何鋆,白春江,王新波,白鶴,胡天存,崔萬照,劉純亮

(1.中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710100,西安;2.西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,710049,西安)

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一種采用交流激勵(lì)的微弱非線性電流-電壓關(guān)系測(cè)試方法

何鋆1,2,白春江1,王新波1,白鶴1,胡天存1,崔萬照1,劉純亮2

(1.中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710100,西安;2.西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,710049,西安)

為解決射頻及微波接觸部件無源互調(diào)機(jī)理研究中直流模式無法在強(qiáng)線性背景中測(cè)量到微弱的非線性電流電壓關(guān)系這一問題,提出了一種新的基于交流激勵(lì)的測(cè)試方法。首先通過理論推導(dǎo)得到了具有微弱非線性特性的部件在交流電壓激勵(lì)下的電流電壓關(guān)系表達(dá)式;然后根據(jù)該方法對(duì)由同一個(gè)二極管并聯(lián)不同電阻組成的樣品進(jìn)行了測(cè)試,通過測(cè)量各階諧波的信號(hào)幅度并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算,得到了強(qiáng)的線性項(xiàng)和非線性項(xiàng)的系數(shù),進(jìn)一步根據(jù)推導(dǎo)出的公式計(jì)算得到了樣品的電流電壓曲線和來自于二極管的電流電壓曲線的非線性部分。測(cè)試和計(jì)算結(jié)果表明:該方法能夠獲得比線性部分低3～4個(gè)數(shù)量級(jí)的非線性部分電流,這是傳統(tǒng)的直流方法無法測(cè)量到的;對(duì)不同樣件計(jì)算所得的來自同一二極管的電流電壓曲線的非線性部分是相等的,證實(shí)了該方法測(cè)量強(qiáng)線性背景中弱的非線性電流電壓關(guān)系的可行性。該方法可為無源互調(diào)非線性機(jī)理的研究提供新的測(cè)量手段。

無源互調(diào);非線性;電流電壓;諧波

在通信系統(tǒng)中,當(dāng)頻率分別為f1和f2的兩路信號(hào)通過具有非線性導(dǎo)電行為的部件時(shí),會(huì)產(chǎn)生無源互調(diào)(Passive Intermodulation,PIM),PIM產(chǎn)物的頻率為nf1±m(xù)f2(n,m≥1,為正整數(shù))。在一些發(fā)射和接收單元距離較近且需要同時(shí)工作的通信系統(tǒng)中,發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的PIM產(chǎn)物極有可能會(huì)落入接收通道并對(duì)系統(tǒng)形成干擾。此外,在一些大功率的通信系統(tǒng)中,也很容易出現(xiàn)PIM問題。隨著技術(shù)的進(jìn)步和需求的提高,發(fā)射機(jī)的功率越來越大,接收機(jī)的靈敏度也越來越高,隨之而來的PIM問題也急需解決。由于PIM對(duì)通信系統(tǒng)的影響重大,因此在過去幾十年中,世界各國(guó)的研究者對(duì)PIM問題已經(jīng)開展了大量的研究工作[1-10],其中一個(gè)很重要的方面就是通過研究其產(chǎn)生的物理機(jī)理來對(duì)設(shè)計(jì)和制造低PIM部件提供指導(dǎo)[11-15]。研究發(fā)現(xiàn),PIM通常來自于具有非線性導(dǎo)電特性的材料或不理想的金屬接觸[1-3]?，F(xiàn)在已經(jīng)知道,鐵磁材料產(chǎn)生的PIM電平要比金屬接觸的高幾個(gè)數(shù)量級(jí),因此在無源部件中要避免使用鐵磁材料[2]。對(duì)于金屬接觸,其實(shí)際的物理機(jī)理極為復(fù)雜,是PIM機(jī)理研究的一個(gè)難點(diǎn)。許多文獻(xiàn)指出[11-14],導(dǎo)致接觸非線性的可能來源有:與界面灰塵相聯(lián)系的電擊穿,金屬結(jié)構(gòu)中的微孔和狹縫處的微放電以及絕緣層的隧穿效應(yīng)等。然而,在這些可能的物理機(jī)理中只有隧穿效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)上被Bond等人證實(shí)了,但是他們使用的是專門制作的Al-Al2O3-Al結(jié)[12],本身就具有強(qiáng)的非線性導(dǎo)電特性,這和實(shí)際具有金屬接觸結(jié)構(gòu)部件的導(dǎo)電特性有很大的不同。

通常用直流方式測(cè)量諸如同軸接頭、編織電纜和波導(dǎo)結(jié)等具有金屬接觸結(jié)構(gòu)部件的電流-電壓(I-V)關(guān)系時(shí),結(jié)果顯示是線性的,因此它們通常被認(rèn)為是線性部件。但是,在通信領(lǐng)域,當(dāng)功率足夠高的兩路信號(hào)通過此類部件時(shí),會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度比載波低非常多的互調(diào)產(chǎn)物(此即互調(diào)測(cè)試),這表明它們具有微弱的非線性導(dǎo)電特性。雖然互調(diào)測(cè)試這一方法能夠檢測(cè)到許多不同系統(tǒng)的非線性響應(yīng)[16-17],但是卻難以直接揭示導(dǎo)致非線性出現(xiàn)的物理機(jī)理。對(duì)PIM的產(chǎn)生機(jī)理即非線性的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行研究,最直接的方法是測(cè)量部件的非線性I-V關(guān)系,根據(jù)I-V關(guān)系的特性判斷物理機(jī)制,此外針對(duì)接觸結(jié)構(gòu)非線性建模的正確與否也需要通過測(cè)量相關(guān)部件的I-V關(guān)系來證實(shí)。由于部件的非線性很弱,且疊加在強(qiáng)的線性背景中,常用的直流測(cè)試手段和方法并不能夠測(cè)量到非線性,至今還未見到實(shí)際部件非線性I-V關(guān)系測(cè)量方面的報(bào)道,這也是研究接觸結(jié)構(gòu)PIM產(chǎn)生機(jī)理的難點(diǎn)之一。針對(duì)直流方式難以測(cè)量到通常被認(rèn)為是線性部件的微弱非線性I-V特性這一問題,本文提出了一種基于交流模式的測(cè)試方法,并推導(dǎo)出了相應(yīng)的I-V關(guān)系式。通過對(duì)以二極管和電阻組成的樣件進(jìn)行實(shí)際測(cè)試,得到了強(qiáng)線性背景中弱的非線性I-V特性,這為通過直接測(cè)量和分析部件的非線性特性來研究與其對(duì)應(yīng)的物理機(jī)理提供了一種新方法和新途徑。

1 交流激勵(lì)模型

通常情況下,金屬接觸結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電特性是歐姆型的,即是線性的,但是通信領(lǐng)域中PIM產(chǎn)物的出現(xiàn)表明其具有微弱的非線性導(dǎo)電特性。這可能是由一個(gè)或幾個(gè)非線性的物理機(jī)理導(dǎo)致的,如隧穿效應(yīng)、熱電子發(fā)射、微放電和電擊穿等[11-14]?；谶@些考慮,具有金屬接觸結(jié)構(gòu)部件的I-V關(guān)系可以用冪級(jí)數(shù)表示

I=G1V+G2V2+…+GnVn+…

(1)

式中:I是流過部件的電流;V是加在部件上的電壓;Gn是第n次項(xiàng)的系數(shù)。式(1)中線性項(xiàng)即第一項(xiàng)主要是歐姆導(dǎo)電機(jī)理的貢獻(xiàn),而非線性的導(dǎo)電機(jī)理對(duì)各項(xiàng)都有貢獻(xiàn)。當(dāng)用直流模式來表征部件的I-V關(guān)系時(shí),通常是將部件與電壓(或電流)源相連,并測(cè)量相應(yīng)的電流(或電壓)。以連接電壓源為例,根據(jù)式(1),測(cè)量到的電流是線性項(xiàng)與非線性項(xiàng)之和。對(duì)于實(shí)際部件,因?yàn)镚1通常要比Gn(n≥2)大幾個(gè)數(shù)量級(jí),因此線性項(xiàng)主導(dǎo)著I-V特性。直流情況下要得到非線性項(xiàng),需要根據(jù)式(1)來對(duì)測(cè)得的I-V曲線進(jìn)行擬合。因?yàn)榉蔷€性部分極有可能低于儀器的分辨率,所以非線性部分項(xiàng)會(huì)被丟失,擬合結(jié)果的可靠性難以保證。綜合這些分析,直流模式難以準(zhǔn)確測(cè)量到實(shí)際部件微弱的非線性部分。

要測(cè)量實(shí)際部件弱的非線性部分,需要將其與強(qiáng)的線性部分分離,這可以用交流模式實(shí)現(xiàn)。若給試件施加交流電壓,其響應(yīng)與加直流電壓時(shí)有很大不同。當(dāng)所加交變電壓V=V0cosωt時(shí),根據(jù)式(1),電流可表示為

I=G1V0cosωt+G2V02cos2ωt+…+

GnV0ncosnωt+…

對(duì)于cosnωt,利用二項(xiàng)式定理有

(2)

(3)

當(dāng)n為偶數(shù),即n=2m(m≥1)時(shí),式(2)可寫成

(4)

結(jié)合式(2)～(4),加交變電壓時(shí)的電流為

(5)

如果Gn?Gn+2,對(duì)某一固定的頻率項(xiàng),即k值固定時(shí),后半部分求和中只需考慮m=k這一項(xiàng),m>k的項(xiàng)可以忽略不計(jì)。因此,式(5)可近似為

t+

(6)

這里雖然假設(shè)Gn?Gn+2,但即使條件不滿足,對(duì)某一固定的頻率項(xiàng),即k值固定時(shí),式(5)后半部分求和的數(shù)值(可測(cè)量值)總是能用一個(gè)系數(shù)G2k+1或G2k表示,因此式(5)總是能簡(jiǎn)化為式(6)。在這種情況下,式(6)中的Gn與式(1)中的Gn不再一一對(duì)應(yīng)。由式(6)可知,當(dāng)施加交變信號(hào)時(shí),部件的非線性特性會(huì)產(chǎn)生諧波,最主要的是線性項(xiàng)與非線性項(xiàng)會(huì)在頻率空間發(fā)生分離。這和直流模式下的情況很不同,測(cè)量弱的非線性項(xiàng)時(shí)將不受強(qiáng)的線性項(xiàng)的影響。當(dāng)用低頻的交流信號(hào)來測(cè)量微弱的非線性時(shí),幾十cm的測(cè)試連線長(zhǎng)度相比于基波信號(hào)的波長(zhǎng)完全可以忽略(以100 kHz交變電壓信號(hào)為例,其波長(zhǎng)為3 000 m),因此可以沿用直流電路的相關(guān)理論如分壓原理等。受限于電路的寄生參量和沿用直流的電路連接方式與相關(guān)理論,所采用的交流信號(hào)的頻率有上限,不能超過1 MHz。借助于具有高動(dòng)態(tài)范圍的低頻測(cè)量?jī)x器——鎖相放大器,通過測(cè)量諧波信號(hào)可以得到相應(yīng)的非線性項(xiàng)。為了進(jìn)行驗(yàn)證,本文選取二極管和電阻為研究對(duì)象,開展了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)、結(jié)果及討論

2.1 電路連接

圖1所示的是本文采用的諧波測(cè)試電路連接圖。當(dāng)具有一定頻率的交流電壓經(jīng)通道2加在測(cè)試件(DUT)上時(shí),由于DUT具有一定的非線性導(dǎo)電特性,因此會(huì)產(chǎn)生諧波。諧波信號(hào)會(huì)在采樣電阻R上產(chǎn)生壓降,該壓降可由通道1進(jìn)行測(cè)量,采樣電阻阻值為51 Ω。實(shí)驗(yàn)選用Standford SR830型鎖相放大器作為交流電壓源來激勵(lì)DUT,并同時(shí)用它測(cè)量諧波信號(hào)。鎖相放大器的主要參數(shù)如下:靈敏度為2 nV;輸入阻抗為10 MΩ;動(dòng)態(tài)范圍大于100 dB;諧波失真為-80 dB;頻率范圍為1 mHz～102 kHz;輸出阻抗為50 Ω。為了展示和驗(yàn)證用交流方式測(cè)量非線性的可行性,用一個(gè)二極管并聯(lián)一電阻作為DUT,測(cè)量時(shí)交流激勵(lì)電壓的頻率為878 Hz。

圖1 諧波測(cè)試電路連接圖

2.2 測(cè)量結(jié)果

圖2展示了諧波信號(hào)的振幅(有效值)隨激勵(lì)信號(hào)振幅(有效值)的變化關(guān)系,DUT由二極管并聯(lián)一阻值約為10 kΩ的電阻組成(DUT1)。從圖2可以看出:對(duì)于1～5次諧波,在0～130 mV區(qū)間,其振幅隨著激勵(lì)信號(hào)振幅的增加而增加;對(duì)于更高次的諧波,振幅在低電壓區(qū)域振蕩,在高電壓區(qū)隨著激勵(lì)信號(hào)幅度的增加而增加。此外,諧波信號(hào)的振幅隨著其階次的增大而降低。高次諧波在低電壓區(qū)振蕩的原因是其振幅接近或低于儀器的測(cè)量極限,易受到系統(tǒng)噪聲和信號(hào)源諧波失真的影響?？紤]到此因素,最高只測(cè)量到第9次諧波。

圖2 諧波信號(hào)振幅隨交流激勵(lì)信號(hào)振幅的變化關(guān)系

2.3 DUT的I-V關(guān)系

既然諧波的振幅隨激勵(lì)信號(hào)振幅的變化關(guān)系已經(jīng)得到,通過計(jì)算便可獲基波和各高階諧波的I-V曲線,需要注意的是由于信號(hào)源內(nèi)阻和采樣電阻的存在,激勵(lì)信號(hào)的電壓并沒有全部加在DUT上。在獲得基波和各高階諧波的I-V關(guān)系后,根據(jù)式(6)就可以計(jì)算得到線性項(xiàng)和各階非線性項(xiàng)的系數(shù),并進(jìn)一步計(jì)算得到DUT的I-V關(guān)系。表1中列出了線性項(xiàng)和各階非線性項(xiàng)的系數(shù),根據(jù)式(6)計(jì)算得到的DUT的I-V關(guān)系如圖3所示。

圖3展示了DUT1、DUT2的I-V關(guān)系,包括由交流模式下的測(cè)試結(jié)果計(jì)算得到的和直流模式下直接測(cè)量到的結(jié)果。在0～80 mV區(qū)間,

電流隨電壓 表1 DUT的線性項(xiàng)和各階非線性項(xiàng)系數(shù)

線性增加,當(dāng)電壓超過80 mV后,電流電壓關(guān)系不再是線性的。在低電壓區(qū),用直流和交流模式測(cè)量得到的電流是相等的,而在高電壓區(qū)則不相等。為了進(jìn)一步驗(yàn)證交流模式的可靠性,將組成DUT的電阻換成約1 kΩ的。直流和交流模式下新DUT,即同一個(gè)二極管并聯(lián)1 kΩ電阻(DUT2)的I-V關(guān)系曲線如圖3中虛線所示,交流模式下計(jì)算得到的DUT2的線性項(xiàng)和各階非線性項(xiàng)的系數(shù)見表1。很明顯,低電壓區(qū)(0～80 mV)用直流和交流模式測(cè)量到的I-V曲線基本相同,表明交流模式是可靠的。

圖3 DUT1和DUT2的I-V關(guān)系

在低電壓區(qū)(0～80 mV),圖3中的曲線表明電流和電壓之間具有強(qiáng)的線性關(guān)系。因此,對(duì)兩組DUT在直流模式下測(cè)得的I-V曲線進(jìn)行了線性擬合,得到的DUT的電阻為9.49 kΩ和1.08 kΩ,相應(yīng)的線性擬合系數(shù)都為0.999。由此可以得出結(jié)論:兩個(gè)DUT在低電壓區(qū)都是線性的。這里使用的分析I-V關(guān)系的方法被廣泛使用,但是,對(duì)于分析在微波通信領(lǐng)域使用的部件的導(dǎo)電特性時(shí),此方法并不全面,因?yàn)槠錈o法揭示弱的非線性。受限于儀器的分辨率,直流模式主要揭示的是線性的導(dǎo)電特征,正如圖3所示的那樣。

本文中所使用的DUT由一個(gè)二極管和一個(gè)電阻組成,它們是并聯(lián)關(guān)系。DUT的電阻值RD與二極管的電阻值R1以及并聯(lián)電阻的阻值R2滿足關(guān)系式

RD=R2/(1+R2/R1)

(7)

當(dāng)R2?R1時(shí),RD≈R2,即DUT的電阻值近似等于并聯(lián)電阻的阻值。圖4所示的是二極管電阻隨直流電壓的變化關(guān)系。當(dāng)電壓由0增大到0.1 V時(shí),二極管的電阻由2.26 MΩ減小到47.8 kΩ。在低電壓區(qū),二極管的阻值和電阻的相差非常大(即R2?R1),因此電阻主要支配著DUT的電學(xué)特性,所以其I-V曲線是線性的,如圖3中0～80 mV區(qū)間的曲線。隨著電壓的增大,一旦二極管的阻值接近電阻阻值時(shí),電阻不再起主導(dǎo)作用,DUT的I-V曲線也不再是線性的(見圖3中電壓大于90 mV部分的曲線)。雖然在低電壓區(qū)直流模式測(cè)得了線性的I-V關(guān)系,但是總電流中一定有來自于二極管的非線性電流的貢獻(xiàn),僅用直流模式進(jìn)行測(cè)試和分析并不能夠?qū)⑵浣沂境鰜?然而借助于交流模式,弱的非線性部分能夠被分離并進(jìn)行測(cè)量。

圖4 二極管的電阻-電壓關(guān)系

2.4 高階諧波的I-V曲線

圖5所示的是DUT1和DUT2在交流激勵(lì)下各高階諧波的I-V曲線,DUT1的諧波階次為2到9,DUT2的諧波階次為2到8。在計(jì)算高階諧波的I-V曲線時(shí),激勵(lì)信號(hào)落在DUT上的有效分壓由下式計(jì)算得到

VRD/(RD+R3+R4)

(8)

式中:V為激勵(lì)信號(hào)振幅有效值;R3為采樣電阻阻值;R4為信號(hào)源輸出阻抗。

高階諧波的電流由下式計(jì)算得到

Vn/R3

(9)

式中:Vn為第n次諧波的振幅有效值。

從圖5中可以明顯看出:雖然測(cè)試的DUT不同,但是來自于同一非線性源——二極管的高階諧波所對(duì)應(yīng)的I-V曲線基本相等;在低電壓區(qū)(0～60 mV),由于加在DUT上的電壓小,激勵(lì)出的二極管的高階諧波幅度小,因此容易受到系統(tǒng)噪聲或信號(hào)源諧波失真影響,導(dǎo)致測(cè)量到的高階諧波在此區(qū)間出現(xiàn)振蕩;對(duì)于DUT2,測(cè)量結(jié)果顯示其9次諧波在整個(gè)區(qū)間振蕩,表明測(cè)量到的主要是系統(tǒng)噪聲或信號(hào)源諧波失真,因此沒有將其畫出來,也無法計(jì)算其對(duì)應(yīng)的非線性系數(shù)。

圖5 DUT1和DUT2的各高階諧波的I-V曲線

2.5 I-V曲線非線性部分

根據(jù)式(6),計(jì)算得到的DUT1和DUT2的二極管I-V關(guān)系的非線性部分如圖6所示。圖中電流用對(duì)數(shù)尺度顯示在30～100 mV區(qū)間,兩條曲線基本重合,表明雖然兩個(gè)DUT是不同的,但是用交流方式得到的來自于同一二極管的I-V關(guān)系非線性部分是相同的。為了顯示兩個(gè)DUT的I-V關(guān)系中線性和非線性部分的差異,將直流和交流模式下得到的I-V關(guān)系曲線也一同在圖6中畫出。在低電壓區(qū)(0～80 mV),盡管I-V關(guān)系非線性部分比線性部分要小3～4個(gè)數(shù)量級(jí),但是交流模式能夠?qū)⑵浞蛛x并測(cè)量。

圖6 DUT1和DUT2的I-V關(guān)系和二極管I-V關(guān)系的非線性部分

2.6 頻率對(duì)I-V關(guān)系的影響

本文采用交流信號(hào)來激勵(lì)DUT,其電容值與阻抗密切相關(guān)。由于DUT是由二極管并聯(lián)電阻組成的,因此采用Agilent E4980a型LCR表,以并聯(lián)模式分別測(cè)量了DUT1和DUT2在3 kHz～1 MHz頻段的電容,DUT1和DUT2在此頻段的并聯(lián)電容值分別為7.81 pF和7.86 pF,并聯(lián)電阻值分別為10 035 Ω和1 090 Ω。對(duì)于頻率為878 Hz的交流信號(hào),DUT1和DUT2的阻抗可由下式計(jì)算得到

R2/(1+(ωR2C)2)1/2

(10)

式中:ω為交流信號(hào)的角頻率;C為并聯(lián)電容值。

DUT1和DUT2的阻抗分別為10 035 Ω和1 090 Ω,其上的分壓分別為總電壓的99%和91.5%。對(duì)于PIM,一般都是在高頻領(lǐng)域(幾百M(fèi)Hz及以上)出現(xiàn)的,頻率會(huì)影響趨膚深度,并可能進(jìn)一步影響PIM,因此頻率對(duì)非線性即PIM的影響也很受關(guān)注,而本文提出用交流激勵(lì)來測(cè)量微弱的非線性,理論上可以研究頻率對(duì)非線性I-V的影響,但是受限于電路的寄生參量和沿用直流的電路連接方式與相關(guān)理論,所采用的交流信號(hào)的頻率有上限,不能超過1 MHz。另外,測(cè)試儀器(鎖相放大器)的最高檢測(cè)頻率只有102 kHz,因此可選取的激勵(lì)信號(hào)頻率范圍很有限。通過在878～11 000 Hz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量,發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓固定時(shí),頻率越高,DUT的電流和二極管的非線性電流越小。頻率對(duì)DUT的電流影響微弱,而對(duì)于二極管的非線性電流影響較大。當(dāng)頻率由878 Hz增大到10 787 Hz時(shí),DUT的電流減小了約2.4%,而二極管的非線性電流減小了大約33%。圖7顯示了交流激勵(lì)頻率分別為878 Hz和10 787 Hz時(shí),同一二極管的非線性部分的I-V曲線。

圖7 不同激勵(lì)頻率下二極管I-V曲線非線性部分

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析可以看出,本文提出的用交流模式來測(cè)量微弱的非線性的方法,不僅具有直流測(cè)試方法的優(yōu)點(diǎn)(能沿用直流測(cè)試中路的相關(guān)理論),又具有射頻領(lǐng)域測(cè)試方法的優(yōu)點(diǎn)(線性項(xiàng)與非線性項(xiàng)在頻率空間發(fā)生分離)。通過采用基于交流模式的測(cè)試方法,得到了比線性部分小3～4個(gè)數(shù)量級(jí)的I-V特性的非線性部分。這表明本文提出的交流測(cè)試方法具有可行性,能夠?qū)?qiáng)線性背景中微弱非線性電流-電壓的特性進(jìn)行表征,可應(yīng)用于部件無源互調(diào)即非線性產(chǎn)生機(jī)理的研究。此外,本文中所使用DUT的電流的非線性部分比線性部分低3～4個(gè)數(shù)量級(jí),而鎖相放大器的諧波失真是-80 dB,因此測(cè)量到的數(shù)據(jù)是可靠的。然而,對(duì)于實(shí)際部件,如果非線性部分比線性部分小很多,就要求交流信號(hào)源的諧波失真也要很小,這是用交流模式測(cè)量微弱非線性時(shí)需要注意的問題。

3 結(jié) 論

針對(duì)無源互調(diào)機(jī)理研究中直流模式無法在強(qiáng)線性背景中測(cè)量到微弱的非線性電流-電壓關(guān)系這一問題,提出了基于交流模式的電流-電壓測(cè)試方法,該方法能夠?qū)⑽⑷醯碾娏?電壓非線性從強(qiáng)的線性背景中分離出來并進(jìn)行表征。實(shí)驗(yàn)上選取了二極管并聯(lián)一電阻為研究對(duì)象,得到了比線性背景弱3～4個(gè)數(shù)量級(jí)的電流-電壓非線性部分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了本文方法的優(yōu)越性和可行性。本文方法對(duì)于研究無源部件PIM的產(chǎn)生機(jī)理即非線性的機(jī)理十分有幫助。

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(編輯 劉楊)

Measuring Method of Weak Nonlinear Current-Voltage Relationship Based on AC Excitation

HE Yun1,2,BAI Chunjiang1,WANG Xinbo1,BAI He1,HU Tiancun1,CUI Wanzhao1,LIU Chunliang2

(1. National Key Laboratory of Science and Technology on Space Microwave, China Academy of Space Technology (Xi’an),Xi’an 710100, China; 2. School of Electronic and Information Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

A new method based on AC excitation is proposed to characterize the weak nonlinear current-voltage relationship in huge linear background, which is hardly measured by the DC method in the study of passive intermodulation mechanism of RF and microwave components. The current-voltage relationship of the nonlinear system is firstly analyzed when AC voltage is applied and its expression is derived, then samples consisting of a diode in parallel with different resistors are measured The coefficients for linear and nonlinear parts are calculated from the measured amplitude of harmonics with different order, the current-voltage relationship of samples and the weak nonlinear part of the current-voltage relationship coming from diode are also obtained from the resulting expression. Results show that the proposed method obtains a weak nonlinear part of current which is 3-4 orders smaller than the linear part in magnitude, and exhibits advantage of the method over traditional DC method. Moreover, the calculated weak nonlinear parts of currents coming from the same diode with different samples are almost equal, and the practicability of the method is confirmed. The method will offer a new way for investigating nonlinear conduction mechanism that is resulted in passive intermodulation.

passive intermodulation; nonlinearity; current-voltage; harmonics

2015-11-24。 作者簡(jiǎn)介:何鋆(1987—),男,博士后;崔萬照(通信作者),男,博士,研究員。 基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1537211,61574113);空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(9140C530101130C53013);中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015M572661XB)。

時(shí)間:2016-04-03

10.7652/xjtuxb201606015

TM930.1

A

0253-987X(2016)06-0097-07

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