應用于航天器的低無源互調濾波器分析

王琪，崔萬照

中國空間技術研究院 西安分院 空間微波技術重點實驗室，西安 710100

20世紀60年代后期以來在人造衛(wèi)星、高功率地球站設備和地面微波系統(tǒng)中，都發(fā)現了無源互調。輕時會造成信道阻塞，嚴重時會造成衛(wèi)星失效。隨著航天技術的發(fā)展，一方面需要更多數量和更大功率的濾波器、多工器等，另一方面要求航天器體積小、質量小等，使得無源互調問題更加突出。由于材料的非線性或接觸的非線性輸入信號的不同頻率分量相互疊加出現的現象稱為無源互調(passive intermodulation，PIM)[1]。濾波器、多工器和饋源等都會產生無源互調，當互調產物較小且落入接收帶時會降低信噪比，誤碼率會相應提高。當無源互調較大時，會阻礙通信。因此對于濾波器、多工器和饋源等無源微波部件來說，無源互調是其重要指標，該指標的高低是影響航天器能否在軌正常工作的重要因素[2-6]。無源互調是兩個或多個信號通過無源器件時產生的。

多工器由濾波器和連接件組成，因此濾波器和連接件的無源互調高低決定多工器的無源互調。濾波器種類主要有：同軸腔體濾波器、波導腔體濾波器、微帶濾波器和介質濾波器等。對于同軸腔體濾波器而言，其波導法蘭連接面、調諧螺釘、耦合螺釘和表面鍍層等均是無源互調發(fā)生的主要位置。這些位置是連接處，而且調諧螺釘位于電場最強處，這是無源互調產生的最大因素。

在低頻段，如L頻段、S頻段和C頻段等通信系統(tǒng)中，要求濾波器損耗小的情況下，一般采用同軸腔體濾波器和介質濾波器。但由于介質濾波器對于溫度變化較為敏感以及散熱等因素，大多數情況下都會采用同軸腔體濾波器。這就導致無源互調成為最重要的指標之一。同軸腔體濾波器主要由連接器、蓋板、調諧螺釘、饋電桿、諧振桿和腔體等組成。由于這些部件無法一體化加工，因此不可避免地會有一些連接處，這些連接處是產生無源互調的主要因素。而電流密度較大的連接處是重要關注處，如諧振桿和腔體連接處。當連接面的平整度不好、鍍層厚度較小或出現毛刺沾污時會引起較大的無源互調[2-6]。

本文針對同軸濾波器產生無源互調的因素進行了研究。設計了一種同軸濾波器，使其無源互調主要產生于一個諧振桿和腔體連接處，方法如下：

1)改變該處的鍍層工藝，研究鍍層工藝對無源互調的影響規(guī)律；

2)讓無源互調主要產生于饋電處，研究插芯和饋電桿連接方式(介質隔離和焊接)對無源互調的影響規(guī)律；

3)最后，采用研究的規(guī)律和改進濾波器結構設計了一種低無源互調同軸濾波器，可以有效地抑制無源互調。

1 鍍層對無源互調的影響

在進行試驗之前需要對文中所采用的無源互調測試設備進行簡單介紹，該測試設備是目前國內高靈敏度的S頻段無源互調檢測設備。檢測設備輸入測試頻點為2.16 GHz，2.21 GHz。三階無源互調頻率為2.21 GHz，五階無源互調頻率為2.21 GHz。該系統(tǒng)的最大測試功率為200 W，可測試變溫下的無源互調，溫變范圍是-50～150 ℃。可進行反射法和傳輸法兩種方法檢測，本文采用的是反射法在常溫下進行測試。

本節(jié)主要設計了唯一PIM源的濾波器，采用該濾波器試驗研究了鍍層對無源互調的影響規(guī)律，對實際無源器件的表面電鍍處理有重要的指導意義。

1.1 試驗樣件設計

對于試驗樣件的設計，主要突出只在一個位置產生較大的無源互調，而避免其他位置產生無源互調。這樣可以對該位置進行表面鍍層處理和研究。在同軸濾波器中，諧振桿和腔體底面連接處電流密度較大，因此對其中一個諧振桿底面進行處理[7-9]。其他諧振桿和腔體一體化加工。

諧振器間的耦合通過開窗口的方法來實現，窗口越大耦合就越大[10-12]。由專用軟件可以計算出各個諧振器所需要的耦合大小，根據計算的耦合值采用下式計算，可以求得各個諧振器之間所需窗口大小的初始值：

(1)

式中：fm為偶模諧振頻率；fe為奇模諧振頻率。

輸入輸出饋電主要采用同軸連接器的插芯和饋電桿實現，饋電桿離諧振器越近，饋電耦合就越大。而同軸連接器的插芯和饋電桿的連接方式有兩種：介質隔離式和焊接式。本文研究了這兩種饋電方式對無源互調的影響規(guī)律，采用隔離式饋電方式的濾波器研究了鍍層對無源互調的影響規(guī)律。不論是隔離式還是焊接式饋電，都可以計算濾波器的輸入輸出耦合，從而獲得諧振桿和饋電柱之間的位置關系，計算公式為：

(2)

式中：τS11為群時延；ω0為中心角頻率；FBW為相對帶寬；m01為輸入耦合(對稱時，輸入輸出耦合相等)。

依據上述設計原則，設計了一款低無源互調同軸濾波器，圖1為該同軸濾波器在HFSS中的3D模型。其工作頻率為2.16～2.21 GHz,帶內插入損耗小于0.3 dB，如圖2所示。

圖1 低無源互調同軸濾波器的3D模型Fig.1 3D model of low PIM coaxial filter

圖2 S參數測試曲線Fig.2 Testing values of S parameters

1.2 表面鍍層處理對無源互調的影響

采用隔離式饋電的三階同軸濾波器進行研究，其中一個諧振桿采用分離式設計，用螺釘固定于腔體底部，其余兩個諧振桿和腔體一體化加工，保證無源互調源的基本唯一性。對該濾波器和諧振桿與腔體一體化加工的兩種濾波器的PIM進行測試，測試數據如圖3所示。

從圖3可以看出，兩種濾波器的無源互調差距很大。驗證了該位置是無源互調的主要發(fā)生位置，可以對該位置進行鍍層處理，研究不同鍍層對無源互調的影響規(guī)律。本文中，對諧振桿下底進行氧化和傳統(tǒng)鍍銀兩種工藝處理，然后在相同的環(huán)境下進行無源互調測試，得到了兩者的無源互調對比，如圖4所示。

圖3 兩種類型濾波器PIM對比Fig.3 Comparison of PIM levels between two different filters

從圖4中可以看出，表面氧化處理的濾波器無源互調性能較差，在實際鍍層表面處理過程中應盡量保護不產生氧化層，將諧振桿及時固定在腔體底面上，可以有效抑制同軸濾波器的無源互調。

圖4 表面氧化和傳統(tǒng)鍍銀PIM對比Fig.4 Comparison of PIM level between surface oxidation and plating silver

1.3 不同材料調節(jié)螺釘對無源互調的影響

研究金屬調節(jié)螺釘對濾波器無源互調的影響，并設計出新的介質調節(jié)螺釘替換金屬調節(jié)螺釘來驗證介質螺釘對無源互調抑制的有效性。對介質調諧螺釘濾波器進行無源互調測試，如圖5所示。

金屬調節(jié)螺釘濾波器的無源互調比介質調節(jié)螺釘濾波器大10 dB左右，但介質調節(jié)螺釘濾波器需要精確設計，對于簡單的微波部件可以采用。

圖5 金屬和介質螺釘濾波器PIM曲線Fig.5 PIM curves of filters with metal and dielectric tuning screws

2 S頻段低無源互調同軸濾波器設計

由上文得到了影響無源互調的主要因素：表面鍍層和調諧螺釘。本文在優(yōu)選鍍層和調諧螺釘的基礎上，改進了濾波器的輸入輸出饋電結構。

在傳統(tǒng)濾波器中，輸入輸出饋電采用焊接方式，本文采用介質隔離來實現金屬-介質-金屬的接觸方式，可有效地降低濾波器的無源互調，圖1中的藍色部分為介質套，圖6為傳統(tǒng)和改進后的同軸濾波器。圖7試驗結果表明該方法相比傳統(tǒng)濾波器設計無源互調方法可有效降低20 dB。

對上述兩種濾波器進行無源互調測試，測試曲線如圖7所示。兩種濾波器的無源互調均為5階。測試功率從40～49 dBm。

通過圖7可以看出，采用介質隔離同軸連接器的內導體和饋電桿，減少了金屬焊接的部分，可以有效降低濾波器的無源互調。那么在別的微波部件中也可以采用類似的方法來實現低無源互調。對整個低無源互調的微波部件設計具有很好的指導意義。

圖6 濾波器Fig.6 Photoes of coaxial filters

圖7 改進后濾波器和傳統(tǒng)濾波器PIM結果對比Fig.7 Comparison of PIM level between conventional coaxial filter and improved coaxial filter

3 結束語

本文通過對諧振桿下底面進行不同的表面鍍層處理，獲得了鍍層工藝對無源互調的影響規(guī)律；固定其他因素不變，只改變調諧螺釘材料，得到了材料對無源互調的影響規(guī)律。發(fā)現對于大功率同軸濾波器而言，同軸線內芯直接焊接到饋電桿上，焊接點不穩(wěn)定會引起較大PIM，另外腔體與諧振桿連接處的鍍層工藝對濾波器的PIM影響較大，具體如下：

1)試驗表明，介質螺釘抑制無源互調有明顯的效果，但介質調節(jié)螺釘的調節(jié)范圍較小，對復雜微波部件的調節(jié)能力較差，因此簡單的微波部件可以采用介質螺釘。

2)改進了濾波器的結構，改變了傳統(tǒng)輸入輸出饋電方式的金屬接觸，實現了金屬-介質-金屬接觸。相比傳統(tǒng)濾波器,無源互調有效降低了20 dB。

3)驗證了該方法的有效性，為下一代航天技術和地面移動通信技術提供了強有力的技術保證。