基于缝隙波导近场耦合的无源互调测试方法

摘要

本发明公开了一种基于缝隙波导近场耦合的无源互调测试方法，本方法是在常规PIM测试方法的基础上，在测试系统中加入缝隙波导结构，实现近场耦合PIM测试功能。包括低PIM带开缝的波导，调控耦合强度的介质板，缝隙尺寸及分布的优化方法。本发明能够用来评估微波部件材料非线性和接触非线性的大小，为微波部件低PIM设计和工艺控制提供指导，为生产环节中PIM来源提供检测方法，提高产品良率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于缝隙波导近场耦合的针对微波部件金属连接结的无源互调测试装置及测试方法，属于无源互调测试技术领域。

背景技术

无源互调(Passive Inter-Modulation，简称“PIM”)是指两个或更多的不同频率的载波信号通过非线性无源器件所引起的对系统的额外干扰信号。在无线通信系统中，常见非线性无源器件有双工器、天线、馈线、射频线连接头等。如果这些互调失真信号落入接收频带内，且功率超过系统中的有用信号的最小幅度，则会使接收信号的信噪比下降，使接收机的灵敏度降低甚至无法正常工作，严重影响通信系统的容量和质量。随着通信系统的发展和系统质量的提高，对器件无源互调的测量越来越受到重视。

目前PIM产物的主要测试方法是让43dBm(20W)的载波信号激励待测件，然后测量无源互调值。因为微波的特殊性，待测件多以完整的成品出现，只有当部件加工完成并装配后，才能进行检测。对于腔体器件，待测件成为一个黑盒子，潜在的PIM故障点存在于待测件内部。对于天线，需要在开阔的暗室中测试，而天线收发系统自身体积也较大。这些方法都只能评判器件PIM合格率，但不利于器件的PIM故障诊断。

影响无源器件PIM水平的因素很多，包括内部结构的细微形变，热胀冷缩，表面空气氧化等因素。为了提高器件的PIM水平，需要在研究中同时调控多种物理因素。如果不能将各个物理因素对器件的PIM影响进行单一控制，就会增加改进PIM的成本与设计周期。由于PIM的来源多种多样，整体检测很难给出PIM具体来源，并且一旦产品PIM不合格，无法进行返工，因此急需一种能够在生产工艺过程中对原材料以及半成品PIM来源检测的技术方法，使得待测件无需具备微波特性、以样片形式存在即可。

本发明基于缝隙波导近场耦合的特性，提供了一种新的PIM测试方法。把待测界面放置到缝隙波导PIM工装的外部环境中，利用近场耦合的方式测试PIM的方法，既能实现环境条件的精确控制，也能降低电磁场的辐射距离，减小待测件尺寸。使用这种测试方法，可以对微波部件的局部结构进行PIM测试，精细的制作不同的局部结构，评估具体的加工工艺对PIM的影响，有效提高PIM的测试效率。基于该方法，在S波段实现了对平板压接金属接触结构的PIM测试。

发明内容

本发明内容的目的在于，提供了一种近场耦合PIM测试的方法，其可实现测试中在线拆卸DUT，并对DUT的多物理环境实现精确控制，提高了PIM诊断效率。

本发明方法是这样实现的：

本测试方法是在常规PIM测试方法的基础上，在测试系统中加入缝隙波导结构，实现近场耦合PIM测试功能。测试时，待测件DUT放在缝隙波导上,具体步骤如下：

1)测试时，待测件DUT放在缝隙波导上，在缝隙波导外壁的缝隙处，覆盖高介电常数的介质板以减弱外泄电磁场远场的强度，缝隙波导并没有形成辐射远场，在测试频段内，缝隙波导两端口的S21近似为0dBm，通过调控介质板的厚度以及波导缝隙的长度，可以控制待测件表面电流的强弱；

2)待测件(DUT，Device Under Test)放置于介质板上，DUT的结构包括点线面类型的结构,其典型应用场景为：平板压接、圆柱插接和丝网搭接三类金属接触结构；根据研究的金属接触结连接形式，设计DUT结构，并使用网分确认缝隙波导加载DUT时其S21不会恶化；

3)激励载波与PIM信号的拾取都使用同一个波导实现，对待测样PIM的检测用一套PIM测试系统就能完成，并且能够做到随时在线更换待测样。

波导缝隙的长宽比为：缝隙长度为到λ₀为载波波长，若缝隙长度接近可在缝隙外覆盖高介电常数的介质板1，使波导S11小于-20dB，S21≈0。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于缝隙波导的材料非线性和接触结构产生PIM干扰的评价方法能够用来评估微波部件材料非线性和接触非线性的大小，为微波部件低PIM设计和工艺控制提供指导，为生产环节中PIM来源提供检测方法，提高产品良率。

附图说明

图1为本发明所述的基于缝隙波导的无源互调测试方法原理图；

图2为本发明所述的缝隙波导结构图；

图3为平板压接PIM测试示意图

图4为平板压接PIM测试侧面示意图

图5为镀银、镀金平板压接PIM测试结果

图6为同轴插接PIM测试示意图

图7为丝网搭接PIM测试示意图

具体实施方式

波导的法兰连接、基站天线的地线螺接端口等，均是微波器件的平面端口连接，在研究中可等效为平板压接模型。实验中，使用三个金属样片之间的接触面作为待测接触面。实验样片小巧，可根据供研究需要，精确控制粗糙度、镀层工艺、接触压强，并利于后期的表面形貌与成分分析。

以S波段波导为例，架设PIM测试系统,如图1，其中缝隙波导的局部结构如图2所示，缝隙波导尺寸特征如下：

如图3及图4所示，波导内壁宽72.14mm，高34.04mm；外壁宽76.2mm，高39.1mm；波导长150mm。波导材料为铝合金。缝隙长60mm，宽1mm。在波导宽边开横缝，位于波导宽面中心位置。缝隙上固定一块76mm×100mm×1mm的玻璃作为介质板1。

搭建测试平台时，首先要使用网分测试波同转换装置连接的缝隙波导，确认其S21接近0dB，表明设计合格。

然后将缝隙波导以及联入PIM测试系统，架设好力加载试验机。此时测到的PIM作为系统自身的PIM底噪，称系统剩余互调。在装配规范的情况下，S波段的缝隙波导连接可以实现-120到-130dBm@2×43dBm的系统剩余互调(主要取决于系统的DIN7-16接头及射频电缆的性能)。

将2号3号铝合金/铝合金镀银样片固定在缝隙上方的玻璃介质板上。在PIM测试系统开机状态下，使用其他弱接触的金属物体，在缝隙波导周围0.5米处晃动，系统剩余互调不变，缝隙波导的远场无法影响测试结果，表明该PIM测试平台搭建合格。

在PIM测试系统开机状态下，将4号铝合金/铝合金镀银样片放在预定位置，与2/3号样片形成金属接触，即可测到相应的PIM值。

通过力加载试验机增加金属接触面的压强(压力触头经过绝缘处理)，PIM值将相应随压力发生变化。通过力加载试验机上的压力传感器读数可以得到加载压力。

接触压强＝加载压力/名义接触面积(表1)。

在大批量实验研究中，该工装的样片更换方便，实验重复性好。在长时间测试时，系统的剩余互调，可通过更换4号样片，实时查看。

通过控制样片尺寸，以及力加载试验机的精度，就可以从非常小的接触压强开始研究金属接触面的PIM特性。而在传统PIM测试中无法有效测到，因为压强过小将导致待测件接触不稳定，影响待测件的微波特性。

通过测试结果可知，如图5，过大的压强将难以分辨不同镀层材料的PIM特性，只能进一步提高系统的载波功率。而更大功率下将导致微波器件出现更明显的热效应。这将在提高PIM测试系统成本的同时引入新的问题，不利于科学研究。

平板压接(面接触)的测试情况见表1所示。

同轴插接(线接触)、丝网搭接(点接触)的PIM测试平台搭建过程与平板搭接(面接触)的相同。在PIM测试系统开机状态下，使用其他弱接触的金属物体，在缝隙波导周围0.5米处晃动，系统剩余互调不变，缝隙波导的远场无法影响测试结果，表明该PIM测试平台搭建合格。

同轴插接(线接触)测试情况见表2所示

丝网搭接(点接触)测试情况见表3所示。

表1 面接触-平板压接PIM测试结果

表2 线接触-同轴插接PIM测试结果

表3 点接触-丝网搭接PIM测试结果