無源互調(diào)機理研究和其抑制措施

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1、無源互調(diào)機理研究和其抑制措施　　【摘要】本文討論了無源互調(diào)產(chǎn)物的產(chǎn)生機理及其減小措施。指出無源互調(diào)干擾主要來自兩種無源非線性：接觸非線性和材料非線性。對幾種重要的非線性機理進行了特別的描述，給出了PIM產(chǎn)物的主要抑制措施?！娟P(guān)鍵詞】無源互調(diào)；接觸非線性；材料非線性；抑制措施一、引言近年來，隨著通信系統(tǒng)及其用戶數(shù)量大幅增加，移動通信系統(tǒng)中的無源互調(diào)產(chǎn)物，已成為影響系統(tǒng)通信質(zhì)量的重要寄生干擾之一。因此科學有效的分析無源互調(diào)機理及測量其產(chǎn)物對提高整個通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量將具有重要的意義。為了比較全面地理解無源互調(diào)

2、干擾問題，我們有必要首先了解無源互調(diào)的產(chǎn)生機理。在大功率衛(wèi)星通信系統(tǒng)和移動通信系統(tǒng)中，微波器件的PIM干擾主要來自兩種無源非線性：接觸非線性和材料非線性。前者指的是具有非線性電流電壓特性的任何金屬接觸；后者指的是具有固有非線性導(dǎo)電特性的鐵磁材料、碳纖維和鐵鎳鈷合金。需要特別指出的是，除了上述兩種無源非線性機理外，還可能存在一些其他的非線性效應(yīng)，這對無源互調(diào)的產(chǎn)生也有一定的貢獻。9二、無源互調(diào)的幾種重要的機理分析（一）接觸非線性機理接觸非線性主要包括由材料結(jié)構(gòu)和時間相關(guān)現(xiàn)象引起的非線性效應(yīng)。由材料結(jié)構(gòu)引起的

3、非線性產(chǎn)生機理主要包括：由接合面上的點接觸引起的機械效應(yīng)；由點電子接觸引起的電子效應(yīng)；由點電子接觸和局部大電流引起的熱效應(yīng)。由時間相關(guān)現(xiàn)象引起的非線性主要包括：斑點尺寸隨著電流的通過而增大；由強直流電流引起的金屬導(dǎo)體中離子的電遷移；引起接觸面相對運動的熱循環(huán)；引起接觸面相對運動的振動和磨損；不同熱膨脹系數(shù)的器件接觸引起的熱循環(huán)；金屬接觸的松動和滑動以及氧化層或污染物的增加。1.量子隧穿與熱電子發(fā)射效應(yīng)9根據(jù)經(jīng)典的理論，“金屬-絕緣體-金屬”（MIM）式的結(jié)構(gòu)是無法實現(xiàn)電流傳導(dǎo)的。但是，量子理論表明，對于表

4、面氧化層很薄的情形，金屬中的電子可以通過隧道效應(yīng)穿過勢壘，從一個金屬到達另一個金屬。從上個世紀五六十年代以來，人們對于MIM結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電機理做了大量的研究，研究結(jié)果表明：量子隧穿和熱電子發(fā)射效應(yīng)是金屬-金屬接觸中產(chǎn)生PIM的兩個重要因素。如果金屬中的電子具有足夠的能量越過介質(zhì)形成的勢壘從而形成金屬之間的電流傳導(dǎo)，則稱這種現(xiàn)象為熱電子發(fā)射電流；反之，當金屬中的電子能量不太高且介質(zhì)形成的勢壘厚度較薄時，電子將通過量子隧穿效應(yīng)實現(xiàn)電流傳導(dǎo)。圖1顯示了薄勢壘MIM結(jié)構(gòu)的能帶圖及其相應(yīng)的導(dǎo)電機理。圖1薄勢壘MIM結(jié)構(gòu)

5、的能帶圖及其導(dǎo)電機理量子隧穿電流通常對勢壘高度、外加偏壓和介質(zhì)層厚度等參數(shù)非常敏感，且具有很強的非線性特性。依據(jù)Simmons的研究成果，可由下式計算：（1-1）式中，式中為勢壘高度，單位為eV；為介質(zhì)層厚度，單位為?；為MIM結(jié)構(gòu)的偏壓，單位為V；為電流密度，單位為A/cm2；為介質(zhì)層的相對介電常數(shù)。而熱電子發(fā)射電流計算公式為：（1-2）式中T為溫度，單位為K；k為波爾茲曼常數(shù)。利用式（1-1）和式（1-2），在不同的參數(shù)條件下，可以對MIM結(jié)構(gòu)的量子隧穿電流和熱電子發(fā)射電流進行計算。結(jié)果表明：勢壘高度

6、、外加偏壓、介質(zhì)層厚度及相對介電常數(shù)這四個參數(shù)對量子隧穿電流和熱電子發(fā)射電流的影響趨勢是一致的，而且熱電子發(fā)射電流還強烈地依賴于溫度。這樣，當MIM結(jié)構(gòu)本身的參數(shù)相同時，可以通過調(diào)節(jié)溫度的大小來控制MIM結(jié)構(gòu)的主要導(dǎo)電過程。2.微放電機理9微放電是在真空條件下大功率強微波電場作用下發(fā)生的一種射頻擊穿放電現(xiàn)象。為了簡要描述微放電機理，我們以真空中的平行板為例。假設(shè)電子數(shù)為N的很多電子在時從一個極板（）發(fā)射（如圖2），在RF電場驅(qū)動下到達另一極板（）。通過撞擊，發(fā)射許多電子（數(shù)目為），為這次特別撞擊的二次電子

7、倍增系數(shù)，它是撞擊能量和表面材料的函數(shù)。如果在狹縫中的飛行時間約等于RF周期的，或者等于RF周期的奇數(shù)倍，那么新發(fā)射的二次電子就可能被加速，直到再次撞擊的極板，引發(fā)個二次電子的發(fā)射，式中是第二次撞擊的二次電子發(fā)射系數(shù)。經(jīng)過n次撞擊后，放電后的電子數(shù)為。圖2是時的微放電示意圖。圖2微放電示意圖材料非線性機理（二）材料非線性機理1.鐵磁效應(yīng)9鐵磁材料具有很大的磁導(dǎo)率，在強磁場下會產(chǎn)生飽和，并隨磁場非線性變化，顯示出磁滯特性。鐵、鎳、鈷及其合金、鑭系元素（如稀土）等都是鐵磁材料，它們能引起很強的PIM產(chǎn)物。鐵磁

8、非線性是由含有鐵磁材料的金屬器件在導(dǎo)電時因隨電流流動使導(dǎo)體電路磁導(dǎo)率產(chǎn)生變化引起的，這和一個電路電感的非線性變化非常相似，它導(dǎo)致兩個或兩個以上信號產(chǎn)生非常強的PIM產(chǎn)物。這種非線性是一種磁飽和畸變的形式，且不隨時間而變化，通常情況下比普通的接觸非線性好得多（如圖3所示）。圖3鐵磁非線性2.電熱效應(yīng)近期的一些研究報導(dǎo)了微帶傳輸線上電熱引起的PIM產(chǎn)物。電熱引起電導(dǎo)率的調(diào)制是傳輸線上PIM的支配性的物理機理，PIM的產(chǎn)生是由電流相