1、几种典型微波器件 的无 源互 调 测试和分析 叶鸣，贺永宁 西安交通大学电信学院微电子学系 yeming_ 2015年06月 中国移动通信无源互调研讨会 2015年6月 西安 目录 1. 引言 2. 几种典型微波器件的PIM 测试与分析 1. 2.1 S波段波导同轴转 接器 2. 2.2 微带线 3. 2.3 N型同轴连接器的 串联 4. 2.4 金属接触紧固度对PIM 的影 响 5. 2.5 载波功率对PIM 的 影响 6. 2.6 PIM的相位测量 3. 结语 2 引言：无源互调（PIM ）的 定义 具有非线性特性的电路、 器件等， 在 多信号（2 个及以上 ） 激励下， 产生与激 励信号
2、频率不同的新信号的现象称为互 调现象。 依据产生互调的器件是有源器件还是 无源器件， 可将互调细分为有源互调 （ 放大器） 和 无源互调 （ 微带、 同轴、 波导等）。 3 引言：无源互调的研究 现状 PIM 产生的非线性机理仍然缺 乏清楚 的理解 材料非线性：PCB 的金属、介质 接触非线性：PCB 金属- 介质界面、焊接 PIM 测试系统的复杂性及高成 本 常规测试：高灵敏度、多频段 环境测试：温度循环 已经引起国内产业界的广泛 关注 产业界：更关注测试和低PIM 电路实现 学术界：更关注产生机理及理论预测 二者结合：理论vs.实践 4 目录 1. 引言 2. 几种典型微波器件的PIM 测
3、试与分析 1. 2.1 S 波段波导同轴转 接器 2. 2.2 微带线 3. 2.3 N型同轴连接器的 串联 4. 2.4 金属接触紧固度对PIM 的影 响 5. 2.5 载波功率对PIM 的 影响 6. 2.6 PIM的相位测量 3. 结语 5 S波段波导同轴转换器 研究动机 为实验研究波导法兰 接触面PIM 提供条件 （商用化PIM 测试系 统一般是同轴接口） 为接触非线性PIM 机 理研究提供实验支撑 6 要求PIM电平比DUT 至少低10dB 待测法兰面S波段波导同轴转换器 研究方法 对常规波同转换的 PIM 特性进行分析 对常规波同转换进 行改良以减小PIM 设计并实现低PIM 波同
4、转换 7 60dB 原始转换 器 低PIM转换器 S波段波导同轴转换器 采取的改良措施 同轴连接器的外导体由镀镍改为镀三元合金 同轴探针与调谐柱的连接由螺接改为一体化加工 同轴连接器的外导体与波导的连接由螺接改为法 兰连接 同轴连接器内导体由镀金改为镀银 8 叶鸣 ，吴驰，贺永宁，张鹤，陶长英，邹小芳. S波段波导同轴转换器的无 源互调特性实验研究. 电波科学学报，2015,30(1):183-187. 目录 1. 引言 2. 几种典型微波器件的PIM 测试与分析 1. 2.1 S波段波导同轴转 接器 2. 2.2 微带线 3. 2.3 N型同轴连接器的 串联 4. 2.4 金属接触紧固度对P
5、IM 的影 响 5. 2.5 载波功率对PIM 的 影响 6. 2.6 PIM的相位测量 3. 结语 9 微带线PIM研究：理论 电阻的温度效应 ( ) 0 1 in P R in PT =+ ( ) ( ) ( ) , , I xt U xt C GU x t xt = + ( ) ( ) ( ) ( ) , , U xt I xt L R I I xt xt = + 微带线几何物理模型 非线性传输线方程： ( ) ( ) ( ) 2 2, 1,1 2 2 0 2, 1 2 V Ux Px R Z = 无源互调： 2 R0 00 R ZAT f = 10 金属、介质材料特性，粗糙度 微带线P
6、IM研究 ： 理论 基 于 电热 耦合 效应 的微 带线 无源 互调 机理 研究 叶鸣，贺 永宁 等； 基于电 热耦合 效应的微 带线无 源互调 机理研究 ，电波 科学学 报，2013,28(2):1-6. 不同金属 基于电热耦合理论 的 分析表明：金属电 阻率 温 度系数的减小，有 利于 改 善PIM性能。 11 金属、介质材料特性，粗糙度 微带线PIM研究 ： 理论 基 于 电热 耦合 效应 的微 带线 无源 互调 机理 研究 叶鸣，贺 永宁 等； 基于电 热耦合 效应的微 带线无 源互调 机理研究 ，电波 科学学 报，2013,28(2):1-6. 不同介质 基于电热耦合理论 的分 析表
7、明：介质热导 率的 提 高，有利于改善PIM性 能。 12 金属、介质材料特性，粗糙度 微带线PIM研究 ： 理论 基 于 电热 耦合 效应 的微 带线 无源 互调 机理 研究 叶鸣，贺 永宁 等； 基于电 热耦合 效应的微 带线无 源互调 机理研究 ，电波 科学学 报，2013,28(2):1-6. 粗糙度 基于电热耦合理论 的分析表明：金属 表面 粗糙度的减小，有 利于 改善PIM性能。 13 微带线PIM研究：实验 叶鸣、肖 怡，等. 微 带传输 线的无 源互调效 应实验 研 究. 电 波科学 学报，2014,29(3):471-475. 介质板 # 介质材料 介电常数 金属层厚度 /m
8、m 板厚度 /mm 热导率/ （Wm -1 -1 ） 1 TP-2 16.0 0.018 4.0 0.58 2 F 4 BM-2 3.5 0.036 1.5 0.93 3 F 4 BM-2 2.2 0.036 1.0 0.93 介质板# line-1 line-2 line-3 1 138.5 170.0 218.5 2 300.0 378.5 578.5 3 300.0 578.5 - 覆铜板参数 微带线长度 微带线实物 14 微带线PIM研究：实验 微带线长度越长、 馈入载频信号功率越 大，PIM电平越高； 载频频率也呈现出一 定影响，但规律不明 显。 1#板 叶鸣、肖 怡，等. 微 带传
9、输 线的无 源互调效 应实验 研 究. 电 波科学 学报，2014,29(3):471-475. 15 微带线PIM研究：实验 2#板 叶鸣、肖 怡，等. 微 带传输 线的无 源互调效 应实验 研 究. 电 波科学 学报，2014,29(3):471-475. 微带线长度越长、 馈入载频信号功率越 大，PIM电平越高； 900MHz时的PIM高于 1800MHz。 16 微带线PIM研究：实验 3#板 叶鸣、肖 怡，等. 微 带传输 线的无 源互调效 应实验 研 究. 电 波科学 学报，2014,29(3):471-475. 微带线长度越长、 馈入载频信号功率越 大，PIM电平越高； 900M
10、Hz时的PIM高于 1800MHz。 TP-2的PIM明显劣 于F 4 BM-2。 电热耦合理论无 法解释PIM对频段的 依赖性（介质非线性? 界面？）。 17 微带线PIM研究：展望 介质的介电常数随着场强发生变化： 3 01 03 DEE = + ( ) ( ) 1 12 2 sin sin EE t E t = + 2 03 1 2 3 4 PIM D EE = 双载频激励信号： PIM信号的产生： 介质非线性： 接触非线性： “金属-介质”界面 讨论：可以分别研究介 质、金属特性对PIM的影响， 包括：金属材料、厚度、 表面粗糙度；介质材料、 添加剂、厚度。 18 目录 1. 引言 2
11、. 几种典型微波器件的PIM 测试与分析 1. 2.1 S波段波导同轴转 接器 2. 2.2 微带线 3. 2.3 N 型同轴连接器的 串联 4. 2.4 金属接触紧固度对PIM 的影 响 5. 2.5 载波功率对PIM 的 影响 6. 2.6 PIM的相位测量 3. 结语 19 N型同轴连接器的串联 20 研究动机 验证PIM 的点源模型 探索相位相消在PIM 抑制中的应用 理论分析 ( ) 1 exp 2 N IM n n n V V jl = = ( ) ( ) 2 2 1 1 exp 2 1 1 a a jNl N IM a a a jl n e VV jnlV e = = = 存在多
12、个非线性点源时： 非线性点源等幅、等间距分布 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 点源个数 互调幅度 分析表明：PIM幅度 随点源个数增加呈现 正弦式变化。 N型同轴连接器的串联 21 实验验证（900MHz ） 将普通N 型同轴转接器串联（表面镀镍） 观察串联个数对反射PIM 的影响 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 -165 -160 -155 -150 -145 -140 -135 -130 -125 -120Reflected PIM (dBc) Number of N t
13、ype connectorspredictedmeasured 22 22 20log 11 20log 20log 11 aa aa IM dBc c jNl jNl a jl jl c V PIM V V ee A Ve e = = = 目录 1. 引言 2. 几种典型微波器件的PIM 测试与分析 1. 2.1 S波段波导同轴转 接器 2. 2.2 微带线 3. 2.3 N型同轴连接器的 串联 4. 2.4 金属接触紧固度对PIM 的影 响 5. 2.5 载波功率对PIM 的 影响 6. 2.6 PIM的相位测量 3. 结语 22 金属接触紧固度对PIM 的影 响 23 研究动机 为研究接
14、触非线性提供实验支撑 为工程应用中力矩要求提供参考 理论分析 3 2 C j Z CF = 结阻抗与接触力间的关系 3 3 22 3 1, 1, 2 1 1 2 4 C PIM j j V CV V CI I C F = = 结阻抗与接触力间的关系 相对互调电平： 3 3 3 3 3, 6 1 2 1 3 612 7 1, 2, 8 10 1, 2, 11 20log 20log 20log 20log 20log 20log log log C PIM IM dBc C dBm dBm dBm dBm V P CIIF V CIIF CP P C F CP P C = = =+ =+ =+
15、表示同轴扭力矩 金属接触紧固度对PIM 的影 响 24 实验测试 DIN7/16 电缆组件、S 波段波同转换 （同轴段无介质） 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 -140 -120 -100 -80 -60PIM (dBm) 扭力矩 (N m )电缆组件A -1电缆组件A -2电缆组件A -3电缆组件B -1电缆组件B -2 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 -140 -120 -100 -80 -60PIM (dBm) 扭力矩 (N m )测试1测试2测试3拟合 电缆组件 波同转换 目录 1. 引言 2. 几种典型微波器件的PIM 测试与分析 1. 2.1 S波段
16、波导同轴转 接器 2. 2.2 微带线 3. 2.3 N型同轴连接器的 串联 4. 2.4 金属接触紧固度对PIM 的影 响 5. 2.5 载波功率对PIM 的 影响 6. 2.6 PIM的相位测量 3. 结语 25 载波功率对PIM 的 影响 26 研究动机 为探索互调机理提供实验参考 为PIM 电平实际现场评估提供依据 理论分析 , 1, 2, IM dBm dBm dBm P mP nP + , 0 1 1, 2 2, IM dBm dBm dBm P C CP CP = +载波功率对PIM 的 影响 27 测试方法 功率变化策略： 仅增P1 ；仅增P2 ；变化P1/P2 ；同增P1 、
17、P2 载波功率对PIM 的 影响 28 测试器件 Coupler Coaxial Adapter Microstrip Line 载波功率对PIM 的 影响 29 测试结果 0.1 1 10 -110 -105 -100 -95 -90 -85 -80 -75 -70 -65PIM (dBm) Power Ratiocoupler-measuredcoupler-fittedconnector-measuredconnector-fittedmicrostrip-measuredmicrostrip-fitted 18 23 28 33 38 43 48 -115 -105 -95 -85 -
18、75 -65PIM (dBm) carrier Power (dBm)coupler-measuredcoupler-fittedconnector-measuredconnector-fittedmicrostrip-measuredmicrostrip-fitted载波功率对PIM 的 影响 30 测试结果 18 23 28 33 38 43 48 -110 -105 -100 -95 -90 -85 -80 -75 -70PIM (dBm) carrier Power (dBm)coupler-measuredcoupler-fittedconnector-measuredconnect
19、or-fittedmicrostrip-measuredmicrostrip-fitted 18 23 28 33 38 43 48 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60PIM (dBm) carrier Power (dBm)coupler-measuredcoupler-fittedconnector-measuredconnector-fittedmicrostrip-measuredmicrostrip-fitted载波功率对PIM 的 影响 31 拟合结果及误差 DUT C 0C 1C 2(dB) coupler -161 1.472 0.637 1.6547
20、 connector -212 1.9650.7860.2631microstrip -212 1.825 0.762 0.5427 ( ) 2 , , 1 1 N IM dBm f IM dBm m n PP N = = 目录 1. 引言 2. 几种典型微波器件的PIM 测试与分析 1. 2.1 S波段波导同轴转 接器 2. 2.2 微带线 3. 2.3 N型同轴连接器的 串联 4. 2.4 金属接触紧固度对PIM 的影 响 5. 2.5 载波功率对PIM 的 影响 6. 2.6 PIM的相位测量 3. 结语 32 PIM的相位测量 33 研究动机 为探索互调机理提供实验参考 为相位相消原理
21、抑制PIM 提供依据 理论分析 ( ) ( ) , cos in k in k k k VtV t = + 0 N n out n in n V aV = = ( ) 2 3 1, 1, 2 1 2 1 2 12 cos 2 2 2 PIM in in V cV V = + 0 10 20 30 40 50 0 50 100 150 200 250 PIM3 ( o ) 1 ( o )PIM3PIM5PIM7PIM9PIM的相位测量 34 测量原理 没有使用相位可控信号源 仅通过幅度测量获得相位信息 combiner1 phase shifter duplexer DUT low PIM lo
22、ad combiner2 spectrum analyzer SG1 SG2 SG3 PA1 PA2 10 MHz Reference 1 2 3 3 1 3 3 cos 2 PIM SG s PIM SG c PIM SG PP P PP = = PIM的相位测量 35 移相器 通过介质微扰改变 微带线有效介电常 数，实现相移的连 续可调。 ,1 1 , r H ,2 2 , r H g Microstrip line overlay 0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 0 20 40 60 80 100( o ) g(mm)measuredsimulatedPIM的相位测量 36 测量
23、结果 微波隔离器：PIM3 0 20 40 60 80 100 -250 -200 -150 -100 -50 0 PIM3 ( o ) p1 ( o )test 1test 2fitting test 2fitting test 1 y=-164.2+1.82*x y=-205.1+2.21*x 0 20 40 60 80 100 -250 -200 -150 -100 -50 0 PIM3 ( o ) p2 ( o )test-1test-2fitting test-1fitting test-2 y=-144.1-0.96*x y=-33.3-0.93*xPIM的相位测量 37 测量结果
24、 微波隔离器：PIM5, PIM7 0 20 40 60 80 100 -130 -100 -70 -40 -10 20 PIM5 ( o ) p2 ( o )test-1test-2 fitting test-1fitting test-2 y=9.6+1.46*x y=38.8-1.46*x 0 20 40 60 80 100 -100 0 100 200 300 400 PIM7 ( o ) p1 ( o )test-1test-2 fitting test-1fitting test-2 y=3.77x-119.4 y=3.92x+5.0PIM的相位测量 38 测量结果 PIM3 PI
25、M5 PIM7 carrier1 carrier2 carrier 1 carrier 2 carrier1 carrier 2 theoretical 2 -1 3 -2 4 -3 Isolator 1.8/2.2 -0.93/- 0.96 2.95 -1.46 3.92 /3.77 -3.0 /-2.9 Filter -0.98 结语 1. PIM 的产生机理种类繁多、 分析复 杂 2. 接触非线性测量结果分散性较大 ， 需统计分 析；材料非线性相对较稳 定 3. PIM 研究交叉性强，需深入 的产学 研合作 4. 今后研究方向： 1. PIM 物理机制深入研究 2. PIM 相位特性及其应用研究 3. 多频段、调制波的PIM 研究 4. PIM 的统计分析 39 谢谢！ 特 别 感 谢 澳华测控 、 福州博 讯 通在 PIM 测试 方面给 予的无私帮助 ！ 40
