微波同軸腔濾波器無(wú)源互調(diào)的分析和優(yōu)化

1、微波同軸腔濾波器無(wú)源互調(diào)的分析和優(yōu)化我們研究如何計(jì)算空氣腔體濾波器中無(wú)源互調(diào)功率產(chǎn)生,以及如何優(yōu)化濾波器的設(shè)計(jì)來(lái)減小無(wú)源互調(diào)信號(hào)的幅度。為了達(dá)到這個(gè)目的,我們使用仿真的結(jié)果來(lái)最優(yōu)化濾波器的多個(gè)參數(shù)?？諝馇惑w濾波器中的PIM的大小取決于耗散在其腔體中的功率大小。PIM功率隨該耗散功率的減小而減小。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,設(shè)計(jì)和生產(chǎn)低互調(diào)濾波器是完全有可能的。I.簡(jiǎn)介當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上射頻信號(hào)通過(guò)傳輸線或通信系統(tǒng)所產(chǎn)生的無(wú)源互調(diào)信號(hào)會(huì)減少信道容量1。PIM信號(hào)是由RF器件功率響應(yīng)的非線性產(chǎn)生的?？赡墚a(chǎn)生PIM信號(hào)的器件有各種波導(dǎo)和腔體結(jié)構(gòu)、濾波器、合路器,以及天線3-5。PIM信號(hào)是非常麻煩的,一旦產(chǎn)生

2、就不能補(bǔ)償,這是因?yàn)镻IM信號(hào)超過(guò)了濾波器的抑制范圍。PIM信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理已經(jīng)被大家所認(rèn)識(shí),可以概括為信號(hào)通過(guò)非線性的接觸和非線性的材料而產(chǎn)生互調(diào)信號(hào)。許多研究人員對(duì)于PIM問(wèn)題非常感興趣。例如,F. Arazm et al.6提出金屬間的非線性接觸會(huì)產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物。他們聚焦在相同或不同金屬間接觸面上產(chǎn)生的PIM信號(hào),包括銅、鈹銅、黃銅,以及各種其他材料。B. Deats et al.7通過(guò)PIM源的模型預(yù)言了電纜組件產(chǎn)生的互調(diào)。J Wilcox et al. 8計(jì)算了由于加熱使得同軸電纜壁變熱而產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物。實(shí)際上,降低互調(diào)的方法是高質(zhì)量的工藝水平。我們研究的主要內(nèi)容是空氣腔體濾波器產(chǎn)生的P

3、IM信號(hào)。論文以一個(gè)簡(jiǎn)短的對(duì)于腔體結(jié)構(gòu)的互調(diào)問(wèn)題評(píng)論以及延伸到在腔體濾波器中PIM特性的討論為開(kāi)頭。我們計(jì)算每個(gè)組成腔體濾波器的諧振腔中的功率耗散,從而發(fā)現(xiàn)在通帶內(nèi)哪個(gè)諧振腔會(huì)使主要的PIM信號(hào)增大。然后我們討論了一個(gè)六腔的濾波器在各種大小的腔體時(shí)的PIM值,還研究了我們是否可以采用在保持濾波器腔體外徑不變的情況下,調(diào)整腔體內(nèi)徑來(lái)最小化PIM信號(hào)。我們的研究表明了RF性能和產(chǎn)生PIM信號(hào)程度之間的關(guān)系。最后,為了驗(yàn)證我們的設(shè)計(jì)和設(shè)想,我們描述了一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的濾波器的制造和測(cè)量過(guò)程。II. 設(shè)計(jì)和建?；诮饘偬囟ǖ膫鲗?dǎo)率,在一個(gè)基本上由趨膚深度決定的空間內(nèi),腔體波導(dǎo)的金屬壁上總會(huì)有RF能量損耗。在

4、這個(gè)空間中的能量循環(huán)變化是隨著溫度的變化瞬時(shí)改變的。由于金屬導(dǎo)電率依賴于溫度的線性度,=0(1.T,其中是金屬導(dǎo)電率,是電抗系數(shù),T是溫度8,還有會(huì)在PIM頻率上產(chǎn)生壁流的諧波成分。這些現(xiàn)象是基于能量守恒定律和能量轉(zhuǎn)化定律的。腔體壁上產(chǎn)生的PIM電流由下式得到8: 其中, (1其中Js是PIM源電流,b是同軸電纜的外徑,是趨膚深度,=212,cp是比熱。這些PIM源電流維持PIM場(chǎng)?？傊?PIM功率等于 其中,c,a和H1(b分別是真空中的光速,同軸電纜的內(nèi)徑和當(dāng)外徑為b,頻率為1時(shí)的H 場(chǎng)。因此,該P(yáng)IM功率與兩個(gè)外加功率、頻率、金屬常量和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)有關(guān)。為了了解由多個(gè)腔體構(gòu)成的空氣介質(zhì)腔體濾

5、波器的PIM問(wèn)題,我們研究了波導(dǎo)線諧振腔。在許多微波濾波器的設(shè)計(jì)中,波導(dǎo)線的長(zhǎng)度,開(kāi)路或短路的終止被用作諧振腔。圖1是以一個(gè)用1/4波長(zhǎng)短路傳輸線及其集總元件等效電路組成的諧振腔為例9,10。 圖1 帶短路終止器的傳輸線諧振腔傳輸線導(dǎo)納Y0是基于傳輸結(jié)構(gòu)的。例如,它是腔體結(jié)構(gòu),那么導(dǎo)納為。我們可以將濾波器設(shè)計(jì)成由帶短路終止的傳輸線諧振腔組成。圖2表示中心頻率為947.5 MHz,25MHz帶寬,波動(dòng)為0.01dB的六諧振腔濾波器的等效電路。該濾波器是由內(nèi)徑為6mm,外徑為18mm的同軸線諧振腔搭建的。每一個(gè)諧振腔就是一個(gè)RLC儲(chǔ)能電路,這些諧振腔與j變極器連接在一起9。III. 無(wú)源互調(diào)的仿真

6、我們使用圖2模型模擬電路,通過(guò)電路分析計(jì)算六腔濾波器中每個(gè)諧振腔的電壓值。每個(gè)諧振腔中的電壓如圖3所示。每個(gè)諧振腔中的電壓相對(duì)于中心頻率是對(duì)稱(chēng)的,這是因?yàn)閱为?dú)的諧振腔的諧振頻率都是對(duì)稱(chēng)相同的。我們注意到腔體2和3中的電壓在頻帶的高低兩個(gè)頻帶邊緣上占主導(dǎo)地位。這些腔體中的電壓給了我們一個(gè)關(guān)于單個(gè)腔體對(duì)于功率損耗和PIM信號(hào)功率的影響的提示。腔體2和3對(duì)于一個(gè)六諧波腔的濾波器的PIM信號(hào)的影響最大。 圖2 六諧振腔濾波器集總元件模型 圖3 六腔濾波器每個(gè)同軸諧振腔的頻率與電壓的對(duì)比器件產(chǎn)生的PIM信號(hào)是由RF能量損耗造成的(PIMPLoss211,12。諧振電路中由于阻抗引起的功率耗散PLoss定

7、義如下: 其中,R1和R2分別是等效平行諧振電路的阻抗。諧振電路中的功率損耗與阻抗R成反比。為了減小諧振腔濾波器中的PIM功率,必須降低功率損耗,因?yàn)楣β蕮p耗與腔體濾波器中的PIM功率成正比。表1是在輸入功率為20W時(shí),不同大小的腔體時(shí)的阻抗、最大電壓、功率損耗和相對(duì)的PIM信號(hào)值。表1 腔體濾波器在不同大小的腔體時(shí)的阻抗、最大電壓、功率損耗和相對(duì)的PIM信號(hào)水平Inner/OuterRadius (mm R (k. VMax. (V PLoss (mWPIM/PIM(6/18(dB6/12 144.86 432.844 925.88 7.68 6/18 409.38 559.363 382.

8、14 0 6/24 695.31 633.919 164.91 7.31 在這個(gè)例子中,所有的PIM信號(hào)值都是基于同軸諧振腔結(jié)構(gòu)的電壓和阻抗值。在一個(gè)給定的功率下,阻抗隨導(dǎo)體外徑的增大而變大,而產(chǎn)生的PIM信號(hào)則變小。在外徑為12mm,18mm和24mm時(shí),PIM比率分別為7.68dB,0dB和7.31dB。該例中,參考功率為由外徑b=18mm,內(nèi)徑a=6mm,波動(dòng)為0.01的同軸腔構(gòu)成的空氣同軸濾波器中的PIM功率值。我們使用相同的參考功率值來(lái)考慮樣例的計(jì)算。我們現(xiàn)在來(lái)考慮濾波器的線性響應(yīng),例如,不同大小濾波器的帶寬、插入損耗、波動(dòng)和中心頻率。圖4為在輸入功率為20W時(shí)不同大小的濾波器(b=

9、12, 18, 24mm的插入損耗評(píng)估。當(dāng)b=12、18和24mm時(shí),在935MHz/960MHz上的插入損耗分別為0.78dB/0.65dB,0.44dB/0.37dB,0.33 dB/0.28dB。這說(shuō)明PIM響應(yīng)插入損耗響應(yīng)是一致的。 圖4 三種不同大小濾波器的插入損耗特性在實(shí)際應(yīng)用中,研究是否可以將PIM功率最小化是非常重要的,比如在外徑固定情況下,通過(guò)調(diào)節(jié)濾波器中同軸腔的內(nèi)徑來(lái)最小化PIM功率。圖5表示的是空氣同軸濾波器在不同內(nèi)半徑時(shí)的功率損耗和對(duì)應(yīng)的PIM信號(hào)值。我們也希望確定是否可以在不降低或改變?yōu)V波器指標(biāo)的情況下,通過(guò)改調(diào)節(jié)濾波器的大小的一個(gè)優(yōu)化過(guò)程來(lái)減小PIM功率。 圖5 在

10、不同內(nèi)半徑情況下同軸空氣腔體濾波器的阻抗對(duì)應(yīng)的功率損耗和響應(yīng)的PIM信號(hào)值:(a寬刻度,(b窄刻度。 圖6 在通帶波動(dòng)下六諧振腔濾波器的射頻功率和PIM功率特性變化:(a 在帶內(nèi)波動(dòng)對(duì)應(yīng)的PIM 功率值和衰減值的變化,(b在帶內(nèi)波動(dòng)對(duì)應(yīng)的PIM功率值和回波損耗的變化。圖6表示在其帶內(nèi)波動(dòng)下,濾波器的相應(yīng)的PIM信號(hào)值、衰減值和回波損耗的變化情況。圖6(a表示濾波器的帶內(nèi)波動(dòng)增大會(huì)導(dǎo)致PIM信號(hào)值和衰減值的增大。這說(shuō)明帶內(nèi)波動(dòng)的增大雖然會(huì)降低PIM性能,但是可以提高抑制度。圖6(b表示在濾波器通帶內(nèi)減小帶內(nèi)波動(dòng)可以改善回波損耗。這些結(jié)果說(shuō)明普通的射頻指標(biāo)與低互調(diào)信號(hào)功率是不一致的。因此,最小化P

11、IM 信號(hào)功率可能會(huì)使得該濾波器達(dá)不到必要的線性度指標(biāo)。IV. 測(cè)量結(jié)果和討論通過(guò)諧振腔的功率耗散來(lái)改變?cè)O(shè)定的PIM功率,我們制造并測(cè)量一個(gè)實(shí)驗(yàn)用的濾波器。該濾波器采用鍍了一層薄鋅的鋁做底,再鍍上8m厚的銀。這個(gè)六諧振腔濾波器的設(shè)計(jì)和制造都是基于表1中所示的結(jié)果。圖7表示在不同外徑尺寸時(shí),特定頻率下的插入損耗。當(dāng)b=12mm,18mm和24mm時(shí),在935MHz/960MHz上的插入損耗分別為0.78dB/0.72dB,0.46dB/0.37dB和0.28dB/0.24dB。這些結(jié)果完全符合圖4的預(yù)測(cè)。值得注意的是,六諧振腔濾波器的插入損耗隨外徑的增加而減小。 圖7 不同外徑值時(shí)測(cè)得的RF濾波

12、器特性：(a b=12mm，(b b=18mm，(c b=24mm。 圖8 三種不同外徑值時(shí)，測(cè)得的六諧振腔濾波器的PIM特性：(a b=12mm，(b b=18mm，(c b=24mm。 我們使用Summitek Instruments的PIM分析儀（SI-900A型）、一條1/2 inch的同軸電纜組件和 一個(gè)7/16 inch DIN Male轉(zhuǎn)N Male轉(zhuǎn)接器來(lái)測(cè)量PIM。這些器件的互調(diào)指標(biāo)必須小于170dBc。 圖8描述了我們制造的濾波器的PIM測(cè)量結(jié)果。 當(dāng)b=12、18和24mm時(shí)，GSM頻段的平均PIM值分別為151.36dBc，157.24dBc和 169.53dBc。我們

13、設(shè)置輸入功率為2×43dBm，每隔2小時(shí)進(jìn)行一次測(cè)量，測(cè)量3次。測(cè)量可重復(fù) 性為±2dB，最大測(cè)量不確定性為±1dB。測(cè)量結(jié)果符合表1中的假設(shè)，我們認(rèn)為測(cè)試結(jié)果非常好。 表2將實(shí)驗(yàn)（圖7和8）和理論（表1和圖4）結(jié)果相比較。 表2 實(shí)驗(yàn)（圖7和圖8）和理論（表1和圖4）結(jié)果的比較 Inner/Outer Radius 理論 l實(shí)驗(yàn) (mm PIM/PIM Insertion loss (dB Insertion loss (dB (6/18 (935MHz/960MHz (935MHz/960MHz (dB 6/12 0.78/0.65 7.68 -0.78/0.72 6/18 -0.44/0.37 0 0.46/0.37 6/24 -0.33/0.28 -7.31 0.28/0.24 PIM/PIM (6/18 (dB 5.88 0 12.29 我們認(rèn)為理論與實(shí)驗(yàn)所得的PIM功率的差別是由于濾波器插入損耗的差別造成的。以6/12 腔體濾波器為例，PIM功率和插入損耗的關(guān)系是非常明顯的（見(jiàn)表2）。 V. 結(jié)論 本文解釋了控制介質(zhì)腔體濾波器