一種Ku頻段四端高功率隔離器設(shè)計(jì)

劉永鋒 溫丹莉 陳曉萌

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，隔離器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，使用頻段覆蓋范圍越來(lái)越寬。為適應(yīng)雷達(dá)收發(fā)組件技術(shù)的發(fā)展，微帶、帶線器件向易集成小型化的方向不斷發(fā)展，但在某些高功率系統(tǒng)中，波導(dǎo)高功率隔離器仍有著不可替代的作用。本文介紹的Ku頻段波導(dǎo)高功率隔離器其應(yīng)用背景是某雷達(dá)系統(tǒng)，隔離器功率需求是承受50kW峰值功率，250W平均功率。在Ku頻段同軸式隔離器及波導(dǎo)結(jié)式隔離器均難以達(dá)到數(shù)百瓦平均功率要求，結(jié)合工作頻段及使用條件優(yōu)選四端波導(dǎo)差相移式隔離器[1]的方案。圖1為Ku頻段隔離器實(shí)物。

圖1 隔離器圖

1 工作原理

四端差相移式隔離器實(shí)現(xiàn)方式多樣，根據(jù)需求可由鐵氧體移相器及3dB電橋組合完成隔離器功能[6]。本方案選擇的是由波導(dǎo)分支、3dB電橋、90°差相移移相器及折疊雙T組成隔離器，其工作原理見(jiàn)圖2[7]。功能上可實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)從1口輸入，經(jīng)電橋、移相器及折疊雙T后，將在2口輸出，通常損耗越小對(duì)通過(guò)的功率容量越有利，散熱根據(jù)系統(tǒng)條件可采用風(fēng)冷、液冷等方式。依次類推，信號(hào)2口入則3口出，3口入則4口出，4口入則1口出，形成信號(hào)環(huán)行。將3、4端口接匹配負(fù)載可作為隔離器使用。

圖2 隔離器工作原理圖

2 設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 部件設(shè)計(jì)

考慮通過(guò)功率及風(fēng)冷散熱條件，設(shè)計(jì)選用BJ140型波導(dǎo)。為獲得滿足需求的高功率隔離器，對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。3dB電橋設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注短縫耦合的長(zhǎng)度及各端口匹配狀態(tài)，波導(dǎo)內(nèi)匹配調(diào)配時(shí)要注意對(duì)稱性；折疊雙T是魔T的一種變形，設(shè)計(jì)時(shí)須關(guān)注E臂的開(kāi)口位置[5]，波導(dǎo)內(nèi)阻抗匹配及調(diào)配柱位置尺寸的優(yōu)化；差相移式90°移相器的設(shè)計(jì)是隔離器的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)時(shí)采用波導(dǎo)內(nèi)放置雙片H面鐵氧體樣品的形式[4]，選取合適磁矩的低損微波鐵氧體材料，確定鐵氧體樣品尺寸及在波導(dǎo)中的位置，以期獲得足夠的差相移量及優(yōu)良的微波性能；為提高功率容量，電橋及折疊雙T中的匹配柱高度不宜高，采用容性匹配，移相器中鐵氧體樣品的厚度不大于1mm，盡量薄且增大與波導(dǎo)壁的接觸面積，以利散熱；完成各部件的設(shè)計(jì)后，將各部件組合形成隔離器，根據(jù)需求設(shè)計(jì)確定各端口位置及形式。

2.2 材料設(shè)計(jì)

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

據(jù)設(shè)計(jì)分析獲得的材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式及電訊尺寸初值在高頻仿真軟件(HFSS)中建模，對(duì)各個(gè)部件分別建模并優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果再對(duì)組合成的隔離器進(jìn)行優(yōu)化[5]。Ku頻段導(dǎo)波波長(zhǎng)較短，對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)較敏感，給器件設(shè)計(jì)帶來(lái)一定困難，須仔細(xì)優(yōu)化并考慮冗余容差設(shè)計(jì)，以期獲得良好結(jié)果。圖3-圖5分別給出了隔離器仿真模型及優(yōu)化結(jié)果。仿真結(jié)果表明1GHz帶寬內(nèi)輸入端口S11參數(shù)優(yōu)于-25dB，S12參數(shù)優(yōu)于-30dB，對(duì)于S21參數(shù)由于實(shí)際中材料損耗、系統(tǒng)連接損耗、波導(dǎo)傳輸損耗等多因素制約，仿真設(shè)計(jì)主要考慮避免系統(tǒng)中有不連續(xù)性引起的異常損耗峰。

圖3 隔離器模型圖

圖4 S11數(shù)據(jù)示意圖

圖5 S12數(shù)據(jù)示意圖

電橋及折疊雙T采用金屬圓柱匹配，電橋匹配柱直徑取5.8，高度不大于1.4；折疊雙T中H面T結(jié)匹配柱直徑取6.4，高度不大于1.1，E面T結(jié)匹配柱高度不大于0.8。鐵氧體材料設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方體，長(zhǎng)度不大于105，寬度取5～6，高度不大于0.8。上述設(shè)計(jì)尺寸單位為mm。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Ku頻段的隔離器使用頻率高，波導(dǎo)尺寸小，電訊尺寸敏感，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)既要保證加工精度又要考慮可操作性，設(shè)計(jì)時(shí)除移相器外均使用整體加工的方法；移相器設(shè)計(jì)為剖分結(jié)構(gòu)，以便鐵氧體材料在波導(dǎo)中焊接；隔離器裝配注意各部件法蘭盤密封設(shè)計(jì)；外磁場(chǎng)安裝設(shè)計(jì)為側(cè)面加凸臺(tái)支耳螺釘緊固的方式；為提高功率容量波導(dǎo)內(nèi)部尖銳突變處均要考慮適當(dāng)?shù)菇?。冷卻形式為自然風(fēng)冷。

3 實(shí)驗(yàn)及測(cè)試

結(jié)構(gòu)件齊套后通過(guò)裝配及調(diào)試獲得了性能優(yōu)良的隔離器，工作帶寬1GHz，駐波小于1.25，隔離大于20dB，插損小于0.50dB。隔離器在某微波系統(tǒng)中進(jìn)行了功率實(shí)驗(yàn)，通過(guò)峰值功率50kW，平均功率250W，散熱狀態(tài)為風(fēng)冷。實(shí)際受限于發(fā)射機(jī)功率和系統(tǒng)安全裕度，未進(jìn)一步做更高功率耐受實(shí)驗(yàn)，通過(guò)液冷設(shè)計(jì)可進(jìn)一步提高功率容量。圖6為隔離器測(cè)試圖。

圖6 隔離器測(cè)試

設(shè)計(jì)及優(yōu)化時(shí)波導(dǎo)特性、部件連接、匹配狀態(tài)、鐵氧體材料特性及磁化狀態(tài)等參數(shù)均基于理想狀態(tài)，實(shí)際研制過(guò)程中加工精度、部件連接不連續(xù)性、鐵氧體材料參數(shù)、磁化狀態(tài)、外接負(fù)載匹配狀態(tài)及測(cè)試誤差均會(huì)導(dǎo)致實(shí)測(cè)結(jié)果和設(shè)計(jì)結(jié)果的偏差?？傮w來(lái)看，實(shí)測(cè)輸入端口駐波優(yōu)于1.15，隔離度優(yōu)于24dB，與設(shè)計(jì)預(yù)期基本相符。圖7給出了隔離器主要性能包括端口駐波、插損和隔離度的實(shí)測(cè)結(jié)果。

圖7 隔離器主要性能測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

文中闡述了一種Ku頻段四端差相移式隔離器的設(shè)計(jì)分析過(guò)程，給出了該隔離器設(shè)計(jì)中的關(guān)注點(diǎn)。在HFSS中完成了建模并對(duì)隔離器進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，研制性能優(yōu)良的Ku頻段隔離器。高功率性能已在某微波系統(tǒng)中得到驗(yàn)證，通過(guò)峰值功率50kW，平均功率250W。該隔離器通過(guò)液冷散熱等措施可進(jìn)一步提高功率容量。