陳 雄，羅 宇，馬凱學，賀永寧

(1.天津大學，天津 30072；2.西安交通大學，西安 710049)

0 引言

無源互調(diào)(PIM)是在高功率激勵情況下由于微波無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、功分器等無源器件。目前關于無源互調(diào)效應檢測與研究，工程上常采取產(chǎn)品檢測篩選的方法來避免無源互調(diào)危害，這使得互調(diào)檢測設備成為確保無源互調(diào)指標的關鍵一步。傳統(tǒng)的無源互調(diào)測試準確度的評估依賴于單值反射互調(diào)的校驗式測試，依據(jù)目前僅有的IEC 62037無源互調(diào)測試標準，該種校準僅僅只能評估在校準源標稱值下的測試狀態(tài)誤差水平[1，2]，并不能實現(xiàn)測試儀器整個動態(tài)范圍內(nèi)的誤差評估和修正。目前關于互調(diào)測試系統(tǒng)的校準技術研究較少，業(yè)界公知的方法為將互調(diào)測試系統(tǒng)的載波輸出端口直接短接到線性低互調(diào)負載并以此時系統(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試系統(tǒng)的自身互調(diào)水平，卻并不能評價測試系統(tǒng)在不同的測試區(qū)間的測試準確度，已逐漸不適應日益增長且復雜化的PIM測試需求[3]。為解決針對該類問題，動態(tài)校準技術成為當前熱門方向。關于動態(tài)校準技術中至關重要的動態(tài)參考源技術涌現(xiàn)出很多新的技術嘗試[4，5]。

在已被公開的可調(diào)無源互調(diào)標準源中，較為常見的方法是基于接觸可調(diào)節(jié)的連接器，通過調(diào)節(jié)連接處壓力來產(chǎn)生標定PIM值[4]。該類實現(xiàn)方法簡單，同時也存在接觸結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定問題，進而導致基于該種非線性的互調(diào)源設計具有較大隨機性，也即不可預測的非線性強弱。相比之下，基于輻射空間中的非線性干擾效應，文獻[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源，通過改變二極管所處的電磁輻射環(huán)境來實現(xiàn)特定PIM參考電平，但該種方法為實現(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試環(huán)境中其他潛在非線性干擾，這就使得屏蔽空間實現(xiàn)該種可控非線性的必要條件，因此為實現(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測試場合。

基于上述事實，本文通過對主流的無源互調(diào)發(fā)生原理進行分析，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測試儀器的校準。相比于傳統(tǒng)已有方案，本方案可實現(xiàn)雙向同時調(diào)節(jié)功能，在未來潛在應用中將為互調(diào)測試儀器校準提供技術參考。該方案通過相應的同軸至微帶及波導至微帶轉(zhuǎn)換器，可廣泛適用于同軸及波導PIM測試系統(tǒng)。

1 電路設計及實現(xiàn)

在射頻電路中應用較多的肖特基二極管是一種利用金屬接觸界面勢壘實現(xiàn)強非線性效應的接觸結(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)載流子存儲效應，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。關于該種非線性器件導致的混頻效應已經(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)絡實現(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，擬使用基于耦合器組成的雙向偶合網(wǎng)絡。如圖1中的基本信號流圖所示，輸入載波信號首先饋入到雙向的功率合成網(wǎng)絡中，經(jīng)過功率衰減后激勵二極管以達到合適的PIM幅值。二極管產(chǎn)生的PIM信號沿著反向路徑到達功率分配網(wǎng)絡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?；谏鲜鐾負?，所實現(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)參考源拓撲結(jié)構(gòu)及實物圖

對照該實物結(jié)構(gòu)，兩種電路結(jié)構(gòu)的信號流圖如圖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現(xiàn)的簡潔版雙向參考互調(diào)源[8]。(b)結(jié)構(gòu)為基于四個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)通過將四個平行線耦合器對置放置，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)參考信號之間更加獨立。尤其針對四個耦合器方案，由于該結(jié)構(gòu)采用了對稱耦合器布局，雙向互調(diào)信號從二極管出來后的傳播路徑并不會有任何的交叉，從而避免了互調(diào)信號的二次疊加合成，進而保證了雙向信號之間的獨立性，保證了傳輸和反射互調(diào)一致性。

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

圖3 兩種電路結(jié)構(gòu)的信號流圖

2 測試驗證結(jié)果

在實際的方法驗證和設計制造過程中，為驗證兩種不同可調(diào)區(qū)間且考慮不同介質(zhì)板的經(jīng)濟成本，選取了兩種方案，其中設計可調(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。

針對基于耦合三線的第一種參考源的PIM測試結(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。第二種基于四個耦合器結(jié)構(gòu)的PIM測試結(jié)果如圖5所示，其中圖5(a)為700 MHz下測試結(jié)果，圖5(b)為2.6 GHz下測試結(jié)果。通過兩種結(jié)構(gòu)的S參數(shù)對比，結(jié)果證明第一種結(jié)構(gòu)的端口駐波只能在第一級耦合器的中心頻率(設計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，為一個寬帶的可調(diào)互調(diào)源。

(a) (b)

(a)

(b)

通過對比兩種互調(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，由于雙向通道之間的隔離不同，兩種不同的拓撲結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)的傳輸和反射互調(diào)差異也不相同。其中基于四個耦合器的方案傳輸反射互調(diào)差值可以小于1dB，而基于耦合三線的方案最大的差別達到8dB。

3 結(jié)論

本文提出了兩種基于偏置二極管實現(xiàn)的可調(diào)互調(diào)參考源，兩種互調(diào)參考源的動態(tài)范圍分別達到了50dB和30dB，其面積分別為4cm×6cm和8cm×12cm。通過使用低互調(diào)介質(zhì)板，互調(diào)參考源的互調(diào)底噪得到進一步優(yōu)化，與此同時再通過對置放置的耦合結(jié)構(gòu)，傳輸和反射互調(diào)一致性也優(yōu)化到1dB以內(nèi)。在使用過程中，由于本互調(diào)參考源使用偏置電壓來調(diào)節(jié)，這也使得基于該種電路結(jié)構(gòu)后期可以增加自動的控制模塊來實現(xiàn)與互調(diào)測試儀器聯(lián)動，最終實現(xiàn)自動化的互調(diào)校準。這將在提高無源互調(diào)測試準確度的同時，進一步提高互調(diào)測試效率。