微波同軸腔濾波器無源互調(diào)的分析和優(yōu)化

1、微波同軸腔濾波器無源互調(diào)的分析和優(yōu)化我們研究如何計算空氣腔體濾波器中無源互調(diào)功率產(chǎn)生,以及如何優(yōu)化濾波器的設(shè)計來減小無源互調(diào)信號的幅度。為了達到這個目的,我們使用仿真的結(jié)果來最優(yōu)化濾波器的多個參數(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。我們的實驗結(jié)果說明,設(shè)計和生產(chǎn)低互調(diào)濾波器是完全有可能的。I.簡介當兩個或兩個以上射頻信號通過傳輸線或通信系統(tǒng)所產(chǎn)生的無源互調(diào)信號會減少信道容量1。PIM信號是由RF器件功率響應的非線性產(chǎn)生的?？赡墚a(chǎn)生PIM信號的器件有各種波導和腔體結(jié)構(gòu)、濾波器、合路器,以及天線3-5。PIM信號是非常麻煩的,一旦產(chǎn)生

2、就不能補償,這是因為PIM信號超過了濾波器的抑制范圍。PIM信號的產(chǎn)生機理已經(jīng)被大家所認識,可以概括為信號通過非線性的接觸和非線性的材料而產(chǎn)生互調(diào)信號。許多研究人員對于PIM問題非常感興趣。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,包括銅、鈹銅、黃銅,以及各種其他材料。B. Deats et al.7通過PIM源的模型預言了電纜組件產(chǎn)生的互調(diào)。J Wilcox et al. 8計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。論文以一個簡短的對于腔體結(jié)構(gòu)的互調(diào)問題評論以及延伸到在腔體濾波器中PIM特性的討論為開頭。我們計算每個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)哪個諧振腔會使主要的PIM信號增大。然后我們討論了一個六腔的濾波器在各種大小的腔體時的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)徑來最小化PIM信號。我們的研究表明了RF性能和產(chǎn)生PIM信號程度之間的關(guān)系。最后,為了驗證我們的設(shè)計和設(shè)想,我們描述了一個實驗性的濾波器的制造和測量過程。II. 設(shè)計和建?；诮饘偬囟ǖ膫鲗?在一個基本上由趨膚深度決定的空間內(nèi),腔體波導的金屬壁上總會有RF能量損耗。在

4、這個空間中的能量循環(huán)變化是隨著溫度的變化瞬時改變的。由于金屬導電率依賴于溫度的線性度,=0(1.T,其中是金屬導電率,是電抗系數(shù),T是溫度8,還有會在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?？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)徑和當外徑為b,頻率為1時的H 場。因此,該PIM功率與兩個外加功率、頻率、金屬常量和波導結(jié)構(gòu)有關(guān)。為了了解由多個腔體構(gòu)成的空氣介質(zhì)腔體濾

5、波器的PIM問題,我們研究了波導線諧振腔。在許多微波濾波器的設(shè)計中,波導線的長度,開路或短路的終止被用作諧振腔。圖1是以一個用1/4波長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),那么導納為。我們可以將濾波器設(shè)計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。每一個諧振腔就是一個RLC儲能電路,這些諧振腔與j變極器連接在一起9。III. 無源互調(diào)的仿真

6、我們使用圖2模型模擬電路,通過電路分析計算六腔濾波器中每個諧振腔的電壓值。每個諧振腔中的電壓如圖3所示。每個諧振腔中的電壓相對于中心頻率是對稱的,這是因為單獨的諧振腔的諧振頻率都是對稱相同的。我們注意到腔體2和3中的電壓在頻帶的高低兩個頻帶邊緣上占主導地位。這些腔體中的電壓給了我們一個關(guān)于單個腔體對于功率損耗和PIM信號功率的影響的提示。腔體2和3對于一個六諧波腔的濾波器的PIM信號的影響最大。 圖2 六諧振腔濾波器集總元件模型 圖3 六腔濾波器每個同軸諧振腔的頻率與電壓的對比器件產(chǎn)生的PIM信號是由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,因為功率損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,不同大小的腔體時的阻抗、最大電壓、功率損耗和相對的PIM信號值。表1 腔體濾波器在不同大小的腔體時的阻抗、最大電壓、功率損耗和相對的PIM信號水平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 在這個例子中,所有的PIM信號值都是基于同軸諧振腔結(jié)構(gòu)的電壓和阻抗值。在一個給定的功率下,阻抗隨導體外徑的增大而變大,而產(chǎn)生的PIM信號則變小。在外徑為12mm,18mm和24mm時,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考慮樣例的計算。我們現(xiàn)在來考慮濾波器的線性響應,例如,不同大小濾波器的帶寬、插入損耗、波動和中心頻率。圖4為在輸入功率為20W時不同大小的濾波器(b=

9、12, 18, 24mm的插入損耗評估。當b=12、18和24mm時,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。這說明PIM響應插入損耗響應是一致的。 圖4 三種不同大小濾波器的插入損耗特性在實際應用中,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,通過調(diào)節(jié)濾波器中同軸腔的內(nèi)徑來最小化PIM功率。圖5表示的是空氣同軸濾波器在不同內(nèi)半徑時的功率損耗和對應的PIM信號值。同軸諧振腔的阻抗和電壓與內(nèi)徑成反比。同軸諧振腔結(jié)構(gòu)中的功率耗散在特定的范圍內(nèi)有一個最小值?？梢允篂V波器PIM信號最小的,

10、最優(yōu)化的內(nèi)徑在4.8mm和5.2mm之間。這說明傳輸線阻抗Z0為74.5到79.3之間。我們也希望確定是否可以在不降低或改變?yōu)V波器指標的情況下,通過改調(diào)節(jié)濾波器的大小的一個優(yōu)化過程來減小PIM功率。 圖5 在不同內(nèi)半徑情況下同軸空氣腔體濾波器的阻抗對應的功率損耗和響應的PIM信號值:(a寬刻度,(b窄刻度。 圖6 在通帶波動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)波動對應的PIM 功率值和衰減值的變化,(b在帶內(nèi)波動對應的PIM功率值和回波損耗的變化。圖6表示在其帶內(nèi)波動下,濾波器的相應的PIM信號值、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)波動增大會導致PIM

11、信號值和衰減值的增大。這說明帶內(nèi)波動的增大雖然會降低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)波動可以改善回波損耗。這些結(jié)果說明普通的射頻指標與低互調(diào)信號功率是不一致的。因此,最小化PIM 信號功率可能會使得該濾波器達不到必要的線性度指標。IV. 測量結(jié)果和討論通過諧振腔的功率耗散來改變設(shè)定的PIM功率,我們制造并測量一個實驗用的濾波器。該濾波器采用鍍了一層薄鋅的鋁做底,再鍍上8m厚的銀。這個六諧振腔濾波器的設(shè)計和制造都是基于表1中所示的結(jié)果。圖7表示在不同外徑尺寸時,特定頻率下的插入損耗。當b=12mm,18mm和24mm時,在935MHz/960MHz上的插入損耗分

12、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的預測。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 不同外徑值時測得的RF濾波器特性：(a b=12mm，(b b=18mm，(c b=24mm。 圖8 三種不同外徑值時，測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7/16 inch DIN Male轉(zhuǎn)N Male轉(zhuǎn)接器來測量PIM。這些器

13、件的互調(diào)指標必須小于170dBc。 圖8描述了我們制造的濾波器的PIM測量結(jié)果。 當b=12、18和24mm時，GSM頻段的平均PIM值分別為151.36dBc，157.24dBc和 169.53dBc。我們設(shè)置輸入功率為2×43dBm，每隔2小時進行一次測量，測量3次。測量可重復 性為±2dB，最大測量不確定性為±1dB。測量結(jié)果符合表1中的假設(shè)，我們認為測試結(jié)果非常好。 表2將實驗（圖7和8）和理論（表1和圖4）結(jié)果相比較。 表2 實驗（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實驗 (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 我們認為理論與實驗所得的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（見表2）。 V. 結(jié)論 本文解釋了控制介質(zhì)腔