高功率鐵氧體移相器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

鄧廣健，黃文華，巴　濤，郭樂田，方文饒

(西北核技術(shù)研究所，西安710024; 高功率微波重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710024)

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高功率鐵氧體移相器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

鄧廣健，黃文華，巴濤，郭樂田，方文饒

(西北核技術(shù)研究所，西安710024; 高功率微波重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710024)

采用雙磁環(huán)結(jié)構(gòu)，利用加載介質(zhì)集中微波能量，提升移相器功率容量的方案，進(jìn)行了移相器結(jié)構(gòu)尺寸、鐵氧體材料參數(shù)等的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)研制加工的高功率移相器開展了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明：X波段移相器峰值功率容量可達(dá)60 kW，插入損耗約0.5 dB，最大移相量可達(dá)320。理論分析了高功率移相器的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，認(rèn)為：鐵氧體在高功率下的非線性效應(yīng)制約移相器功率容量。當(dāng)輸入功率超過60 kW，移相器插入損耗隨功率增大迅速增加，理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

移相器；鐵氧體；高功率容量；非線性效應(yīng)

鐵氧體移相器是相控陣天線中的關(guān)鍵器件[1-3]，具有可靠性高、插入損耗低和功率容量大的優(yōu)勢(shì)[4]。自1957年Reggia-Spencer鐵氧體移相器問世以來，出現(xiàn)了多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善了移相器特性[5-12]。例如，在鐵氧體環(huán)縫中加載介質(zhì)，可改善鐵氧體中磁場(chǎng)的圓極化特性，提升移相量[5]。溫俊鼎提出的背脊波導(dǎo)單環(huán)移相器，也可提升移相器的移相量，且該結(jié)構(gòu)形式對(duì)工藝要求不高[6]。此外，采用雙鐵氧體磁環(huán)結(jié)構(gòu)，在雙環(huán)之間加載介質(zhì)，可提高鐵氧體移相器的移相量，并使移相器具備較高的功率容量[10-13]。

美國(guó)在20世紀(jì)60—70年代對(duì)移相器研究較多[14-16]，實(shí)現(xiàn)了C波段功率容量為115 kW的目標(biāo)[14]。近年來，除文獻(xiàn)[16]介紹的L波段2 MW移相器外，對(duì)高功率鐵氧體移相器的研究較少，對(duì)鐵氧體移相器在高功率微波下的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及機(jī)理的分析鮮有報(bào)道，但對(duì)鐵氧體材料在高功率下的非線性效應(yīng)則有大量報(bào)道。

我國(guó)對(duì)高功率鐵氧體移相器的研究比較少，X波段的峰值功率容量最高僅為千瓦量級(jí)[17]。為探索高功率鐵氧體移相器的應(yīng)用，本文采用具備較高功率容量的雙磁環(huán)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了高功率優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制加工了移相器，并對(duì)其進(jìn)行了高功率實(shí)驗(yàn)，總結(jié)分析了移相器高功率實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

1高功率鐵氧體移相器設(shè)計(jì)

鐵氧體移相器利用鐵氧體材料的磁導(dǎo)率隨外加磁場(chǎng)變化的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波傳輸相位的改變。波導(dǎo)鎖式鐵氧體移相器采用內(nèi)部環(huán)形磁路設(shè)計(jì)，不需要持續(xù)電流激勵(lì)，具有低驅(qū)動(dòng)功率的優(yōu)勢(shì)，如圖1(a)所示。該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是激勵(lì)線穿過波導(dǎo)中央場(chǎng)強(qiáng)最強(qiáng)位置，容易引起電場(chǎng)擊穿。

為進(jìn)行高功率容量設(shè)計(jì)，采用雙矩形環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示。將激勵(lì)線移到兩邊，從而抑制電場(chǎng)擊穿。此外，在雙鐵氧體磁環(huán)中間加載介質(zhì)，使加載介質(zhì)能集中微波能量，降低鐵氧體環(huán)中場(chǎng)強(qiáng)，提高移相器功率容量。

(a)Single toroid phase shifter

(b)Dual-toroid phase shifter圖1波導(dǎo)鎖式鐵氧體移相器結(jié)構(gòu)Fig.1Structure of waveguide latching ferrite phase shifter

隨著輸入功率升高，當(dāng)鐵氧體材料中的磁場(chǎng)強(qiáng)度大于材料的臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，鐵氧體中激發(fā)自旋波，引起移相器損耗劇增[14]。通常，鐵氧體激發(fā)自旋波的不穩(wěn)定閾值，限制移相器的峰值功率容量。

為實(shí)現(xiàn)高功率容量，需對(duì)移相器結(jié)構(gòu)尺寸及材料參數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。在材料方面，因?yàn)榕R界磁場(chǎng)強(qiáng)度與ΔHk/p成正比，其中，ΔHk表示鐵氧體的自旋波線寬；p=γ4πMs/ω，表示歸一化磁矩，γ為旋磁比，4πMs為材料的飽和磁化強(qiáng)度，ω為工作頻率，所以，增大材料的自旋波線寬及減小歸一化磁矩均可增加臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度，提高功率容量，但會(huì)導(dǎo)致鐵氧體磁損耗增加及移相器移相量減小。因此，選用高功率鐵氧體材料，會(huì)在一定程度上增大移相器的插入損耗。

本文以適當(dāng)增加移相器損耗為代價(jià)，選擇自旋波線寬ΔHk為1. 2kA·m-1，飽和磁化強(qiáng)度4πMs為113kA·m-1。在結(jié)構(gòu)方面，波導(dǎo)的寬度a、高度b、鐵氧體環(huán)厚度w1、加載介質(zhì)寬度w2均將對(duì)移相器性能帶來影響。選擇加載介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)εr為15.5，采用有限元方法，仿真模擬上述結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)輸入功率1kW下鐵氧體中的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度H及移相器單位長(zhǎng)度移相量ΔΦ的影響，結(jié)果如圖2所示。

(a)Waveguide width

(b)Waveguide height

(c)Ferrite toroid thickness

(d)Loading ceramic width圖2最大磁場(chǎng)強(qiáng)度及單位長(zhǎng)度移相量隨移相器結(jié)構(gòu)尺寸變化曲線Fig.2Maximum magnetic strength and phase shift per length vs. structure size of phase shifter

由仿真模擬結(jié)果可知，增大波導(dǎo)寬度a，可降低磁場(chǎng)強(qiáng)度、增加移相器的移相量，但作用較小，如圖2(a)所示。增大波導(dǎo)高度b，可明顯降低磁場(chǎng)強(qiáng)度，并增大移相量，如圖2(b)所示。增大鐵氧體環(huán)厚度w1，移相器移相量增加，并存在極值點(diǎn)。調(diào)整w1，對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響比較小，如圖2(c)所示。增大加載介質(zhì)寬度w2，移相器ΔΦ的變化與增大w1的情況下相類似，均存在極值點(diǎn)。磁場(chǎng)強(qiáng)度隨w2的增加逐漸減小，如圖2(d)所示。

值得注意的是，由于鐵氧體材料及加載介質(zhì)介電常數(shù)較高，波導(dǎo)中除基模準(zhǔn)LSE10模式外，也會(huì)存在其他高次模式。若移相器中激發(fā)了高次模式，移相器性能將會(huì)惡化，會(huì)出現(xiàn)較大的回波損耗及損耗尖峰。進(jìn)行移相器優(yōu)化設(shè)計(jì)，必須考慮對(duì)高次模式的抑制問題。

以降低鐵氧體中磁場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)膯挝婚L(zhǎng)度移相量，從而控制移相器插入損耗并抑制高次模式為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)果為：波導(dǎo)寬度a=12.7 mm、高度b=10.16 mm，鐵氧體環(huán)厚度w1=1.00 mm，加載介質(zhì)厚度w2=1.80 mm。

2移相器仿真與低功率測(cè)試結(jié)果

采用上述優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，移相段長(zhǎng)度L為120 mm。在移相段兩端加入阻抗匹配結(jié)構(gòu)，得到移相器結(jié)構(gòu)模型如圖3(a)所示，研制加工的移相器實(shí)物樣件如圖3(b) 所示。

(a)Model of phase shifter

(b)Prototype of phase shifter圖3移相器整體結(jié)構(gòu)Fig.3Overall structure of phase shifter

采用有限元方法對(duì)移相器模型進(jìn)行仿真，并對(duì)移相器進(jìn)行低功率測(cè)試，S參數(shù)及最大移相量ΔΦmax的仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比分別如圖4(a)、圖4(b)所示。

(a)S parameter

(b)Maximum phase shift圖4移相器仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比Fig.4Simulation and test results of phase shifter

如圖4所示，移相器在9.0～9.5 GHz內(nèi)，反射系數(shù)S11均小于-20 dB，插入損耗在0.5 dB左右。在頻率為9.3 GHz下，移相器最大移相量在320°左右，移相器仿真與測(cè)試結(jié)果較為一致。應(yīng)該指出，通過增加移相段長(zhǎng)度L，可實(shí)現(xiàn)360°的最大移相量，此時(shí),移相量插入損耗將在0.6 dB左右。

3移相器仿真與高功率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1功率容量仿真結(jié)果

對(duì)移相器的功率容量進(jìn)行仿真分析，在輸入功率60 kW下，移相器中電場(chǎng)分布以及鐵氧體中磁場(chǎng)分布分別如圖5 (a)和圖5(b)所示。

(a)Electric field distribution of phase shifter

(b)Magnetic field distribution of ferrite圖5移相器內(nèi)場(chǎng)分布Fig.5Field distributions of phase shifter

由電場(chǎng)分布結(jié)果可知，在60 kW下，移相器內(nèi)最大電場(chǎng)強(qiáng)度約為9.9 kV·cm-1，遠(yuǎn)小于擊穿閾值，不會(huì)引發(fā)電場(chǎng)擊穿問題。分析鐵氧體內(nèi)的非線性效應(yīng)可知，因?yàn)槲⒉ù艌?chǎng)與鐵氧體磁矩相互作用方式的差異，所以鐵氧體環(huán)中平行板與垂直板部分的自旋波激發(fā)閾值有所差別[18]。鐵氧體垂直板中的自旋波激發(fā)由其中微波磁場(chǎng)強(qiáng)度的正圓極化分量決定[17,19]。由仿真結(jié)果可知，在60 kW下，鐵氧體垂直板中微波磁場(chǎng)的正圓極化分量最大值為2.13 kA·m-1，其臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度為[17,19]2ΔHk/p= 7.28 kA·m-1，因而在此功率下，鐵氧體垂直板中不會(huì)激發(fā)自旋波。鐵氧體平行板中的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度為3.77 kA·m-1，其臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度為[18]ΔHk/p= 3.64 kA·m-1，平行板中的微波磁場(chǎng)強(qiáng)度大于臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度。據(jù)此分析，當(dāng)移相器輸入功率達(dá)到60 kW，鐵氧體平行板中將激發(fā)自旋波，引起移相器損耗迅速增加。

3.2功率容量測(cè)試結(jié)果

為進(jìn)行移相器功率容量測(cè)試，建立了測(cè)試系統(tǒng)，如圖6所示。采用速調(diào)管放大器作為微波源，源中心頻率為9.3 GHz，輸出峰值功率可達(dá)100 kW。通過測(cè)量入射波、反射波及透射波3路波形，可計(jì)算出入射功率、反射功率及透射功率，得到移相器在高功率下的反射系數(shù)和插入損耗，判斷其功率容量。

圖6移相器功率容量測(cè)試系統(tǒng)Fig.6Power capacity test system of phase shifter

采用上述測(cè)試系統(tǒng)對(duì)移相器進(jìn)行功率容量測(cè)試，在重復(fù)頻率100 Hz、脈寬920 ns條件下得到參數(shù)S及高功率測(cè)試波形，分別如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可見，輸入功率從13 kW逐漸增大至60 kW，移相器插入損耗保持在0.5 dB左右，測(cè)試波形均為方波。輸入功率超過60 kW，移相器透射波形發(fā)生畸變，插入損耗隨輸入功率增大迅速增加。因而，測(cè)試結(jié)果表明，移相器功率容量可達(dá)60 kW。

圖7高功率測(cè)試得到的移相器S參數(shù)Fig.7S parameter of phase shifter at high power

(a)Test waveforms of 60 kW input power

(b)Test waveforms of 70 kW input power

(c)Test waveforms of 87 kW input power圖8移相器高功率測(cè)試波形Fig.8Waveforms of phase shifter at high power

3.3測(cè)試與仿真結(jié)果對(duì)比分析

結(jié)合仿真結(jié)果對(duì)移相器高功率測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，當(dāng)輸入功率大于60 kW，移相器測(cè)試波形發(fā)生畸變。輸入功率為70 kW和87 kW下的測(cè)試波形表明：隨時(shí)間延續(xù)，波形幅度由峰值位置逐漸下降，最終趨于平緩；并且在每個(gè)功率點(diǎn)下重復(fù)測(cè)試，移相器測(cè)試波形相同，如圖8 (b)和圖8 (c)所示。在輸入功率大于60 kW時(shí)，移相器測(cè)試波形穩(wěn)定變化，未出現(xiàn)因擊穿引發(fā)的脈沖縮短等不穩(wěn)定波形，因而移相器的高功率實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并非擊穿造成。此分析結(jié)果與移相器內(nèi)最大電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于擊穿閾值的仿真結(jié)果相符。

此外，仿真結(jié)果表明：當(dāng)輸入功率大于60 kW，鐵氧體中將激發(fā)自旋波模式，消耗鐵氧體內(nèi)的微波能量，引起移相器透射波形畸變，幅度出現(xiàn)衰減，移相器損耗劇增。并且，隨著輸入功率增大，鐵氧體中磁場(chǎng)強(qiáng)度超過自旋波激發(fā)臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度的區(qū)域隨之增加，導(dǎo)致移相器的損耗隨輸入功率升高而迅速增加。由圖7和圖8可知，移相器高功率測(cè)試結(jié)果與理論分析結(jié)果一致，證實(shí)了鐵氧體在高功率下激發(fā)自旋波引起的非線性效應(yīng)，制約了移相器的功率容量。

3.4高功率移相實(shí)驗(yàn)

對(duì)移相器進(jìn)行高功率移相實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證移相器在高功率下的移相能力。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖9所示，示波器通道1可檢測(cè)輸入功率。入射波與透射波經(jīng)本振混頻后變?yōu)?0 MHz左右的低頻信號(hào)，可通過示波器讀取相位。在不同的置位狀態(tài)下，測(cè)量通道2的入射波與通道3透射波的相位差即為移相器的插入相位。

圖9高功率移相實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.9High power phase shift experiment system of phase shifter

在輸入功率60 kW下，對(duì)移相器的插入相位進(jìn)行測(cè)量，得到高功率下的移相實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖10所示?？梢姡葡嗥饕廊豢蓪?shí)現(xiàn)320°左右的最大移相量。各置位狀態(tài)下移相器的相移量與小信號(hào)測(cè)量結(jié)果均能較好吻合，驗(yàn)證了移相器在高功率下具備移相能力。

圖10高功率移相測(cè)試結(jié)果Fig.10Test results in high power phase shift experiment

4結(jié)論

本文采用雙鐵氧體磁環(huán)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種高功率移相器，并進(jìn)行了高功率測(cè)試，結(jié)果表明：移相器的峰值功率容量可達(dá)60 kW，在9.0～9.5 GHz頻率范圍內(nèi)，反射系數(shù)均小于-20 dB，插入損耗在0.5 dB左右，移相器的最大移相量可達(dá)320 °。

當(dāng)輸入功率超過60 kW，移相器的插入損耗隨輸入功率增大迅速增加，證實(shí)了鐵氧體在高功率下的非線性效應(yīng)制約移相器的功率容量。

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Design and Experiment of a High Power Ferrite Phase Shifter

DENG Guang-jian,HUANG Wen-hua,BA Tao,GUO Le-tian,FANG Wen-rao

(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China;Science and Technology on High Power Microwave Laboratory,Xi’an710024,China)

The high power ferrite phase shifter designed in this paper utilizes loading material to concentrate the microwave energy, and a dual toroidal structure is proposed to increase its power capacity. The structure size of the high power ferrite phase shifter and parameters of the ferrite are comprehensively optimized. A manufacture prototype of the high power ferrite phase shifter is fabricated and tested. The results indicate that the peak power capacity reaches 60 kW at X-band with an insertion loss of about 0.5 dB, and the maximum differential phase shift is 320. The high power experiment phenomena are theoretically analyzed. Conclusions are made that the nonlinear effect of the ferrite under high power limits power capacity. The insertion loss increases rapidly as the input power is raised beyond 60 kW. The theoretical analyses are in agreement with the experiment results.

phase shifter;ferrite;high power capacity;nonlinear effect

2016-06-03；

2016-07-21

鄧廣健(1990-)，男，吉林德惠人，研究實(shí)習(xí)員，碩士，主要從事電磁場(chǎng)與微波技術(shù)研究。

E-mail:dengguangjian@nint.ac.cn

TN61

A

2095-6223(2016)030501(6)