微波器件无源互调的力热电效应研究

发布时间：2019-01-24 21:21

【摘要】：无源互调(Passive intermodulation, PIM)是目前空间大功率微波器件设计中的难题,本文通过理论推导、仿真分析和实验验证系统而深入地研究了微波器件力热电无源互调问题。主要研究工作及创新点如下：1、PIM的非线性时域全波仿真方法研究。基于PIM频率和阶数的计算方法,分析表明在多载波环境下,随着通道数增加,奇数阶无源互调产物(Passive Intermodulation Products, PIMP)急剧增加,PIM干扰信号愈加复杂。研究了PIM功率电平计算的两种时域全波仿真方法。(1)接触非线性平板散射体PIM分析的时域物理光学(Time domain physical optics, TDPO)方法,针对接触区域的非线性特性,引入非线性表面阻抗修正项,借助高斯渐变函数使得接触区域面电流光滑渐变,采用TDPO法得到非线性接触区域的各阶PIM功率电平,并针对接触区域不同的分布情况,揭示了各参数对PIM的影响规律；(2)非线性集总元件PIM分析的时域有限差分(Finite-difference time-domain, FDTD)方法,基于接触非线性幂级数I-V模型,推导了电场FDTD计算公式,求解时域非线性电流,通过快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)得到非线性电流频谱特性,可观测PIM功率电平。通过与实验比对,验证了方法的有效性。2、金属-金属接触建模及力学分析。研究了金属-金属接触的力学建模与分析方法。基于Hertz线弹性理论,分析了金属-金属微观接触的机理,揭示了接触面的接触应力分布,得到光滑接触表面接触应力与名义接触面积关系。基于Greenwood-Williamson模型,分析了金属粗糙接触表面微观接触情况,推导了微凸体接触面积与接触载荷间的关系。建立金属-金属接触的力学模型,以参数化形式描述了实际接触面积与载荷间的关系,分析了金属-金属接触的非线性特性。3、力电耦合PIM分析方法。通过分析金属-金属接触面间的电接触特性,建立了金属-金属接触的等效电路模型,推导了电参数计算公式,揭示了各电参数与接触力间的强耦合关系。研究了等效电路的低频和高频数值计算方法,通过与构建的金属单点接触实验结果对比,验证了力电耦合分析方法的正确性。将金属-金属动态接触分为接触、半接触和不接触3种状态,基于二极管非线性电阻特性,建立了金属-金属动态接触等效电路模型。仿真分析了欧空局12m口径网状天线的金属丝网编织单元的力电特性,求解了非线性I-V特性和近场PIMP。然后,分别采用雷达方程法和FDTD法将近场PIMP外推至远场PIMP,结果与欧空局的测试结果一致。采用Rosenberger分析仪,对射频同轴连接器进行了反射式PIM实验测试,表明预紧力严重影响同轴连接器的PIM,验证了金属-金属接触的力电耦合规律。研究的力电耦合PIM分析方法为复杂大功率微波器件PIM机理研究和抑制方法提供可靠的研究手段和理论支撑。4、微波负载电热耦合PIM分析方法。首先用分数阶微分来简化热传导方程,得到分数阶热传导方程。然后,根据分数阶热传导方程,结合电路-热路比拟法,建立了分数阶热传导的电路模型,以电路的形式表现热传导结果。最后,结合热阻效应,耦合电场和热场,推导出微波负载由电热耦合引起的各阶PIM表达式。通过仿真计算微波终端负载和微波衰减器的三阶PIM,研究了电阻温度系数、热阻和热容对PIM的影响,根据仿真分析结果,提出了降低微波负载电热耦合引起PIM的设计方法,为微波器件电热耦合的低PIM设计提供了理论依据。采用Rosenberger分析仪进行了微波负载的热电耦合实验测试,表明温度对PIM影响大,验证了微波负载的热电耦合本质。研究的电热耦合PIM分析方法,具有工程实用价值。
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【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN61

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