陳 雄，羅 宇，馬凱學(xué)，賀永寧

(1.天津大學(xué)，天津 30072；2.西安交通大學(xué)，西安 710049)

0 引言

無(wú)源互調(diào)(PIM)是在高功率激勵(lì)情況下由于微波無(wú)源器件微弱非線性產(chǎn)生的混頻干擾現(xiàn)象，其普遍存在于濾波器、耦合器、功分器等無(wú)源器件。目前關(guān)于無(wú)源互調(diào)效應(yīng)檢測(cè)與研究，工程上常采取產(chǎn)品檢測(cè)篩選的方法來(lái)避免無(wú)源互調(diào)危害，這使得互調(diào)檢測(cè)設(shè)備成為確保無(wú)源互調(diào)指標(biāo)的關(guān)鍵一步。傳統(tǒng)的無(wú)源互調(diào)測(cè)試準(zhǔn)確度的評(píng)估依賴于單值反射互調(diào)的校驗(yàn)式測(cè)試，依據(jù)目前僅有的IEC 62037無(wú)源互調(diào)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，該種校準(zhǔn)僅僅只能評(píng)估在校準(zhǔn)源標(biāo)稱值下的測(cè)試狀態(tài)誤差水平[1，2]，并不能實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀器整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的誤差評(píng)估和修正。目前關(guān)于互調(diào)測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)技術(shù)研究較少，業(yè)界公知的方法為將互調(diào)測(cè)試系統(tǒng)的載波輸出端口直接短接到線性低互調(diào)負(fù)載并以此時(shí)系統(tǒng)顯示互調(diào)值作為系統(tǒng)低噪。該方法雖然一定程度上能確定測(cè)試系統(tǒng)的自身互調(diào)水平，卻并不能評(píng)價(jià)測(cè)試系統(tǒng)在不同的測(cè)試區(qū)間的測(cè)試準(zhǔn)確度，已逐漸不適應(yīng)日益增長(zhǎng)且復(fù)雜化的PIM測(cè)試需求[3]。為解決針對(duì)該類問(wèn)題，動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)成為當(dāng)前熱門方向。關(guān)于動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)中至關(guān)重要的動(dòng)態(tài)參考源技術(shù)涌現(xiàn)出很多新的技術(shù)嘗試[4，5]。

在已被公開的可調(diào)無(wú)源互調(diào)標(biāo)準(zhǔn)源中，較為常見(jiàn)的方法是基于接觸可調(diào)節(jié)的連接器，通過(guò)調(diào)節(jié)連接處壓力來(lái)產(chǎn)生標(biāo)定PIM值[4]。該類實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，同時(shí)也存在接觸結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致基于該種非線性的互調(diào)源設(shè)計(jì)具有較大隨機(jī)性，也即不可預(yù)測(cè)的非線性強(qiáng)弱。相比之下，基于輻射空間中的非線性干擾效應(yīng)，文獻(xiàn)[5]提出了一種基于二極管輻射PIM的天線式PIM發(fā)生器。該種方法使用二極管作為非線性強(qiáng)源，通過(guò)改變二極管所處的電磁輻射環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)特定PIM參考電平，但該種方法為實(shí)現(xiàn)可控的非線性發(fā)生，必須使空間中的二極管非線性成為唯一非線性源，由此該種非線性源必須屏蔽測(cè)試環(huán)境中其他潛在非線性干擾，這就使得屏蔽空間實(shí)現(xiàn)該種可控非線性的必要條件，因此為實(shí)現(xiàn)該種可控非線性，暗室成為該種非線性源特有結(jié)構(gòu)之一。由此，該類非線性源的便捷性受到制約，并不適合所有的PIM測(cè)試場(chǎng)合。

基于上述事實(shí)，本文通過(guò)對(duì)主流的無(wú)源互調(diào)發(fā)生原理進(jìn)行分析，提出了一種基于雙向耦合回路的雙端口可調(diào)互調(diào)源用于PIM測(cè)試儀器的校準(zhǔn)。相比于傳統(tǒng)已有方案，本方案可實(shí)現(xiàn)雙向同時(shí)調(diào)節(jié)功能，在未來(lái)潛在應(yīng)用中將為互調(diào)測(cè)試儀器校準(zhǔn)提供技術(shù)參考。該方案通過(guò)相應(yīng)的同軸至微帶及波導(dǎo)至微帶轉(zhuǎn)換器，可廣泛適用于同軸及波導(dǎo)PIM測(cè)試系統(tǒng)。

1 電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

在射頻電路中應(yīng)用較多的肖特基二極管是一種利用金屬接觸界面勢(shì)壘實(shí)現(xiàn)強(qiáng)非線性效應(yīng)的接觸結(jié)。該種非線性結(jié)具有較低的正向開啟電壓及微弱的少數(shù)載流子存儲(chǔ)效應(yīng)，在混頻器、倍頻器中經(jīng)常被作為理想的非線性頻譜發(fā)生器件。關(guān)于該種非線性器件導(dǎo)致的混頻效應(yīng)已經(jīng)有較多方法[6，7]，而本文工作則是基于偏置可控的二極管，結(jié)合雙向的功率偶和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)可調(diào)的雙向PIM參考。

如圖1所示，所提出結(jié)構(gòu)主要包含兩部分，第一部分為雙向的功率分配網(wǎng)絡(luò)，擬使用基于耦合器組成的雙向偶合網(wǎng)絡(luò)。如圖1中的基本信號(hào)流圖所示，輸入載波信號(hào)首先饋入到雙向的功率合成網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)過(guò)功率衰減后激勵(lì)二極管以達(dá)到合適的PIM幅值。二極管產(chǎn)生的PIM信號(hào)沿著反向路徑到達(dá)功率分配網(wǎng)絡(luò)輸入和輸出端形成雙向互調(diào)參考，其中沿著載波方向的可以被認(rèn)為是傳輸互調(diào)參考，而沿著反向載波方向的成為反射互調(diào)參考?；谏鲜鐾?fù)?，所?shí)現(xiàn)的兩種互調(diào)源結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 兩種可調(diào)互調(diào)參考源結(jié)構(gòu)框架

圖2 兩種可調(diào)互調(diào)參考源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及實(shí)物圖

對(duì)照該實(shí)物結(jié)構(gòu)，兩種電路結(jié)構(gòu)的信號(hào)流圖如圖3所示，其中(a)結(jié)構(gòu)為基于耦合三線和平行線耦合器組合實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)潔版雙向參考互調(diào)源[8]。(b)結(jié)構(gòu)為基于四個(gè)平行線耦合線的雙向可調(diào)互調(diào)源[9]。相比于(a)結(jié)構(gòu)，(b)結(jié)構(gòu)通過(guò)將四個(gè)平行線耦合器對(duì)置放置，也即隔離端口連接，可增加左右傳輸和反射互調(diào)之間的隔離，從而傳輸和反射互調(diào)參考信號(hào)之間更加獨(dú)立。尤其針對(duì)四個(gè)耦合器方案，由于該結(jié)構(gòu)采用了對(duì)稱耦合器布局，雙向互調(diào)信號(hào)從二極管出來(lái)后的傳播路徑并不會(huì)有任何的交叉，從而避免了互調(diào)信號(hào)的二次疊加合成，進(jìn)而保證了雙向信號(hào)之間的獨(dú)立性，保證了傳輸和反射互調(diào)一致性。

如圖3中所示，無(wú)論耦合器如何排列，其最終效果依然是使得載波饋入功率衰減，進(jìn)而通過(guò)不同的耦合器組合可實(shí)現(xiàn)不同的載波饋入，進(jìn)而改變參考互調(diào)的可調(diào)范圍。該方案可面向不同應(yīng)用需求提供多種備選方案。

圖3 兩種電路結(jié)構(gòu)的信號(hào)流圖

2 測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果

在實(shí)際的方法驗(yàn)證和設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，為驗(yàn)證兩種不同可調(diào)區(qū)間且考慮不同介質(zhì)板的經(jīng)濟(jì)成本，選取了兩種方案，其中設(shè)計(jì)可調(diào)PIM幅值整體較大的參考源制作在普通的玻璃纖維介質(zhì)板上，并將可調(diào)PIM幅值整體較小的制作在低PIM介質(zhì)板(Rogers 4730JXR)介質(zhì)板。采用兩種互調(diào)測(cè)試頻率如下F1=2.62 GHz & F2=2.69 GHz /PIM3=2.55 GHz，F(xiàn)1=728 MHz & F2=746 MHz /PIM3=710 MHz。

針對(duì)基于耦合三線的第一種參考源的PIM測(cè)試結(jié)果如圖4所示，其中圖4(a)為反射互調(diào)，圖4(b)為正反互調(diào)差別。第二種基于四個(gè)耦合器結(jié)構(gòu)的PIM測(cè)試結(jié)果如圖5所示，其中圖5(a)為700 MHz下測(cè)試結(jié)果，圖5(b)為2.6 GHz下測(cè)試結(jié)果。通過(guò)兩種結(jié)構(gòu)的S參數(shù)對(duì)比，結(jié)果證明第一種結(jié)構(gòu)的端口駐波只能在第一級(jí)耦合器的中心頻率(設(shè)計(jì)2.6GHz)附近保持小于1.5；而第二種結(jié)構(gòu)由于使用了耦合器級(jí)聯(lián)，其載波傳輸特性近似為一條寬帶傳輸線，其可以工作在從0.3GHz到3GHz之間，為一個(gè)寬帶的可調(diào)互調(diào)源。

(a) (b)

(a)

(b)

通過(guò)對(duì)比兩種互調(diào)源可以發(fā)現(xiàn)，基于Rogers 4730JXR低互調(diào)介質(zhì)板制作電路可使得可調(diào)互調(diào)源底噪降低至低PIM介質(zhì)板自身互調(diào)底噪水平[10]。與此同時(shí)，由于雙向通道之間的隔離不同，兩種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)的傳輸和反射互調(diào)差異也不相同。其中基于四個(gè)耦合器的方案?jìng)鬏敺瓷浠フ{(diào)差值可以小于1dB，而基于耦合三線的方案最大的差別達(dá)到8dB。

3 結(jié)論

本文提出了兩種基于偏置二極管實(shí)現(xiàn)的可調(diào)互調(diào)參考源，兩種互調(diào)參考源的動(dòng)態(tài)范圍分別達(dá)到了50dB和30dB，其面積分別為4cm×6cm和8cm×12cm。通過(guò)使用低互調(diào)介質(zhì)板，互調(diào)參考源的互調(diào)底噪得到進(jìn)一步優(yōu)化，與此同時(shí)再通過(guò)對(duì)置放置的耦合結(jié)構(gòu)，傳輸和反射互調(diào)一致性也優(yōu)化到1dB以內(nèi)。在使用過(guò)程中，由于本互調(diào)參考源使用偏置電壓來(lái)調(diào)節(jié)，這也使得基于該種電路結(jié)構(gòu)后期可以增加自動(dòng)的控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)與互調(diào)測(cè)試儀器聯(lián)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的互調(diào)校準(zhǔn)。這將在提高無(wú)源互調(diào)測(cè)試準(zhǔn)確度的同時(shí)，進(jìn)一步提高互調(diào)測(cè)試效率。