基于間隙波導(dǎo)的小型化可插拔式無法蘭波導(dǎo)

陳翔,孫冬全,王小麗,崔萬照,賀永寧

(1.西安交通大學微電子學院,710049,西安;2.中國空間技術(shù)研究院西安分院空間微波技術(shù)重點實驗室,710100,西安;3.西安電子科技大學物理與光電工程學院,710071,西安)

波導(dǎo)傳輸線由于具有低損耗、高功率容量等優(yōu)勢,是衛(wèi)星有效載荷微波系統(tǒng)中最廣泛應(yīng)用的傳輸線形式之一。波導(dǎo)法蘭是波導(dǎo)部件及系統(tǒng)中最常見的微波連接結(jié)構(gòu),在衛(wèi)星有效載荷微波系統(tǒng)中大量應(yīng)用。與此同時,大量的法蘭連接勢必造成體積和重量的額外大幅增加,不利于載荷系統(tǒng)的小型輕量化,且與波導(dǎo)本身相比,傳統(tǒng)法蘭需占用較大的空間,不利于系統(tǒng)的緊湊布局。針對此問題,當前在衛(wèi)星工程應(yīng)用中已逐漸開始采用無法蘭波導(dǎo)連接,以減小傳統(tǒng)波導(dǎo)法蘭的體積和質(zhì)量,例如,2020年7月9日成功發(fā)射的我國首個全球高通量寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)首發(fā)星——亞太6D通信衛(wèi)星中就大量采用了無法蘭波導(dǎo)[1]。圖1所示為目前衛(wèi)星工程應(yīng)用中所采用的焊接式無法蘭波導(dǎo)結(jié)構(gòu),主要包括套箍式焊接和直接對接焊接兩種,均是通過焊接工藝實現(xiàn)波導(dǎo)的無法蘭連接,其性能的好壞取決于焊接工藝的合格與否。如果焊接工藝的一致性難以保證,則焊接后的無法蘭波導(dǎo)的電磁傳輸性能難以預(yù)估和保證。焊接為不可逆過程,一旦焊接完成,波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和位置則無法改變,不利于系統(tǒng)中各部件的靈活拆卸組裝,不利于系統(tǒng)的整體設(shè)計和靈活布局。為獲得滿意可靠的性能,焊接式無法蘭波導(dǎo)所需的焊接工藝及檢驗過程十分復(fù)雜,導(dǎo)致較高的成本。

圖1 焊接式無法蘭波導(dǎo)

近年來,間隙波導(dǎo)(GW)理論及技術(shù)引起了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注,成為重要的熱點研究方向[2-5]。GW的核心本質(zhì)為非接觸電磁帶隙原理[6-7]:當理想電導(dǎo)體(PEC)平面和理想磁導(dǎo)體(PMC)平面平行放置且不接觸,在一定尺寸參數(shù)條件下,即可形成非接觸電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu),其內(nèi)部不支持禁帶范圍內(nèi)任何電磁場模式的傳播。自然界中不存在PMC平面,可通過特定的周期性結(jié)構(gòu)設(shè)計,構(gòu)造人工磁導(dǎo)體(AMC)平面代替。GW技術(shù)圍繞如何構(gòu)建各類非接觸電磁帶隙結(jié)構(gòu)實現(xiàn)無物理接觸條件下的電磁場屏蔽所展開,其獨有的非接觸特性在很多領(lǐng)域顯現(xiàn)出巨大的技術(shù)優(yōu)勢,為微波毫米波電路、天線及封裝等應(yīng)用提供了全新的方法和途徑[8-13]。新型波導(dǎo)連接是GW技術(shù)的重要應(yīng)用之一,基于非接觸EBG原理,可以實現(xiàn)傳統(tǒng)方法很難或無法實現(xiàn)的新型波導(dǎo)連接結(jié)構(gòu)。文獻[14]和[15]中提出基于間隙波導(dǎo)技術(shù)的非接觸法蘭結(jié)構(gòu),用于實現(xiàn)太赫茲系統(tǒng)的快速測試。孫冬全等相繼提出了基于圓柱面非接觸EBG結(jié)構(gòu)的可彎折軟波導(dǎo)[16]以及基于級聯(lián)式空氣間隙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的可實時旋轉(zhuǎn)扭波導(dǎo)[17]。此外,陳翔等將間隙波導(dǎo)技術(shù)與金屬接觸導(dǎo)致的無源互調(diào)(PIM)問題相結(jié)合,提出非接觸式低PIM設(shè)計技術(shù),并研制了一種折疊結(jié)構(gòu)的寬帶小型化非接觸式低PIM法蘭作為驗證[18],獲得了優(yōu)秀的性能,此后,又基于間隙波導(dǎo)技術(shù)提出多種非接觸式的低PIM波導(dǎo)法蘭轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)[19-21]。

針對焊接式無法蘭波導(dǎo)所存在的問題,如果采用普通波導(dǎo)的直接插拔式設(shè)計,則由于機械加工誤差及粗糙度的存在,實際中不可能形成理想電接觸,插拔接觸表面間會存在空氣間隙,造成電磁泄露,影響波導(dǎo)的電磁傳輸性能。針對此問題,將間隙波導(dǎo)的非接觸電磁屏蔽特性與無法蘭波導(dǎo)需求相結(jié)合,提出新型的快速可插拔式無法蘭波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通過構(gòu)建電磁帶隙結(jié)構(gòu)實現(xiàn)插拔式連接部位的電磁場屏蔽,將電磁信號束縛在波導(dǎo)內(nèi)部,保證了正常的電磁傳輸性能。基于此提出兩種具體的無法蘭波導(dǎo)技術(shù)方案并完成了實物驗證,獲得了良好的性能。本文所提無法蘭波導(dǎo)可以大幅降低傳統(tǒng)法蘭連接的體積,同時可實現(xiàn)波導(dǎo)全帶寬內(nèi)快速、靈活的插拔式連接,此外還具有良好的制造裝配容差性能,解決了已有焊接式無法蘭波導(dǎo)工藝復(fù)雜、裝配難度大、布局不靈活的問題,可廣泛應(yīng)用于各種微波部件與系統(tǒng)中。

1 無法蘭波導(dǎo)技術(shù)方案

針對實際的無法蘭波導(dǎo)應(yīng)用需求,提出兩種具體的無法蘭波導(dǎo)技術(shù)方案。

1.1 標準尺寸無法蘭波導(dǎo)

標準尺寸無法蘭波導(dǎo)基于標準波導(dǎo)實現(xiàn),包括結(jié)構(gòu)A與結(jié)構(gòu)B兩部分,如圖2所示。在一個標準波導(dǎo)末端的外壁四周設(shè)計周期性的釘床結(jié)構(gòu),構(gòu)成人工磁導(dǎo)體(AMC)平面,作為結(jié)構(gòu)A。結(jié)構(gòu)B為末端帶有屏蔽腔的另一標準波導(dǎo),屏蔽腔的內(nèi)腔壁作為理想電導(dǎo)體(PEC)平面,與釘床構(gòu)成EBG結(jié)構(gòu)。屏蔽腔深度大于等于釘床結(jié)構(gòu)沿波導(dǎo)傳輸方向的長度,不同于文獻[18]中用于實現(xiàn)低PIM的非接觸式結(jié)構(gòu),本文中無法蘭波導(dǎo)為接觸式結(jié)構(gòu),屏蔽腔的內(nèi)腔寬高尺寸設(shè)計值等于釘床結(jié)構(gòu)的外部輪廓尺寸Wouter和Houter,即AMC平面和PEC平面間的空氣間隙理論值為0,根據(jù)非接觸電磁帶隙特性,此時可以大幅降低釘床尺寸,因而可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的小型化。實際加工制造時采取公差處理,當結(jié)構(gòu)A插入結(jié)構(gòu)B中時,AMC面和PEC面形成間隙配合,進而構(gòu)成波導(dǎo)間的插拔式緊連接。可根據(jù)需要靈活設(shè)計額外的機械連接結(jié)構(gòu),機械連接結(jié)構(gòu)無固定形式。

圖2 標準尺寸無法蘭波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 阻抗變換式緊湊型無法蘭波導(dǎo)

上述標準尺寸無法蘭波導(dǎo)需要在標準波導(dǎo)壁四周構(gòu)建金屬釘床結(jié)構(gòu),在另一波導(dǎo)末端設(shè)計相應(yīng)的屏蔽腔以實現(xiàn)插拔式連接,該結(jié)構(gòu)相比標準波導(dǎo)本身,在插拔連接部位仍然會帶來體積的增大。為此,進一步提出一種緊湊型的無法蘭波導(dǎo)連接結(jié)構(gòu),如圖3所示,通過阻抗變換設(shè)計,將普通波導(dǎo)變換至減尺寸的非標波導(dǎo)結(jié)構(gòu),在非標波導(dǎo)部分運用非接觸電磁帶隙原理實現(xiàn)無法蘭的插拔式連接。

阻抗變換式無法蘭波導(dǎo)通過增加阻抗變換結(jié)構(gòu),可以進一步減小連接部位尺寸,更加有利于小型化設(shè)計和靈活布局,但是阻抗變換的引入會造成一定的帶寬和駐波性能損失,在實際應(yīng)用中可以根據(jù)具體需求設(shè)計合適的阻抗變換結(jié)構(gòu)。

2 無法蘭波導(dǎo)設(shè)計方法

當結(jié)構(gòu)A插入結(jié)構(gòu)B中時,由于機械加工公差、誤差、粗糙度的存在以及間隙配合的工藝需要,AMC平面與PEC平面間存在微小的空氣間隙。根據(jù)非接觸電磁帶隙原理,為了抑制電磁場從空氣間隙中泄露,需對AMC結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)進行特定的設(shè)計和計算,使得AMC平面和PEC平面共同構(gòu)成EBG結(jié)構(gòu),形成覆蓋波導(dǎo)工作帶寬的電磁禁帶,將電磁場束縛在波導(dǎo)內(nèi)部而不會從空氣間隙中泄露,進而保證波導(dǎo)正常的電磁傳輸性能。

無法蘭波導(dǎo)設(shè)計的關(guān)鍵在于確定其中所形成的EBG結(jié)構(gòu)及相關(guān)尺寸參數(shù),還需考慮實際中所存在的機械加工及裝配誤差,分析其主要的容差特性,以獲得滿足實際應(yīng)用需求的性能。設(shè)計步驟如下。

(1)電磁禁帶設(shè)計。在電磁仿真程序中建立非接觸EBG結(jié)構(gòu)的最小單元模型,在周期性邊界條件下通過本征模式求解獲得色散特性,根據(jù)色散特性確定電磁禁帶,調(diào)整EBG結(jié)構(gòu)的各參數(shù)值,獲得滿足需求的電磁禁帶范圍。

(2)機械加工容差分析。根據(jù)實際機械加工及間隙配合工藝要求,設(shè)定AMC平面與PEC平面間的空氣間隙取值范圍,計算不同空氣間隙下的電磁禁帶。需保證在所設(shè)定的空氣間隙范圍內(nèi),電磁禁帶均可以覆蓋所需的波導(dǎo)工作帶寬,從而保證足夠的機械加工容差性能。

(3)電磁傳輸性能分析。根據(jù)獲得的尺寸參數(shù)建立無法蘭波導(dǎo)的整體電磁結(jié)構(gòu)模型,將空氣間隙設(shè)定為典型值,仿真分析無法蘭波導(dǎo)的S參數(shù)特性,獲得滿足條件的電磁傳輸性能。

(4)裝配誤差容差分析。根據(jù)實際裝配誤差情況設(shè)定結(jié)構(gòu)A與結(jié)構(gòu)B波導(dǎo)端口間距的取值范圍。在所設(shè)定的間距范圍內(nèi)分析無法蘭波導(dǎo)連接的電磁傳輸特性,獲得允許的裝配容差范圍。

(5)電磁屏蔽特性分析。將裝配誤差設(shè)定為所確定容差范圍的最大值,根據(jù)實際工作環(huán)境設(shè)置波導(dǎo)傳輸功率,仿真分析電磁場分布特性,根據(jù)場強分布選定釘床結(jié)構(gòu)中周期性金屬單元的數(shù)量,以保證足夠的電磁屏蔽性能。

(6)最終結(jié)構(gòu)參數(shù)確定。根據(jù)實際結(jié)構(gòu)及具體情況可微調(diào)尺寸參數(shù),獲得滿足條件的S參數(shù)特性,加工實物樣件,完成實驗測試驗證。

3 無法蘭波導(dǎo)樣件設(shè)計及實驗驗證

本文采用Ku頻段WR75(BJ120)標準波導(dǎo)對應(yīng)的兩種無法蘭波導(dǎo)作為實物驗證。選擇標準尺寸無法蘭波導(dǎo)樣件為例做具體說明,阻抗變換式緊湊型無法蘭波導(dǎo)除增加阻抗變換結(jié)構(gòu)外,其他設(shè)計過程與標準尺寸結(jié)構(gòu)相同。

如圖4所示為無法蘭波導(dǎo)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸示意圖,在波導(dǎo)末端的外壁四周設(shè)計釘床式AMC結(jié)構(gòu)。釘床由相同尺寸的金屬凸體以周期性排列方式組成,釘床高度為hp,AMC表面與PEC表面間實際的微小空氣間隙為ha,釘床單元的長寬尺寸為w、t,橫向和縱向的間距分別為gw和gt。WR75波導(dǎo)的工作頻段為9.84～15 GHz,為實現(xiàn)WR75標準波導(dǎo)的無法蘭連接,需要設(shè)計合適的EBG結(jié)構(gòu)尺寸,保證電磁禁帶覆蓋9.84～15 GHz頻段范圍。

電磁禁帶通過計算EBG結(jié)構(gòu)的色散特性而獲得。在電磁仿真工具CST中建立非接觸EBG結(jié)構(gòu)的最小單元仿真計算模型(如圖5中插圖所示),設(shè)置周期性邊界條件,采用本征求解模式,求解色散特性。通常的機械加工誤差約為±0.02 mm,為衡量機加誤差容差性能,在仿真模型中將空氣間隙ha設(shè)定為0.01～0.04 mm,以0.01 mm為步進,計算獲得的色散特性如圖5所示,其他尺寸參數(shù)值如表1所示。當空氣間隙為0.04 mm時,電磁禁帶范圍約為9.7～45.3 GHz,可完全覆蓋WR75波導(dǎo)的工作帶寬,且空氣間隙越小,電磁禁帶范圍越寬,可以實現(xiàn)尺寸小型化。在間隙配合工藝要求下,通常的機械加工誤差要求小于0.02 mm,因此尺寸參數(shù)設(shè)計合理,保證了較強的機械加工容差性能。

圖5 不同空氣間隙下的色散特性仿真結(jié)果

表1 無法蘭波導(dǎo)樣件主要尺寸參數(shù)值

將空氣間隙ha設(shè)置為典型值0.02 mm,在電磁仿真軟件HFSS中建立無法蘭波導(dǎo)連接的整體電磁仿真模型。當結(jié)構(gòu)A插入結(jié)構(gòu)B中時,裝配誤差會造成兩部分波導(dǎo)輸出端口間形成微小間隙d。圖6所示為端口間距d在0～0.5 mm之間以0.1 mm步進變化時的S參數(shù)仿真結(jié)果,可以看出,當端口間距在一定范圍變化時,傳輸性能均可滿足需求,說明該無法蘭波導(dǎo)具有較強的裝配容差能力。

圖6 裝配誤差范圍內(nèi)的電磁傳輸特性仿真結(jié)果

將端口間距d設(shè)定為所設(shè)定取值區(qū)間的最大值,即0.5 mm,根據(jù)實際需求,設(shè)置波導(dǎo)輸入端口激勵功率為100 W,仿真獲得電場分布特性,如圖7所示。可以看出,電磁場被有效地束縛于波導(dǎo)內(nèi)部正常傳輸。即使在最大裝配誤差情況下,選擇3排金屬凸體構(gòu)成釘床結(jié)構(gòu)即可保證足夠的電磁屏蔽性能,實際中可根據(jù)具體需求增加或減少金屬凸體數(shù)。

圖7 傳輸功率為100 W且d為0.5 mm時的電場分布

根據(jù)獲得的尺寸參數(shù),加工制作了Ku頻段標準尺寸無法蘭波導(dǎo)樣件和阻抗變換式緊湊型無法蘭波導(dǎo)樣件,無法蘭連接后,整體波導(dǎo)長度均為100 mm。經(jīng)測量,樣件中AMC平面與PEC平面間的實際空氣間隙約為0.015 mm,接近典型機械加工誤差0.02 mm。

無法蘭波導(dǎo)樣件的實測S參數(shù)如圖8和圖9所示,樣件性能符合預(yù)期設(shè)計。在WR75波導(dǎo)工作頻率9.84～15 GHz范圍內(nèi),標準尺寸無法蘭波導(dǎo)樣件實測插入損耗小于0.05 dB,回波損耗優(yōu)于30 dB,阻抗變換式緊湊型無法蘭波導(dǎo)樣件實測插入損耗小于0.06 dB,回波損耗優(yōu)于20 dB,獲得了良好的電磁傳輸性能。

圖8 Ku頻段WR75標準尺寸無法蘭波導(dǎo)樣件及實測S參數(shù)

圖9 Ku頻段WR75阻抗變換式緊湊型無法蘭波導(dǎo)樣件及實測S參數(shù)

圖10所示為傳統(tǒng)WR75波導(dǎo)法蘭與本文所實現(xiàn)的兩種無法蘭波導(dǎo)截面尺寸對比。采用無法蘭波導(dǎo)設(shè)計后,波導(dǎo)連接橫截面尺寸大幅縮減,相比傳統(tǒng)的WR75法蘭連接,標準尺寸無法蘭波導(dǎo)連接截面尺寸縮減60%以上,阻抗變換式緊湊型無法蘭波導(dǎo)連接截面尺寸縮減70%以上,實現(xiàn)了波導(dǎo)連接的小型化設(shè)計,且插拔式設(shè)計可實現(xiàn)更加方便、快速的裝配拆卸,更加有利于部件及系統(tǒng)的靈活布局。

圖10 傳統(tǒng)波導(dǎo)法蘭與無法蘭波導(dǎo)橫截面尺寸對比

4 結(jié) 論

針對衛(wèi)星工程應(yīng)用中的無法蘭波導(dǎo)技術(shù)需求,本文提出新型的小型化可插拔式無法蘭波導(dǎo)技術(shù)方案,基于非接觸電磁帶隙原理實現(xiàn)寬帶的電磁屏蔽,由此構(gòu)建波導(dǎo)間快速、靈活的無法蘭插拔式連接結(jié)構(gòu),大幅縮減了傳統(tǒng)法蘭連接的體積和質(zhì)量,同時具有寬帶工作特性和良好的容差性能。提出了兩種具體的無法蘭波導(dǎo)方案,完成了Ku頻段實物樣件驗證,獲得了預(yù)期性能。本文所提出的無法蘭波導(dǎo)設(shè)計方法簡單明確,對制造及裝配工藝要求低,快速插拔式設(shè)計有利于靈活的拆卸、組裝及結(jié)構(gòu)布局,可廣泛應(yīng)用于各種微波部件及系統(tǒng)中。