微波同轴腔滤波器无源互调的分析和优化

1、微波同轴腔滤波器无源互调的分析和优化我们研究如何计算空气腔体滤波器中无源互调功率产生,以及如何优化滤波器的设计来减小无源互调信号的幅度。为了达到这个目的,我们使用仿真的结果来最优化滤波器的多个参数。空气腔体滤波器中的PIM的大小取决于耗散在其腔体中的功率大小。PIM功率随该耗散功率的减小而减小。我们的实验结果说明,设计和生产低互调滤波器是完全有可能的。I.简介当两个或两个以上射频信号通过传输线或通信系统所产生的无源互调信号会减少信道容量1。PIM信号是由RF器件功率响应的非线性产生的。可能产生PIM信号的器件有各种波导和腔体结构、滤波器、合路器,以及天线3-5。PIM信号是非常麻烦的,一旦产生

2、就不能补偿,这是因为PIM信号超过了滤波器的抑制范围。PIM信号的产生机理已经被大家所认识,可以概括为信号通过非线性的接触和非线性的材料而产生互调信号。许多研究人员对于PIM问题非常感兴趣。例如,F. Arazm et al.6提出金属间的非线性接触会产生互调产物。他们聚焦在相同或不同金属间接触面上产生的PIM信号,包括铜、铍铜、黄铜,以及各种其他材料。B. Deats et al.7通过PIM源的模型预言了电缆组件产生的互调。J Wilcox et al. 8计算了由于加热使得同轴电缆壁变热而产生的互调产物。实际上,降低互调的方法是高质量的工艺水平。我们研究的主要内容是空气腔体滤波器产生的P

3、IM信号。论文以一个简短的对于腔体结构的互调问题评论以及延伸到在腔体滤波器中PIM特性的讨论为开头。我们计算每个组成腔体滤波器的谐振腔中的功率耗散,从而发现在通带内哪个谐振腔会使主要的PIM信号增大。然后我们讨论了一个六腔的滤波器在各种大小的腔体时的PIM值,还研究了我们是否可以采用在保持滤波器腔体外径不变的情况下,调整腔体内径来最小化PIM信号。我们的研究表明了RF性能和产生PIM信号程度之间的关系。最后,为了验证我们的设计和设想,我们描述了一个实验性的滤波器的制造和测量过程。II. 设计和建模基于金属特定的传导率,在一个基本上由趋肤深度决定的空间内,腔体波导的金属壁上总会有RF能量损耗。在

4、这个空间中的能量循环变化是随着温度的变化瞬时改变的。由于金属导电率依赖于温度的线性度,=0(1.T,其中是金属导电率,是电抗系数,T是温度8,还有会在PIM频率上产生壁流的谐波成分。这些现象是基于能量守恒定律和能量转化定律的。腔体壁上产生的PIM电流由下式得到8: 其中, (1其中Js是PIM源电流,b是同轴电缆的外径,是趋肤深度,=212,cp是比热。这些PIM源电流维持PIM场。总之,PIM功率等于 其中,c,a和H1(b分别是真空中的光速,同轴电缆的内径和当外径为b,频率为1时的H 场。因此,该PIM功率与两个外加功率、频率、金属常量和波导结构有关。为了了解由多个腔体构成的空气介质腔体滤

5、波器的PIM问题,我们研究了波导线谐振腔。在许多微波滤波器的设计中,波导线的长度,开路或短路的终止被用作谐振腔。图1是以一个用1/4波长短路传输线及其集总元件等效电路组成的谐振腔为例9,10。 图1 带短路终止器的传输线谐振腔传输线导纳Y0是基于传输结构的。例如,它是腔体结构,那么导纳为。我们可以将滤波器设计成由带短路终止的传输线谐振腔组成。图2表示中心频率为947.5 MHz,25MHz带宽,波动为0.01dB的六谐振腔滤波器的等效电路。该滤波器是由内径为6mm,外径为18mm的同轴线谐振腔搭建的。每一个谐振腔就是一个RLC储能电路,这些谐振腔与j变极器连接在一起9。III. 无源互调的仿真

6、我们使用图2模型模拟电路,通过电路分析计算六腔滤波器中每个谐振腔的电压值。每个谐振腔中的电压如图3所示。每个谐振腔中的电压相对于中心频率是对称的,这是因为单独的谐振腔的谐振频率都是对称相同的。我们注意到腔体2和3中的电压在频带的高低两个频带边缘上占主导地位。这些腔体中的电压给了我们一个关于单个腔体对于功率损耗和PIM信号功率的影响的提示。腔体2和3对于一个六谐波腔的滤波器的PIM信号的影响最大。 图2 六谐振腔滤波器集总元件模型 图3 六腔滤波器每个同轴谐振腔的频率与电压的对比器件产生的PIM信号是由RF能量损耗造成的(PIMPLoss211,12。谐振电路中由于阻抗引起的功率耗散PLoss定

7、义如下: 其中,R1和R2分别是等效平行谐振电路的阻抗。谐振电路中的功率损耗与阻抗R成反比。为了减小谐振腔滤波器中的PIM功率,必须降低功率损耗,因为功率损耗与腔体滤波器中的PIM功率成正比。表1是在输入功率为20W时,不同大小的腔体时的阻抗、最大电压、功率损耗和相对的PIM信号值。表1 腔体滤波器在不同大小的腔体时的阻抗、最大电压、功率损耗和相对的PIM信号水平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 在这个例子中,所有的PIM信号值都是基于同轴谐振腔结构的电压和阻抗值。在一个给定的功率下,阻抗随导体外径的增大而变大,而产生的PIM信号则变小。在外径为12mm,18mm和24mm时,PIM比率分别为7.68dB,0dB和7.31dB。该例中,参考功率为由外径b=18mm,内径a=6mm,波动为0.01的同轴腔构成的空气同轴滤波器中的PIM功率值。我们使用相同的参考功率值来考虑样例的计算。我们现在来考虑滤波器的线性响应,例如,不同大小滤波器的带宽、插入损耗、波动和中心频率。图4为在输入功率为20W时不同大小的滤波器(b=

9、12, 18, 24mm的插入损耗评估。当b=12、18和24mm时,在935MHz/960MHz上的插入损耗分别为0.78dB/0.65dB,0.44dB/0.37dB,0.33 dB/0.28dB。这说明PIM响应插入损耗响应是一致的。 图4 三种不同大小滤波器的插入损耗特性在实际应用中,研究是否可以将PIM功率最小化是非常重要的,比如在外径固定情况下,通过调节滤波器中同轴腔的内径来最小化PIM功率。图5表示的是空气同轴滤波器在不同内半径时的功率损耗和对应的PIM信号值。同轴谐振腔的阻抗和电压与内径成反比。同轴谐振腔结构中的功率耗散在特定的范围内有一个最小值。可以使滤波器PIM信号最小的,

10、最优化的内径在4.8mm和5.2mm之间。这说明传输线阻抗Z0为74.5到79.3之间。我们也希望确定是否可以在不降低或改变滤波器指标的情况下,通过改调节滤波器的大小的一个优化过程来减小PIM功率。 图5 在不同内半径情况下同轴空气腔体滤波器的阻抗对应的功率损耗和响应的PIM信号值:(a宽刻度,(b窄刻度。 图6 在通带波动下六谐振腔滤波器的射频功率和PIM功率特性变化:(a 在带内波动对应的PIM 功率值和衰减值的变化,(b在带内波动对应的PIM功率值和回波损耗的变化。图6表示在其带内波动下,滤波器的相应的PIM信号值、衰减值和回波损耗的变化情况。图6(a表示滤波器的带内波动增大会导致PIM

11、信号值和衰减值的增大。这说明带内波动的增大虽然会降低PIM性能,但是可以提高抑制度。图6(b表示在滤波器通带内减小带内波动可以改善回波损耗。这些结果说明普通的射频指标与低互调信号功率是不一致的。因此,最小化PIM 信号功率可能会使得该滤波器达不到必要的线性度指标。IV. 测量结果和讨论通过谐振腔的功率耗散来改变设定的PIM功率,我们制造并测量一个实验用的滤波器。该滤波器采用镀了一层薄锌的铝做底,再镀上8m厚的银。这个六谐振腔滤波器的设计和制造都是基于表1中所示的结果。图7表示在不同外径尺寸时,特定频率下的插入损耗。当b=12mm,18mm和24mm时,在935MHz/960MHz上的插入损耗分

12、别为0.78dB/0.72dB,0.46dB/0.37dB和0.28dB/0.24dB。这些结果完全符合图4的预测。值得注意的是,六谐振腔滤波器的插入损耗随外径的增加而减小。 图7 不同外径值时测得的RF滤波器特性：(a b=12mm，(b b=18mm，(c b=24mm。 图8 三种不同外径值时，测得的六谐振腔滤波器的PIM特性：(a b=12mm，(b b=18mm，(c b=24mm。 我们使用Summitek Instruments的PIM分析仪（SI-900A型）、一条1/2 inch的同轴电缆组件和 一个7/16 inch DIN Male转N Male转接器来测量PIM。这些器

13、件的互调指标必须小于170dBc。 图8描述了我们制造的滤波器的PIM测量结果。 当b=12、18和24mm时，GSM频段的平均PIM值分别为151.36dBc，157.24dBc和 169.53dBc。我们设置输入功率为2×43dBm，每隔2小时进行一次测量，测量3次。测量可重复 性为±2dB，最大测量不确定性为±1dB。测量结果符合表1中的假设，我们认为测试结果非常好。 表2将实验（图7和8）和理论（表1和图4）结果相比较。 表2 实验（图7和图8）和理论（表1和图4）结果的比较 Inner/Outer Radius 理论 l实验 (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 我们认为理论与实验所得的PIM功率的差别是由于滤波器插入损耗的差别造成的。以6/12 腔体滤波器为例，PIM功率和插入损耗的关系是非常明显的（见表2）。 V. 结论 本文解释了控制介质