CN106156440B - 一种快速确定腔体滤波器无源互调电平的方法 - Google Patents

一种快速确定腔体滤波器无源互调电平的方法 Download PDF

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Abstract

一种快速确定腔体滤波器无源互调电平的方法，首先将腔体滤波器接触部位进行等分，在两个载波频率处进行两次频域电磁场仿真，分别获得接触部位的表面电流。然后结合接触电阻确定接触部位每部分的电压降，根据接触部位非线性电流电压特性确定每部分的非线性电流。最后以该非线性电流为激励，在无源互调频率处进行电磁场仿真，最终确定出腔体滤波器端口无源互调功率电平，从而实现腔体滤波器无源互调电平的快速确定。本发明方法解决了腔体滤波器无源互调仿真的问题，可在滤波器设计阶段，有效仿真优化其无源互调性能。

Description

一种快速确定腔体滤波器无源互调电平的方法
技术领域
本发明属于微波部件无源互调领域，涉及一种确定腔体滤波器无源互调电平的方法。
背景技术
无源互调(Passive-Intermodulation，简称PIM)是指在大功率条件下，当输入两个或者两个以上载波时，由于微波无源部件的非线性导致载波信号相互调制，产生载波频率的组合产物落入接收通带内造成干扰的现象。当互调电平较低时，会使接收信号底噪抬高，使接收机信噪比降低，误码率升高；当互调电平进一步增高时，会影响整个通信系统的正常工作，被迫降低功率使用，或分通道使用；严重时互调产物将淹没接收信号，导致通道阻塞，通信中断，使整个系统处于瘫痪状态。因此无源互调效应是影响航天器载荷性能、高可靠性的重要因素。
目前对微波部件的无源互调特性只能在产品完成设计、加工、调试等全部环节后再进行测试验证，导致产品的无源互调性能无法保证，一旦无源互调性能不满足要求，则产品需要重新设计、加工、测试，有时甚至多次反复，因此无源互调性能已严重制约了低无源互调大功率微波部件的研制。如果在进行微波部件，特别是腔体滤波器设计阶段，就对大功率微波部件的无源互调特性进行有效的仿真评估，并针对仿真结果进行优化设计，就可以有效减少因无源互调电平不满足要求导致的反复，因此急需一种能够快速确定腔体滤波器无源互调电平的方法。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种快速确定腔体滤波器无源互调电平的方法，能够在电磁仿真结合接触结构非线性的基础上快速实现无源互调电平确定，有效解决了微波部件无源互调电平预估的难题。
本发明的技术解决方案是：一种快速确定腔体滤波器无源互调电平的方法，包括如下步骤：
(1)将腔体滤波器接触部位等分为N份，每部分接触部位的长度为L/N，L为接触部位外轮廓的周长，N为正整数；
(2)采用频域仿真工具，利用载波在f1频点处进行电磁场仿真，输入端口的输入功率为P1，记录接触部位每部分外轮廓的表面电流密度平均值J1(i)，利用载波在f2频点处进行电磁场仿真，输入端口的输入功率为P2，记录接触部位每部分外轮廓的表面电流密度平均值J2(i)，i＝1...N；
(3)计算两路载波功率分别为P1和P2时，流过接触部位每部分外轮廓的电流，其中I1(i)＝sqrt(P1)*L/N*J1(i)，I2(i)＝sqrt(P2)*L/N*J2(i)；
(4)测试获得接触部位整体接触电阻为R，并获得每部分接触部位的接触电阻为R*N；
(5)计算获得接触部位第i部分2t+1阶无源互调的非线性电流为：
Ip(i)＝J2t+1(i)*L*delta*ratioo/N
其中J2t+1(i)为接触部位第i部分2t+1阶无源互调对应的非线性电流密度，delta为无源互调频率fp的趋肤深度，ratioo为接触部位实际接触面积占名义接触面积的比例，fp＝m*f1-n*f2，m，n均为正整数；
其中t为正整数，s、l为整数，Ck为接触部位非线性电流电压关系多项式J＝C0+C1V+C2V2+C3V3+…+CkVk+...的系数，J为接触部位每部分外轮廓的表面电流密度，V为接触部位每部分外轮廓的电压，V＝[I1(i)+I2(i)]R*N。
(6)在频域仿真工具中，设置接触部位每部分的电流为Ip(i)，并设置相位均为0，在频点fp处进行电磁场仿真，记录腔体滤波器输入端口的功率，作为预测的无源互调功率电平。
所述的频域仿真工具包括但不限于Ansys HFSS、CST或者Feko。所述的无源互调频率fp为五阶。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明提供的快速确定腔体滤波器无源互调电平的方法，针对腔体滤波器的无源互调电平现阶段无法快速提前预估的工程难题，将待分析腔体滤波器的接触部位进行等分，分别在两个载波频率处进行两次频域电磁场仿真，获得接触部位每部分外轮廓的面电流密度平均值，然后结合接触电阻确定电压降，结合非线性电流电压关系确定激励无源互调的非线性电流，根据接触结构非线性电流电压关系，确定非线性电流，以接触部位每部分的非线性电流为激励在互调频率处进行电磁场仿真，获得的端口功率即为预测的无源互调功率电平值，基于该方法的计算结果与试验测量结果吻合良好，可以提前获知腔体滤波器的无源互调电平，为大功率产品设计阶段的无源互调特性评估提供了有效手段。
附图说明
图1为本发明方法的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的阐述。
如图1所示为本发明方法的流程图，由图1可知，本发明一种快速确定腔体滤波器宽功率变化范围高阶无源互调电平的方法，主要步骤如下：
(1)预先给定两路载波，频率分别为f1和f2，对应每路载波功率分别为P1和P2，互调频率为fp＝m*f1-n*f2，m，n均为正整数。
然后将腔体滤波器接触部位等分为N份，在此假设接触部位外轮廓周长为L，则每部分的长度为L/N；
(2)采用频域仿真工具(诸如Ansys HFSS等)在f1频点处进行电磁场仿真，输入端口的输入功率为P1，记录接触部位每部分外轮廓的表面电流密度平均值，记为J1(i)，i＝1...N；在f2频点处进行电磁场仿真，输入端口输入功率为P2，记录接触部位每部分外轮廓的表面电流密度平均值，记为J2(i)，i＝1...N；
(3)计算两路载波功率分别为P1和P2时，流过接触部位每部分外轮廓的电流：
I1(i)＝sqrt(P1)*L/N*J1(i)
I2(i)＝sqrt(P2)*L/N*J2(i)
(4)测试获得整体接触电阻为R，那么接触部位每部分的接触电阻为R*N；
(5)接触部位非线性电流电压关系多项式表示为
J＝C0+C1V+C2V2+C3V3+…+CkVk+…
其中，Ck为多项式系数，J为接触部位每部分外轮廓的表面电流密度，V为接触部位每部分外轮廓的电压，对于接触部位第i部分由欧姆定理可知，V＝[I1(i)+I2(i)]R*N。
结合二项式定理和三角函数公式可知接触部位第i部分2t+1阶无源互调对应的非线性电流密度为：
其中，t为正整数，s、l为整数。
由于无源互调的功率由低阶无源互调决定，因此取前两项即可。例如，接触部位第i部分5阶无源互调对应的非线性电流密度为：
那么对于接触部位第i部分2t+1阶无源互调的非线性电流为：
Ip(i)＝J2t+1(i)*L*delta*ratioo/N，i＝1...N
上式中delta为无源互调频率的趋肤深度，其中μ0为真空中磁导率，σ为表面材料的电导率；ratioo为接触部位实际接触面积占名义接触面积的比例，可根据测试接触压力P由Greenwood-Williamson接触模型确定。
(6)在频域仿真工具(如Ansys HFSS)中，接触部位每部分设置激励电流源电流幅度对应为Ip(i)，i＝1...N，设置其相位均为0，在频点fp处进行电磁场仿真，记录输入端口的功率，即为预测的无源互调功率电平。
实施例
此处以2阶的铝合金腔体滤波器为例来介绍本发明方法的实现过程，流程如图1所示。
(1)载波功率f1＝2.16GHz，f2＝2.21GHz，m＝3，n＝2，5阶无源互调频率fp＝2.06GHz，P1＝P2＝100W，将接触部位进行8等分，接触部位周长为L＝42.4e-3m，每部分的长度为5.3e-3m；
(2)采用频域仿真工具Ansys HFSS在2.16GHz处进行电磁场仿真，输入端口输入功率为100W，接触部位每部分外轮廓的表面电流密度平均值为：
J1＝[28.53,24.48,22.02,24.97,27.31,28.97,30.83,32.49]A/m
采用频域仿真工具Ansys HFSS在2.21GHz处进行电磁场仿真，输入端口输入功率为100W，接触部位每部分外轮廓的表面电流密度平均值为：
J2＝[25.71,23.64,21.97,22.83,24.12,25.04,26.54,27.98]A/m其中频率为2.21GHz时，接触部位第1等分部分的电流平均值为25.71A/m。
(3)计算流过接触部位每部分的电流
I1＝10*5.3e-3*J1
＝[1.51209000000000 1.29744000000000 1.167060000000001.32341000000000 1.44743000000000 1.53541000000000 1.633990000000001.72197000000000]A
I2＝10*5.3e-3*J2
＝[1.36263000000000 1.25292000000000 1.164410000000001.20999000000000 1.27836000000000 1.32712000000000 1.406620000000001.48294000000000]A
(4)接触电阻测量结果为R＝0.085Ω。
(5)对于铝合金接触非线性电流电压关系由固体物理的量子隧穿与热发射公式确定：
接触结构的隧穿电流Jtu(V)
接触结构的热发射电流Jth(V)
总的非线性电流J为
J＝Jtu(V)+Jth(V)
那么原理部分给出的非线性电流J与电压V的多项式表达式可以通过对上式进行7阶多项式拟合得到。
获得多项式系数C7到C1分别为：
C7＝9783.40849440100 C6＝-30002.7824708411
C5＝37274.9007004828 C4＝-22916.7777165486
C3＝7669.77310332370 C2＝-1179.71573092052
C1＝178.671552250219 C0＝-1.22749079356784
将铝合金的电导率σ＝3.816e7s/m，磁导率μ0＝4πe-7H/m，带入趋肤深度公式，获得delta＝1.75e-6m；接触压力测试结果为96MPa，根据压力可确定接触部位实际接触面积占名义接触面积的比例为ratioo＝0.0017。
确定接触部位每部分的非线性电流为Ip＝
[8.64464461528883e-07 4.04108409609768e-07
2.31744773794056e-07 3.95760784238477e-07
6.26128178987563e-07 8.52407050642317e-07
1.24273072778482e-06 1.72936821405910e-06]A
(6)在频域仿真工具Ansys HFSS中设置接触部位每部分的电流为Ip(i)，设置其相位均为0。在无源互调频点fp＝2.06GHz处进行电磁场仿真，记录输入端口的功率即为预测的无源互调功率电平为5.73e-016W＝-122.4194dBm。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种快速确定腔体滤波器无源互调电平的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将腔体滤波器接触部位等分为N份，每部分接触部位的长度为L/N，L为接触部位外轮廓的周长，N为正整数；
(2)采用频域仿真工具，利用载波在f1频点处进行电磁场仿真，输入端口的输入功率为P1，记录接触部位每部分外轮廓的表面电流密度平均值J1(i)，利用载波在f2频点处进行电磁场仿真，输入端口的输入功率为P2，记录接触部位每部分外轮廓的表面电流密度平均值J2(i)，i＝1...N；
(3)计算两路载波功率分别为P1和P2时，流过接触部位每部分外轮廓的电流，其中I1(i)＝sqrt(P1)*L/N*J1(i)，I2(i)＝sqrt(P2)*L/N*J2(i)；
(4)测试获得接触部位整体接触电阻为R，并获得每部分接触部位的接触电阻为R*N；
(5)计算获得接触部位第i部分2t+1阶无源互调的非线性电流为：
Ip(i)＝J2t+1(i)*L*delta*ratioo/N
其中J2t+1(i)为接触部位第i部分2t+1阶无源互调对应的非线性电流密度，t为正整数，delta为无源互调频率fp的趋肤深度，ratioo为接触部位实际接触面积占名义接触面积的比例，fp＝m*f1-n*f2，m，n均为正整数；
(6)在频域仿真工具中，设置接触部位每部分的电流为Ip(i)，并设置相位均为0，在无源互调频率fp处进行电磁场仿真，记录腔体滤波器输入端口的功率，作为预测的无源互调功率电平。
2.根据权利要求1所述的一种快速确定腔体滤波器无源互调电平的方法，其特征在于：所述的J2t+1(i)的表达式为：
其中t为正整数，s、l为整数，Ck为接触部位非线性电流电压关系多项式J＝C0+C1V+C2V2+C3V3+...+CkVk+...的系数，J为接触部位每部分外轮廓的表面电流密度，V为接触部位每部分外轮廓的电压，V＝[I1(i)+I2(i)]R*N。
3.根据权利要求1或2所述的一种快速确定腔体滤波器无源互调电平的方法，其特征在于：所述的频域仿真工具包括但不限于Ansys HFSS、CST或者Feko。
4.根据权利要求1或2所述的一种快速确定腔体滤波器无源互调电平的方法，其特征在于：所述的无源互调频率fp为五阶。
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