种波导法兰连接界面处金属接触PIM的计算方法。由于多系统、多频段的通信技术使辐射场中的PIM干扰问题日益凸显,关于辐射场中金属接触PIM可靠的仿真预估亟需进一步的研究。

开展辐射场中金属接触PIM的仿真评估和实验规律研究具有重要的工程意义。文章通过方同轴缝隙天线提供的辐射场景,提出并实验验证了一种预估天线端口接收金属接触PIM幅值的仿真方法。实测结果与仿真结果一致,验证了仿真方法能够预估辐射场中金属接触的PIM响应。

1 金属接触非线性电流建模

根据固体物理的理论,可能导致金属接触界面产生PIM产物的非线性物理机制有量子隧穿电流[17]、热电子发射。虽然不同的非线性物理机制对应的非线性方程各不相同,但非线性方程都可被展开成幂级数的形式,如式(1)所列:

(1)

式(1)中,Inl是金属接触产生的非线性电流的总和,包含各个频率分量。ai为各个频率分量的非线性参数。V是大功率电磁波经过接触结时在接触界面产生的压降。当有两路载波信号馈入测试系统时,该压降的表达式如式(2)所列:

V=(Z)[I1lcos(2πf1t)+I2lcos(2πf2t)]

(2)

式(2)中,(Z)为接触界面的接触阻抗。I1l,I2l为通过接触界面的载波信号电流幅值。本文采用的两路载波信号功率幅值相同,即I1l=I2l=Il。f1,f2分别为两路载波信号的频率。

将式(1)展开,提取出与三阶无源互调(third-order passive intermodulation, PIM3)相关的三阶非线性电流,如式(3)所列:

(3)

综上所述,建立如式(4)所列的电连接非线性电流源仿真模型。流经金属接触界面的载波信号电流Il可以通过CST仿真获取。三阶非线性参数A3由待测样品某一位置的PIM3测试结果提取。

(4)

2 同轴缝隙天线辐射场中接触PIM仿真

文章采用如图1所示的外腔开缝隙的方同轴缝隙天线提供辐射场景[18],待测样(device under test,DUT)置于缝隙天线的辐射场中。同轴缝隙的宽度远小于缝隙长度,此时可以忽略远场的辐射功率,大部分的载波功率在同轴内部传输。因此,利用该方同轴缝隙天线可以实现近场内金属接触PIM的研究,并忽略远场中,即测试系统所处环境中其他金属接触非线性源对测试结果的影响。

图1 同轴缝隙天线仿真模型Fig.1 The simulation model of the slotted coaxial antenna

在DUT的接触界面设置端口port3,方同轴的输入、输出端口分别设置波端口port1和port2。

由式(4)可得,通过线性电流幅值I1及非线性参数A3可以建立金属接触界面的非线性电流模型。在接触界面port3设置幅值为该非线性电流源的离散端口(端口类型设置为current),通过CST可以仿真获取到当端口port3以非线性电流源为激励时,端口port1接收到的功率值,即金属接触的PIM响应。综上,基于非线性系数A3及流经DUT接触界面载波信号的电流幅值I1可以预估辐射场中DUT在不同位置处的PIM幅值。辐射场中金属接触PIM3的仿真流程图如图2所示。

图2 辐射场中金属接触PIM3仿真流程图Fig.2 Flow chart of PIM3 simulation induced by metallic contact in the radiation field

2.1 线性电流I1仿真

如图1所示,DUT置于方同轴缝隙天线辐射场中。当载波信号在方同轴内传输时,一部分载波信号会通过缝隙向外辐射功率,因此在DUT的接触界面会流经由载波信号诱发的线性电流I1。

在接触界面设置离散端口port3(端口类型设置为S-parameter)。从端口port1馈入激励信号,通过CST仿真能够获取流过端口port3载波信号的电流幅值,即Il。

2.2 非线性参数A3提取方法

通过DUT在某个位置处的PIM测试结果可以提取该DUT接触结的非线性参数。如图1所示,如果已知在port1获取的PIM3响应,基于该PIM3功率通过仿真可以反推接触界面port3端口处非线性电流激励源I3f的幅值,最后由式(4)计算得到DUT接触界面的非线性参数A3。DUT非线性参数A3的提取流程如图3所示。

图3 DUT非线性参数A3的提取流程图Fig.3 Flow chart for the extraction of DUT nonlinear parameter A3

3 实验验证

DUT的PIM3测试平台如图4所示,其中,图4(b)为所加工的外腔开缝的方同轴缝隙工装。基于该工装可以实现对置于缝隙天线附近的待测样PIM的测试。

图4 DUT的PIM3测试平台Fig.4 Test platform for PIM3 of DUT

将射频前端天线辐射场中的电连接抽象为两段铝合金圆柱相连接的接触件,如图5所示。在接触界面的两端装有介质螺钉,通过力矩扳手可以给接触界面施加不同的压力,从而改变接触界面的接触状态。

图5 DUT实物图Fig.5 Physical diagram of the DUT

将DUT的接触结水平置于缝隙波导上方。由于待测接触结DUT与缝隙在水平方向上的夹角会改变流经接触界面的线性电流I1幅值,因此在实验及仿真中对DUT与缝隙的夹角设置应保持相同。文章中待测接触结与缝隙垂直。首先,如图6所示,在位置P1测试DUT不同压力下的PIM响应。将缝隙的中心记为原点,位置P1位于原点处。由图3所示,通过DUT在P1的PIM测试结果及DUT在位置P1的线性电流I1-P1提取不同压力下接触界面的非线性参数A3。其次,基于提取的非线性参数A3及DUT在P2的线性电流I1-P2,可以仿真评估DUT在P2处不同压力下的PIM响应。P2位于沿x轴向右平移13mm,沿y轴向上平移5mm的位置,如图6(a)所示。

图6 DUT位置示意图Fig.6 Schematic diagram of DUT position

建立图4(a)所示的测试平台,采用澳华测控PIM分析仪对方同轴缝隙天线辐射场中待测铝合金接触不同接触压力下的反射PIM3展开实验研究。两路载波信号的输入功率均为43dBm,频率分别为2.62GHz、2.69GHz。待测的PIM3信号频率为2.55GHz。测试过程中,PIM测试系统的本底噪声小于-125dBm@2×43dBm。

采用力矩扳手对DUT接触界面两端施加0.1～1.1N·m的力矩,DUT在P1位置处的三次PIM3测试结果如图7所示。

图7 DUT在P1处的PIM3测试结果Fig.7 PIM3 test results for the DUT at P1

因为相同力矩下,DUT每次连接的微观接触状态会存在差异,从而导致DUT在相同力矩下多次实验的PIM3实测结果在一定范围内波动,如图7所示。且该波动范围随着外加力矩的增大呈下降的趋势。本文通过三次重复性的实验来获取PIM3的波动范围。

馈入测试系统的载波功率为43dBm,则由CST场仿真得到在P1处流过接触结的基波信号电流幅值I1-P1为99mA。根据DUT在P1处的测试结果PIM3及I1-P1提取DUT在不同接触状态下的非线性参数A3,如图8所示。

图8 DUT在不同外加力矩下的非线性参数A3Fig.8 Nonlinear parameters A3 of the DUT under variable applied torques

由图8可得,DUT的非线性参数A3的均值随着外加力矩的增大呈下降的趋势。在微观物理机制下,接触界面的非线性参数A3与单位接触面积内金属-绝缘层-金属(metal-insulator-metal,MIM)的占比,接触界面氧化膜的厚度及介电常数,接触界面的势垒高度等参数相关[19]。因为,每次连接状态下,金属接触界面的MIM占比会存在差异,就会导致多次实验条件下铝合金接触件DUT的A3呈现一定的波动范围。

基于图6所示的仿真模型,可以获取在P2处流经DUT接触界面的基波信号电流幅值I1-P2为34.2mA。由式(4)所示,通过在P1处提取的非线性参数A3及I1-P2可以获取在P2处DUT接触界面产生的非线性电流I3f,利用I3f进而可以仿真预估DUT在P2处不同接触压力下的PIM3幅值。DUT在P2处的PIM3仿真预估及实测结果如图9所示。

图9 P2处DUT的PIM3仿真预估及实验结果Fig.9 Predicted and experimental results for PIM3 amplitude of DUT at P2

由图9可得,当外加力矩等于0.35N·m时,DUT的PIM3波动范围最大。当外加力矩大于0.35N·m时,DUT的PIM3幅值及PIM3波动范围趋于稳定。且在0.3N·m～1.1N·m外加力矩的测试范围内,DUT的PIM3测试结果的变化范围在预测结果的变化范围内,预测结果与实测结果均值相差在3dB以内。

综上所述,文章提出的仿真方法可以评估金属接触样在不同天线辐射场中的PIM响应。

4 结论

文章提出并实验验证了一种评估天线辐射场中金属接触结构PIM的仿真方法。首先,基于DUT在天线辐射场中某一位置的PIM测试结果及流经接触界面的线性电流仿真结果能够提取DUT接触界面的非线性参数,其次,利用该非线性参数建立DUT接触界面的非线性电流源,最后,以该非线性电流源为激励,通过CST场仿真能够仿真预估DUT在辐射场中任意位置的PIM响应。采用方同轴缝隙天线及铝合金接触件对该仿真方法进行了实验验证,实测结果均值与仿真评估结果相差在3dB以内。表明文章提出的仿真方法能够预估辐射场中金属接触的PIM水平,为评估天线的PIM环境提供了一种仿真计算方法。