CN107302404B - 基于方同轴结构的近场耦合无源互调测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于方同轴结构的近场耦合无源互调测试装置，本发明是在常规PIM测试方法的基础上，在测试系统中加入方同轴结构的近场耦合PIM测试装置，实现近场耦合PIM测试功能。包括不同形状的带开缝的方同轴结构，低PIM接头以及缝隙尺寸及分布的优化方法。本发明能够用来评估微波部件材料非线性和接触非线性的大小，为微波部件低PIM设计和工艺控制提供指导，为生产环节中PIM来源提供检测方法，提高产品良率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于方同轴结构的针对微波部件金属连接结的近场耦合无源互调测试装置及测试方法，属于无源互调测试技术领域。
背景技术
无源互调(Passive Inter-Modulation，简称“PIM”)是指两个或更多的不同频率的载波信号通过非线性无源器件所引起的对系统的额外干扰信号。在无线通信系统中，常见非线性无源器件有双工器、天线、馈线、射频线连接头等。如果这些互调失真信号落入接收频带内，且功率超过系统中的有用信号的最小幅度，则会使接收信号的信噪比下降，使接收机的灵敏度降低甚至无法正常工作，严重影响通信系统的容量和质量。随着通信系统的发展和系统质量的提高，对器件无源互调的测量越来越受到重视。
目前PIM产物的主要测试方法是让43dBm(20W)的载波信号激励待测件，然后测量无源互调值。因为微波的特殊性，待测件多以完整的成品出现，只有当部件加工完成并装配后，才能进行检测。对于腔体器件，待测件成为一个黑盒子，潜在的PIM故障点存在于待测件内部。对于天线，需要在开阔的低PIM暗室中测试，而天线收发系统自身体积也较大。这些方法都只能评判器件PIM合格率，但不利于器件的PIM故障诊断。
影响无源器件PIM水平的因素很多，包括内部结构的细微形变，热胀冷缩，表面空气氧化等因素。为了提高器件的PIM水平，需要在研究中同时调控多种物理因素。如果不能将各个物理因素对器件的PIM影响进行单一控制，就会增加器件PIM性能的改进成本与设计周期。由于PIM的来源多种多样，整体检测很难给出PIM具体来源，并且一旦产品PIM不合格，无法进行返工，因此急需一种能够在生产工艺过程中对原材料以及半成品PIM来源检测的技术方法，使得待测件无需具备微波特性、以样片形式存在即可。目前，被IEC、中国无线电管理委员会、泰尔实验室认可的标准的PIM测试方法，主要分为腔体类PIM测试和辐射类PIM测试。腔体类PIM测试的待测件是制成封闭金属腔体并保持与系统的阻抗匹配，辐射类PIM测试的待测机是制成阻抗匹配的天线，并在低PIM环境下(如低PIM暗室)进行测试。
标准PIM测试方法的一个主要问题，是只体现了信号对系统的影响，但却没有测到温度、压力等任意物理量在微观尺度上的改变或者分布规律。事实上，金属接触界面的PIM产物与多种因素相关，例如金属接触面的粗糙度、镀层厚度、金属在特定压强下的微观形变特性，以及器件在工作中，环境温度、机械振动对金属接触面的影响等。为了验证各类数学模型的正确性，常希望尽可能的控制其他变量带来的干扰，得到近似的单一变量实验测试结果。
对于工厂，生产环节的误差会导致产品的合格率受到严重影响。但是PIM测试只能告诉结果，不能指出原因。为了找出发生故障的位置，发展出了辅助的PIM定位技术，但定位精度只缩小到半米的范围内，对于复杂的微波部件而言，定位还需要进一步提升。
对于产品研发，由于PIM的特性难以精确仿真计算，导致产品的研发周期延长。一旦产品出现PIM问题，就必须基于PIM测试的方法找出可能影响PIM规律的物理因素。但是单一物理条件的PIM测试还不够精确。对于腔体器件，金属接触的界面处于腔体内部，外界的影响十分有限，限制了单一物理条件的控制精度；对于天线单元，需要在整个暗室空间内保持低PIM环境，许多测试仪器自身就会带来严重的PIM产物，对测试形成干扰。
本发明基于方同轴结构，利用外腔开缝的近场耦合特性，提供了一种利于PIM实验研究的宽带范围内的PIM测试方法。该方法综合了腔体PIM测试与辐射PIM测试的特点，使得PIM测试的样品无需考虑器件阻抗匹配的同时，还处于微波器件外部。该测试方法既能实现环境条件的精确控制，也能降低电磁场的辐射距离，减小待测件尺寸。结合方同轴结构的宽频带特性，可将一个方同轴结构PIM工装用于多频段的PIM测试。这种测试方法弥补了现有方法无法进行单一物理条件精确控制的弊端，提高了研究效率，有效提高PIM的测试效率,因此具有很强的应用潜力。
发明内容
本发明内容的目的在于，提供一类基于方同轴结构的近场耦合PIM测试装置，可以实现宽频的近场耦合PIM测试。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于方同轴结构的近场耦合无源互调测试装置，由内导体、外导体、圆环形介质、方孔形介质、缝隙以及螺钉组成，外导体一端为L29-k型号的接头，另一端与外导体二连接，圆环形介质和方孔形介质共同固定腔体中的内导体，外导体二上设置有缝隙。
外导体二的内壁和内导体的截面均为正方形，其内外边长比为：L内:L外＝2:5，其中L内为内导体边长，L外为外导体二内壁边长，缝隙7的开缝方向与内导体长度方向垂直。
外导体二和内导体的长度为测试中最低频率的载波波长的一倍以上。
缝隙的长宽比为：L缝隙:W缝隙>10，缝隙的长度要求为：L缝隙<c/(4fmax)，其中c为光速，fmax为PIM测试中的最高频率。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的一系列基于方同轴结构的近场耦合PIM测试装置类型，均可结合近场耦合PIM测试的优点，在DC到3.4GHz或者更高的宽频范围内(频率上限可以根据设计参数进行调节)，实现了PIM测试中在线更换待测样、在线校准PIM测试系统，根据实际需求设计复杂弯曲形状的、任意长度的、多缝隙排列的方同轴近场耦合PIM测试装置，从而精确控制DUT的多物理环境，提高PIM诊断效率。为微波部件低PIM设计和工艺控制提供指导，为生产环节中PIM来源提供检测方法，提高产品良率。
附图说明
图1为方同轴结构近场耦合PIM测试装置的低PIM接头结构侧视图；
图2为缝隙结构的俯视图；
图3为直线型方同轴结构近场耦合PIM测试装置的截面图；
图4为直线型方同轴结构近场耦合PIM测试装置的S参数；
图5为PIM实测中使用的开缝金属样片与样品；
图6为700MHz频段的PIM实测结果；
图7为800MHz频段的PIM实测结果；
图8为900MHz频段的PIM实测结果；
图9为1800MHz频段的PIM实测结果；
图10为2100MHz频段的PIM实测结果；
图11为2600MHz频段的PIM实测结果。
具体实施方式
基于本发明提出的设计方法，可以设计一系列不同外形尺寸的方同轴结构的近场耦合PIM测试装置。需要强调的是，本发明提出的设计方法，不仅限于这两种具体测试装置，还包括一系列该类型的方同轴结构近场耦合PIM测试装置。下面以直线型和U型这两种典型的方同轴结构近场耦合PIM测试装置为例，分别介绍这两种测试装置的具体实施过程及使用方法。
1)直线型方同轴结构近场耦合PIM测试装置的尺寸参数如下：
如图1所示，方同轴主体部分由正方形截面的内导体3和外导体二6组成，在外导体二6开横缝形成近场耦合，用于探测DUT的PIM。根据测试需要，可以平行地开多个缝隙。
低PIM的接头部分，由内导体3、外导体2、圆环形介质4、方孔形介质5、以及螺钉1组成。外导体2一端为L29-k型号，另一端加工成高压法兰面，用来与外导体二6形成低PIM连接。圆环形介质4和方孔形介质5共同负责固定内导体3在腔体中的位置，方孔形介质5还用来确保内导体3与外导体6的平行度。
材料和镀层方面。内导体3为铍青铜材质，外导体2和外导体二6为黄铜；镀银为3到5微米，表面钝化。圆环形介质4和方孔形介质5均为聚四氟乙烯(PTFE)。
2)U型方同轴结构近场耦合PIM测试装置的尺寸参数如下：
U型方同轴装置的端口工艺参数、材料和镀层参数都与直线型方同轴装置的相同。二者主要区别为U型方同轴装置是根据测试需要，将方同轴结构弯曲成U形，利于实际测试的探测需要。
内导体3依然为一体化加工，而方同轴外导体二6则在缝隙附近由两部分组成，其连接面采用高压法兰的形式进行连接以保持低PIM性能。
3)方同轴结构近场耦合PIM测试装置的使用方法(以直线型为例)：
低PIM端口装配时，4个M3螺钉1应该逐渐轮流加力，确保外导体2与外导体二6连接面受力均匀。加工并装配好该PIM测试装置以后，用封口胶保护缝隙及其内部结构不被环境腐蚀。
进行网分测试，测得直线型方同轴结构近场耦合PIM测试装置在DC到3.1GHz范围内，S11<-20dB，S21<-0.1dB(图4)。说明在该宽频范围内，载波功率既没有反射超标，也没有辐射超标，可以近似认为载波功率完全被低PIM负载吸收。将DUT放在缝隙表面上，DUT中的金属接触面正好位于缝隙上方，观察到DUT对S11<-20dB，S21<-0.1dB的扰动忽略不计,说明可以对该DUT进行PIM测试。
在PIM实测中，将直线型方同轴结构近场耦合PIM测试装置接入PIM测试系统，在无DUT放置的情况下，将系统的剩余互调调整到-120dBm@2×43dBm以下。使用清洗过的铝合金开缝金属样片8与样品9块搭接形成金属接触结作为DUT，使用厚度为1mm的玻璃板10作为隔离层放在缝隙表面，防止DUT与PIM测试装置形成金属接触，并作为相对平整的支撑面,DUT放在缝隙上方的玻璃板10上面进行测试。当去除金属样块8时可测到系统的剩余互调用于校准(图5)。需要注意的是，实测中并没有准确的控制金属结的接触压力等物理状态，所以会产生浮动较大的PIM信号，属正常情况。测试所用的6个频段的PIM测试系统频率参数如表1所示。相应的测试结果如图6-11所示。实测表明，在PIM测试的过程中，DUT可在线更换，系统的剩余互调可在线校准。结合精密的控制仪器可实时改变DUT的物理状态，从而实现高精度的PIM实验研究。
表1 六个PIM测试频段的载波和三阶PIM的频率点
Claims (4)
1.基于方同轴结构的近场耦合无源互调测试装置，其特征在于，由内导体(3)、外导体(2)、外导体二(6)、圆环形介质(4)、方孔形介质(5)、缝隙(7)以及螺钉(1)组成，外导体(2)一端为L29-k型号的接头，另一端与外导体二(6)连接，圆环形介质(4)和方孔形介质(5)共同固定腔体中的内导体(3)，外导体二(6)上设置有缝隙(7)。
2.根据权利要求1所述的基于方同轴结构的近场耦合无源互调测试装置，其特征在于，外导体二(6)的内壁和内导体(3)的截面均为正方形，其内外边长比为：L内:L外＝2:5，其中L内为内导体边长，L外为外导体内壁边长，缝隙(7)的开缝方向与内导体(3)长度方向垂直。
3.根据权利要求1所述的基于方同轴结构的近场耦合无源互调测试装置，其特征在于，外导体二(6)和内导体(3)的长度为测试中最低频率的载波波长的一倍以上。
4.根据权利要求1所述的基于方同轴结构的近场耦合无源互调测试装置，其特征在于，缝隙的长宽比为：L缝隙:W缝隙>10，缝隙的长度要求为：L缝隙<c/(4fmax)，其中c为光速，fmax为PIM测试中的最高频率。
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