短波大功率寬帶并聯(lián)諧振腔巴倫的研究與設(shè)計(jì)

楊逸飛 ,張小林 ,王 杰 ,高火濤 ,張?jiān)迫A

(1.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院,湖北 武漢 430072;2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽 合肥 230088)

盡管衛(wèi)星通信高速發(fā)展,但是在面對地形復(fù)雜和距離遠(yuǎn)的無線通信需求時(shí),短波通信具有不受網(wǎng)絡(luò)樞紐和有源中繼體的制約、覆蓋范圍廣、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。所以,短波通信仍然是一種很重要的通信模式。大功率短波廣播發(fā)射天線一般為對稱籠形天線或?qū)ΨQ折合振子天線,而發(fā)射機(jī)的輸出端口一般為同軸型。為此,在天線和發(fā)射機(jī)之間必須設(shè)計(jì)一個(gè)短波大功率的不平衡-平衡變換器(巴倫)。巴倫可以有效改善天線的性能。一方面,巴倫可以消除不平衡饋電對天線輻射造成的不利影響。通過消除不平衡,減少輻射損耗,改善方向圖,修正最大輻射方向。另一方面,巴倫可以解決天線輸入阻抗與饋線特性阻抗不匹配的問題。巴倫通常分為集總參數(shù)巴倫和分布參數(shù)巴倫。近年來,很多研究利用鐵氧體磁芯和傳輸線設(shè)計(jì)巴倫[1-3]。文獻(xiàn)[3]提出一種超寬帶傳輸線巴倫。利用鐵氧體磁芯和傳輸線,設(shè)計(jì)了三個(gè)變換器。第一個(gè)變換器實(shí)現(xiàn)不平衡-平衡轉(zhuǎn)換后,分別級聯(lián)兩個(gè)相同的變換器實(shí)現(xiàn)阻抗變換。該巴倫帶寬較寬,設(shè)計(jì)簡便,成本低,但是承受功率小。分布參數(shù)巴倫可以按照傳輸線的類型分為:平面?zhèn)鬏斁€巴倫和同軸傳輸線巴倫[4-9]。平面?zhèn)鬏斁€巴倫主要應(yīng)用于微波和毫米波波段的小功率天線系統(tǒng)。對于同軸傳輸線巴倫,文獻(xiàn)[8]介紹了一種串并聯(lián)同軸短截線巴倫。該巴倫制造簡單,但是帶寬較窄。文獻(xiàn)[9]根據(jù)等效電路的理論分析,進(jìn)行巴倫的研究與設(shè)計(jì),但是無法得到精確的性能結(jié)果,也沒有較好的優(yōu)化方法。大功率短波天線要求巴倫具有寬帶、低損耗、可承受大功率等性能特點(diǎn)。因此,本文提出了一種短波大功率寬帶并聯(lián)諧振腔巴倫,通過等效電路理論分析與數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行對比,該巴倫在工作帶寬、電壓駐波比(VSWR)、插入損耗和平衡性能等方面都獲得了較好的結(jié)果。此外,巴倫的場分布情況以及計(jì)算的理論擊穿輸入功率表明,所提出的巴倫具有低損耗和承受功率大的特點(diǎn)。

1 理論分析

由圖1 可知,短波大功率寬帶并聯(lián)諧振腔巴倫的主體部分是一個(gè)長方體諧振腔,橫截面為正方形。其中,一段同軸傳輸線位于諧振腔內(nèi)部。它的內(nèi)導(dǎo)體與諧振腔底部相接,外導(dǎo)體分別與輸入同軸傳輸線的內(nèi)導(dǎo)體和諧振腔頂部連接。另一段同軸傳輸線與諧振腔左側(cè)相切。它的內(nèi)導(dǎo)體與輸入同軸線的內(nèi)導(dǎo)體連接,外導(dǎo)體與諧振腔側(cè)壁相切,同時(shí)與諧振腔頂部連接。不平衡輸入端口的同軸傳輸線在諧振腔的底部,并且位于兩段同軸傳輸線中點(diǎn)。兩段同軸傳輸線的內(nèi)導(dǎo)體在諧振腔頂部組成平行雙線,形成平衡輸出端口。

圖1 并聯(lián)諧振腔巴倫的結(jié)構(gòu)圖。(a)三維模型圖;(b)三視圖Fig.1 Structure of parallel resonant cavity balun.(a) 3D model;(b) Three-view drawing

圖2 是并聯(lián)諧振腔巴倫的等效電路。其中,兩段同軸傳輸線與長方體諧振腔形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)。Zin是不平衡端的輸入阻抗,Ra和Rb分別是兩段同軸傳輸線的特性阻抗,Zc是長方體諧振腔的輸入阻抗,且阻抗值為純虛數(shù)。

圖2 并聯(lián)諧振腔巴倫的等效電路Fig.2 Equivalent circuit of parallel resonant cavity balun

根據(jù)圖2,可以得到:式中:D為諧振腔正方形橫截面的邊長;d為同軸傳輸線外導(dǎo)體的邊長;Ze為諧振腔縱向傳輸特性阻抗;f為工作頻率;f0為中心頻率。將公式(2)代入公式(1)得到:

其中,

式中,Zl是平衡輸出端口的特性阻抗。Zin歸一化,得Zn為:

電壓反射系數(shù)Γ為:

VSWR 為:

因此,通過對并聯(lián)諧振腔巴倫的等效電路進(jìn)行理論分析,可以計(jì)算得到VSWR 的理論值。

對于大功率系統(tǒng),確保能夠承受大功率是至關(guān)重要的。在常溫、空氣干燥的情況下,微波頻率下空氣擊穿場強(qiáng)閾值的理論值為22.7 kV·cm-1。與空氣干燥的情況相比,在相對濕度為50%的情況下,擊穿場強(qiáng)閾值會減小2.5%[10]。另外,VSWR 對擊穿場強(qiáng)閾值Eth的影響由下式給出:

式中:E′th是VSWR=1 時(shí)的擊穿場強(qiáng)閾值;T是電壓傳輸系數(shù)。

理論擊穿輸入功率Pth為:

式中:Esimrms是工作頻率范圍內(nèi)最大的電場強(qiáng)度;P是輸入功率。

2 設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化

根據(jù)大功率短波廣播發(fā)射天饋線系統(tǒng)的要求,不平衡輸入端是特性阻抗為25 Ω 的同軸傳輸線,平衡輸出端是特性阻抗為100 Ω 的平行雙線。因此,設(shè)計(jì)了一種具有1 ∶4 阻抗變換的并聯(lián)諧振腔巴倫。所以,兩段同軸傳輸線的特性阻抗為50 Ω。由于本文設(shè)計(jì)的巴倫需應(yīng)用于大功率短波系統(tǒng),同軸傳輸線的材料和尺寸與常見的同軸線不同。為了達(dá)到工程要求,兩段50 Ω 同軸傳輸線采用0.1 m 的圓形銅管作為內(nèi)導(dǎo)體,方形銅導(dǎo)體作為外導(dǎo)體。25 Ω 輸入同軸傳輸線的內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體都是矩形銅導(dǎo)體。同樣,為了承受大功率,輸出端的100 Ω 平行雙線加了方形屏蔽。

按照大功率短波系統(tǒng)的要求,工作頻帶為5～26.1 MHz(相對帶寬為135.7%),阻抗變換比為1 ∶4,VSWR 低于1.5,插入損耗低于0.5 dB,相位不平衡小于5°,幅值不平衡小于0.8 dB,承受功率為500 kW。以此進(jìn)行巴倫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。首先,利用特殊同軸線和平行雙線的阻抗理論公式,分別計(jì)算得到25 Ω 輸入同軸傳輸線、兩段50 Ω 同軸傳輸線和100 Ω 輸出平行雙線的結(jié)構(gòu)參數(shù)理論值。表1 是短波大功率寬帶并聯(lián)諧振腔巴倫結(jié)構(gòu)參數(shù)的初始理論值。然后,通過基于時(shí)域有限積分法的電磁軟件CST 仿真,分別對同軸傳輸線和平行雙線的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行精確優(yōu)化。最后,依據(jù)等效電路的理論分析和優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù),完成短波大功率寬帶并聯(lián)諧振腔巴倫的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)的初始值Tab.1 Initial value of structural parameters

表2 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Optimized value of structural parameters

為了減小諧振腔的尺寸,將與諧振腔相切的同軸傳輸線置于諧振腔外部,巴倫的性能結(jié)果沒有發(fā)生惡化。但是,調(diào)節(jié)兩段同軸傳輸線的間距,會對輸出端口的平衡性能產(chǎn)生影響。由圖3 可知,在工作頻率范圍內(nèi)的高頻部分,輸出端口的相位和幅度不平衡都會隨著W2變大而惡化。在W2=0.813 m 時(shí),幅度不平衡最大達(dá)到了0.86 dB,相位不平衡最大達(dá)到了2.8°,而在W2=0.613 m 時(shí),最大幅度不平衡是0.45 dB,最大相位不平衡是1.7°。因此,為了使巴倫獲得更好的平衡性能,W2應(yīng)該盡可能小。

圖3 W2對平衡性能的影響Fig.3 The influence of W2 on performance of balance

將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)代入理論分析中,通過公式(7),計(jì)算得到巴倫的VSWR 理論結(jié)果。由圖4 可知,工作頻帶為5～26.1 MHz(相對帶寬為135.7%),帶寬達(dá)到了5 個(gè)倍頻程。在工作頻率范圍內(nèi),VSWR 均低于1.5。VSWR 和頻帶寬度的仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果相吻合,驗(yàn)證了該巴倫具有良好的阻抗匹配性能和寬帶特性。由圖4 的|S21| 仿真結(jié)果可知,在工作頻帶內(nèi),插入損耗均小于0.2 dB,證明了該巴倫的低損耗特性。圖5 是工作頻率為15 MHz 時(shí),巴倫的功率流動分布。在功率傳輸過程中,功率主要分布于輸入端口、輸出端口和兩段同軸傳輸線。VSWR 和插入損耗的仿真結(jié)果和功率分布情況表明了該短波大功率寬帶并聯(lián)諧振腔巴倫具有良好的傳輸性能。

圖4 VSWR 和|S21| 的仿真結(jié)果和VSWR 的計(jì)算結(jié)果Fig.4 Simulated VSWR,|S21| and calculated VSWR

圖5 巴倫的功率流動Fig.5 Power flow of the balun

當(dāng)工作頻率為15 MHz 時(shí),巴倫的電流和電場分布如圖6 所示。由圖6(a)可知,電流主要分布于同軸傳輸線,諧振腔內(nèi)表面的電流很小。由圖6(c)可知,電場與電流分布相似,主要分布于同軸傳輸線,最大電場強(qiáng)度出現(xiàn)在同軸傳輸線內(nèi)。除了同軸傳輸線,其他部分的電場強(qiáng)度都很小,同軸傳輸線內(nèi)的電場強(qiáng)度比諧振腔內(nèi)的電場強(qiáng)度大幾個(gè)數(shù)量級。由圖6(b)和圖6(d)可知,諧振腔外表面的電流和電場都為零。因此,諧振腔不輻射能量,符合理論預(yù)期。巴倫的電流和電場分布與插入損耗的結(jié)果驗(yàn)證了理論分析,表明該巴倫具有低損耗性能。

圖6 巴倫的電流和電場分布。(a) 內(nèi)部電流分布;(b) 外表面電流分布;(c) 內(nèi)部電場分布;(d) 外部電場分布Fig.6 Distribution of electric current and electric field on balun.(a) Current distribution on the inner;(b) Current distribution on the outer shield;(c) E-field distribution on the inner;(d) E-field distribution on the outer shield

圖7 是輸出端口平衡性能的仿真結(jié)果。在5～26.1 MHz,輸出端口的相位不平衡均小于2°,幅值不平衡均小于0.5 dB,平衡性能結(jié)果都明顯優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。本文設(shè)計(jì)的巴倫與其他文獻(xiàn)所提出的巴倫主要性能指標(biāo)比較結(jié)果如表3 所示。對比可知,短波大功率寬帶并聯(lián)諧振腔巴倫在插入損耗、平衡端口幅度不平衡和相位不平衡方面都具有較好的結(jié)果。

圖7 相位和幅值不平衡Fig.7 Phase imbalance and magnitude imbalance

表3 本文設(shè)計(jì)的巴倫與其他巴倫的比較Tab.3 Comparison of the proposed balun with others

為了保證短波大功率寬帶并聯(lián)諧振腔巴倫能夠承受500 kW 以上的大功率,在主要性能指標(biāo)不出現(xiàn)明顯惡化的情況下,適當(dāng)調(diào)整各個(gè)部件的尺寸。例如:兩段同軸傳輸線的內(nèi)導(dǎo)體選擇的是0.1 m 的銅管。同時(shí),并聯(lián)諧振腔巴倫的低損耗性能以及不需要考慮器件發(fā)熱、散熱問題的優(yōu)點(diǎn),為承受大功率提供了結(jié)構(gòu)保障。

當(dāng)輸入功率為500 kW 時(shí),不同頻率下的最大電場強(qiáng)度如表4 所示。將圖5 的|S21| 結(jié)果換算為電壓傳播系數(shù)T,與VSWR 結(jié)果一起代入公式(8)。將表4中的最大電場強(qiáng)度代入公式(9)。計(jì)算擊穿場強(qiáng)閾值和輸入功率的理論值,結(jié)果如表4 所示。擊穿場強(qiáng)閾值最小為17.87 kV·cm-1,理論擊穿輸入功率最小為26.17 MW,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求。因此,短波大功率寬帶并聯(lián)諧振腔巴倫足以承受500 kW 的功率。

表4 最大電場強(qiáng)度與擊穿場強(qiáng)和擊穿輸入功率的理論值Tab.4 Maximum electric field strength with theoretical value of breakdown electric field strength and input power

3 結(jié)論

通過理論分析和全波電磁仿真的相互驗(yàn)證優(yōu)化,設(shè)計(jì)了一種短波大功率寬帶并聯(lián)諧振腔巴倫。在工作頻率范圍內(nèi),具有良好的平衡性能,以及1 ∶4 的阻抗變換。通過對電流和電場的分布情況以及傳輸性能指標(biāo)結(jié)果的分析,該巴倫具有低輻射損耗和高傳輸效率,符合理論預(yù)期。計(jì)算得到的擊穿場強(qiáng)閾值和理論擊穿輸入功率,驗(yàn)證了該巴倫足以承受大功率。在大功率短波廣播天線以及對海觀測雷達(dá)等領(lǐng)域,短波大功率寬帶并聯(lián)諧振腔巴倫具有很大的應(yīng)用潛力。