微波器件無源互調(diào)的力熱電效應(yīng)研究.pdf

1、無源互調(diào)(Passive intermodulation，PIM)是目前空間大功率微波器件設(shè)計(jì)中的難題，本文通過理論推導(dǎo)、仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)而深入地研究了微波器件力熱電無源互調(diào)問題。主要研究工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1、PIM的非線性時(shí)域全波仿真方法研究。基于PIM頻率和階數(shù)的計(jì)算方法，分析表明在多載波環(huán)境下，隨著通道數(shù)增加，奇數(shù)階無源互調(diào)產(chǎn)物(PassiveIntermodulation Products，PIMP)急劇增加，

2、PIM干擾信號(hào)愈加復(fù)雜。研究了PIM功率電平計(jì)算的兩種時(shí)域全波仿真方法。(1)接觸非線性平板散射體PIM分析的時(shí)域物理光學(xué)(Time domain physical optics，TDPO)方法，針對(duì)接觸區(qū)域的非線性特性，引入非線性表面阻抗修正項(xiàng)，借助高斯?jié)u變函數(shù)使得接觸區(qū)域面電流光滑漸變，采用TDPO法得到非線性接觸區(qū)域的各階PIM功率電平，并針對(duì)接觸區(qū)域不同的分布情況，揭示了各參數(shù)對(duì)PIM的影響規(guī)律;(2)非線性集總元件PIM分析的

3、時(shí)域有限差分（Finite-difference time-domain，F(xiàn)DTD）方法，基于接觸非線性冪級(jí)數(shù)I-V模型，推導(dǎo)了電場FDTD計(jì)算公式，求解時(shí)域非線性電流，通過快速傅里葉變換(Fast FourierTransform，F(xiàn)FT)得到非線性電流頻譜特性，可觀測PIM功率電平。通過與實(shí)驗(yàn)比對(duì)，驗(yàn)證了方法的有效性。
　　2、金屬-金屬接觸建模及力學(xué)分析。研究了金屬-金屬接觸的力學(xué)建模與分析方法?；贖ertz線彈性理論，分

4、析了金屬-金屬微觀接觸的機(jī)理，揭示了接觸面的接觸應(yīng)力分布，得到光滑接觸表面接觸應(yīng)力與名義接觸面積關(guān)系?；贕reenwood-Williamson模型，分析了金屬粗糙接觸表面微觀接觸情況，推導(dǎo)了微凸體接觸面積與接觸載荷間的關(guān)系。建立金屬-金屬接觸的力學(xué)模型，以參數(shù)化形式描述了實(shí)際接觸面積與載荷間的關(guān)系，分析了金屬-金屬接觸的非線性特性。
　　3、力電耦合PIM分析方法。通過分析金屬-金屬接觸面間的電接觸特性，建立了金屬-金屬接觸的

5、等效電路模型，推導(dǎo)了電參數(shù)計(jì)算公式，揭示了各電參數(shù)與接觸力間的強(qiáng)耦合關(guān)系。研究了等效電路的低頻和高頻數(shù)值計(jì)算方法，通過與構(gòu)建的金屬單點(diǎn)接觸實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了力電耦合分析方法的正確性。將金屬-金屬動(dòng)態(tài)接觸分為接觸、半接觸和不接觸3種狀態(tài)，基于二極管非線性電阻特性，建立了金屬-金屬動(dòng)態(tài)接觸等效電路模型。仿真分析了歐空局12m口徑網(wǎng)狀天線的金屬絲網(wǎng)編織單元的力電特性，求解了非線性I-V特性和近場PIMP。然后，分別采用雷達(dá)方程法和FDTD法

6、將近場PIMP外推至遠(yuǎn)場PIMP，結(jié)果與歐空局的測試結(jié)果一致。采用Rosenberger分析儀，對(duì)射頻同軸連接器進(jìn)行了反射式PIM實(shí)驗(yàn)測試，表明預(yù)緊力嚴(yán)重影響同軸連接器的PIM，驗(yàn)證了金屬-金屬接觸的力電耦合規(guī)律。研究的力電耦合PIM分析方法為復(fù)雜大功率微波器件PIM機(jī)理研究和抑制方法提供可靠的研究手段和理論支撐。
　　4、微波負(fù)載電熱耦合PIM分析方法。首先用分?jǐn)?shù)階微分來簡化熱傳導(dǎo)方程，得到分?jǐn)?shù)階熱傳導(dǎo)方程。然后，根據(jù)分?jǐn)?shù)階熱傳

7、導(dǎo)方程，結(jié)合電路-熱路比擬法，建立了分?jǐn)?shù)階熱傳導(dǎo)的電路模型，以電路的形式表現(xiàn)熱傳導(dǎo)結(jié)果。最后，結(jié)合熱阻效應(yīng)，耦合電場和熱場，推導(dǎo)出微波負(fù)載由電熱耦合引起的各階PIM表達(dá)式。通過仿真計(jì)算微波終端負(fù)載和微波衰減器的三階PIM，研究了電阻溫度系數(shù)、熱阻和熱容對(duì)PIM的影響，根據(jù)仿真分析結(jié)果，提出了降低微波負(fù)載電熱耦合引起PIM的設(shè)計(jì)方法，為微波器件電熱耦合的低PIM設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。采用Rosenberger分析儀進(jìn)行了微波負(fù)載的熱電耦合實(shí)