一種W波段波導(dǎo)衰減器的設(shè)計與驗證*

周傳升，牛之友，許延峰

(中電科思儀科技股份有限公司，青島 266000)

0 引言

太赫茲波與可見光、紅外線、微波等其他波段的電磁波相比具有很多獨特的瞬態(tài)性、高穿透性、寬帶性、相干性和低能性等特性，在太赫茲通信技術(shù)、太赫茲雷達(dá)技術(shù)、太赫茲成像技術(shù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

波導(dǎo)可調(diào)衰減器的主要功能是控制信號電平幅度，實現(xiàn)對輸入信號電平幅度從0 dB到衰減器最大衰減量的連續(xù)衰減，主要應(yīng)用于控制進(jìn)入系統(tǒng)的輸入信號功率，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出信號功率，模擬通訊系統(tǒng)中信號傳輸通路的損耗，在航空、航天、電子等各類軍事測量設(shè)備及自動測試系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用。

根據(jù)衰減方式的不同，目前波導(dǎo)可調(diào)衰減器的衰減方案主要有兩種，分別為吸收式衰減方案和旋轉(zhuǎn)極化式衰減方案。吸收式衰減方案一般利用插入傳輸線的微波吸收片來達(dá)到使通過的微波產(chǎn)生一定損耗的目的，通過調(diào)節(jié)插入傳輸線的吸收片的深度來調(diào)節(jié)衰減量的大小。吸收片一般采用氧化鋁陶瓷做成，表面以真空鍍膜的方法形成一層金屬電阻膜，以達(dá)到吸收微波的目的。旋轉(zhuǎn)極化式衰減方案的主體部分是一段圓波導(dǎo)，其中有一片與圓波導(dǎo)固定的微波吸收片，但圓波導(dǎo)本身可以連同吸收片一起旋轉(zhuǎn)；圓波導(dǎo)的兩端都通過方圓過渡變成矩形波導(dǎo)以便與輸入輸出波導(dǎo)相連接，在圓波導(dǎo)與過渡段連接處也各有一片平行于矩形波導(dǎo)寬邊的固定吸收片[1]。

吸收式衰減方案結(jié)構(gòu)相對簡單，成本低、體積小。本文設(shè)計的衰減器的衰減量為0 dB～30 dB，結(jié)合現(xiàn)有的生產(chǎn)加工手段，吸收式波導(dǎo)可調(diào)衰減器就可以很好的滿足項目的要求，且體積小、加工方便、成本更低。

1 波導(dǎo)可調(diào)衰減器結(jié)構(gòu)

圖1為波導(dǎo)可調(diào)衰減器的結(jié)構(gòu)圖。通過改變進(jìn)入波導(dǎo)腔內(nèi)衰減片的長度，實現(xiàn)衰減量的連續(xù)變化。

圖1 波導(dǎo)可調(diào)衰減器結(jié)構(gòu)

衰減器結(jié)構(gòu)分為控制部分和微波傳輸系統(tǒng)兩個部分。其中，控制部分通過手動旋鈕控制衰減片伸入波導(dǎo)腔體的深度，實現(xiàn)衰減量的連續(xù)變化；微波傳輸系統(tǒng)主要是完成對微波信號的高質(zhì)量傳輸，是微波信號傳輸?shù)淖罱K執(zhí)行者。

2 微波系統(tǒng)設(shè)計

微波傳輸系統(tǒng)是衰減器的核心部分，波導(dǎo)可調(diào)衰減器的微波傳輸系統(tǒng)主要包括波導(dǎo)傳輸組件和衰減片組件。其中，波導(dǎo)傳輸組件根據(jù)產(chǎn)品的頻率指標(biāo)選擇標(biāo)準(zhǔn)的波導(dǎo)接口，這里不做贅述。本部分設(shè)計的難點在于衰減片組件的設(shè)計。本項目的產(chǎn)品采用的吸收式波導(dǎo)可調(diào)衰減器方案，因此，衰減片結(jié)構(gòu)是影響參數(shù)的重要因素。

衰減片組件在微波產(chǎn)品中的主要作用通過改變導(dǎo)航系統(tǒng)中的電磁場強的幅度,來改變信號的強度，調(diào)節(jié)信號中電磁波的傳播常數(shù)。在一般情況下，設(shè)計衰減器時并不苛求其相位關(guān)系。理想衰減器應(yīng)該是一個相移為零，衰減量可變的二端口網(wǎng)絡(luò)，其散射矩陣為：

式中，α為衰減常數(shù)，l為衰減片長度[2]。

通常情況下，常用的矩形波導(dǎo)均為單模傳輸模式，即只有TE10模的單模傳輸，電場只有Ey分量，即平行于矩形波導(dǎo)窄邊方向的分量，如圖2所示。

圖2 TE10模橫電場結(jié)構(gòu)

因此為了使得衰減片最有效的吸收微波功率，應(yīng)使衰減片的吸收平面平行于矩形波導(dǎo)的窄邊[3]。Ey在波導(dǎo)窄邊(y方向)上均勻分布，在波導(dǎo)寬邊(x方向)上按照正弦變化，因此為了最大效率的吸收微波，應(yīng)從波導(dǎo)寬邊的中間位置深入到矩形波導(dǎo)腔體內(nèi)部[4]，如圖3所示。為了保證衰減量可以動態(tài)可調(diào)，需要對插入矩形波導(dǎo)腔體內(nèi)部的衰減器的位置進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。通過對衰減片位置的動態(tài)調(diào)節(jié)，來實現(xiàn)衰減量的連續(xù)變化[5]。

圖3 波導(dǎo)可調(diào)衰減器原理圖

本項目中，衰減片采用氧化鋁陶瓷基片，表面濺射TaN電阻膜，方阻為50 Ω。衰減片的引入容易引起附加反射，為了消除附加反射的影響，需要在衰減片的外形上做一些調(diào)整，目前常用的方法有將衰減片的兩端做成尖劈形或者圓弧形[6]。尖劈形或者圓弧形由于尺寸改變緩慢，反射很小，可以在寬頻帶內(nèi)得到很好的匹配。但是氧化鋁陶瓷材料本身強度不高，衰減片在使用過程中需要反復(fù)移動，做成尖劈形易破碎，影響衰減器的可靠性，因此本次設(shè)計將衰減片設(shè)計為圓弧形[7]。由于WR10矩形波導(dǎo)窄邊尺寸僅有1.27 mm，考慮加工難度和成本，衰減片沒有必要完全采用圓形結(jié)構(gòu)，僅需要截取圓弧的一段即可，衰減片外形如圖4所示。

圖4 衰減片

波導(dǎo)可調(diào)衰減器的主要微波設(shè)計參數(shù)為電壓駐波比、直通插入損耗、衰減范圍、衰減平坦度和功率容量。本產(chǎn)品微波參數(shù)設(shè)計目標(biāo)如表1所列。從微波參數(shù)設(shè)計目標(biāo)中可以看到本產(chǎn)品具有寬頻帶、低駐波、小插損、大衰減量、高平坦度的特點。

表1 微波參數(shù)設(shè)計目標(biāo)

2.1 電壓駐波比、直通插入損耗、衰減范圍、衰減平坦度參數(shù)設(shè)計

衰減片在使用過程中需要反復(fù)移動，為了保證衰減片的移動順暢，要在衰減片與腔體之間預(yù)留一定的間隙。從保證衰減器性能來說，間隙越小越好，但是考慮到衰減片表面鍍層的附著力不大，氧化鋁陶瓷的強度較小，以及加工誤差和裝配誤差等因素的影響，間隙選擇過小，極易引起衰減片與腔體內(nèi)壁的碰撞摩擦，引起鍍層脫落，甚至衰減片的破碎[8]。因此，需要合理的設(shè)計衰減片與腔體內(nèi)壁的間隙大小，初步設(shè)計間隙大小為0.05 mm。根據(jù)衰減片的初步設(shè)計尺寸，設(shè)置衰減片的進(jìn)給量為0.75 mm，即衰減片深入矩形波導(dǎo)窄邊深度為0.75 mm，通過高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件建立波導(dǎo)可調(diào)衰減器的HFSS仿真模型[9]，如圖5所示。

圖5 仿真模型

設(shè)置衰減片的材料屬性、端口激勵、工作頻率等參數(shù)，通過調(diào)節(jié)衰減片的寬度、圓弧半徑、空氣間隙的大小等參數(shù)，優(yōu)化波導(dǎo)可調(diào)衰減器的性能指標(biāo)[4-6]。圖6、圖7是本項目所研制的波導(dǎo)可調(diào)衰減器的電壓駐波比仿真曲線和S21仿真曲線。

圖6 駐波仿真結(jié)果

圖7 S21仿真曲線

從仿真曲線可以看出，波導(dǎo)可調(diào)衰減器在工作頻帶范圍內(nèi)駐波比最大值為1.14，插入損耗最大值為0.45 dB，衰減量最大值為36.0 dB，平坦度最大為±1.1 dB，滿足項目指標(biāo)要求。

2.2 功率參數(shù)設(shè)計

本項目設(shè)計的波導(dǎo)可調(diào)衰減器的耐功率指標(biāo)為500 mW，在微波系統(tǒng)設(shè)計時，對工作狀態(tài)下波導(dǎo)可調(diào)衰減器的耐功率性能進(jìn)行分析。

在本項目的波導(dǎo)可調(diào)衰減器中，微波信號功率的消耗主要是在衰減片上[10]。功率容量引起的衰減器問題主要是由于兩個原因：電壓超過衰減片基材的擊穿電壓，引起衰減片失效而引發(fā)的故障和衰減片表面薄膜電阻吸收信號功率過大而引起的過熱故障。

波導(dǎo)可調(diào)衰減器的衰減片方案是在氧化鋁陶瓷上濺射TaN電阻制備而成。氧化鋁陶瓷片的耐擊穿電壓為12×10-8V/m[2]，在HFSS中設(shè)置當(dāng)衰減器輸入功率達(dá)到500 mW時，此時衰減片上的電場分布如圖8所示，最大電場強度為5.95×10-3V/m，遠(yuǎn)小于陶瓷片的擊穿電壓，說明當(dāng)輸入功率達(dá)到500 mW時，衰減片不會被擊穿。

圖8 電場強度仿真圖

圖9給出了在工作溫度下，當(dāng)射頻輸入連續(xù)波功率為500 mW時衰減器產(chǎn)品中溫度場的分布情況。功率500 mW時，對于本項目的波導(dǎo)可調(diào)衰減器來說，理論最大衰減量為35 dB，損耗功率約為499.9 mW。從圖中可以看出，工作時波導(dǎo)可調(diào)衰減器的溫度變化都小于10 ℃。該結(jié)果說明本產(chǎn)品能夠及時的將因高頻場損耗產(chǎn)生的熱量傳遞出去，不會造成熱量的局部累積。

圖9 溫度仿真圖

我單位具有完善的薄膜電路生產(chǎn)制備工藝流程，并具有大量的衰減片試驗經(jīng)驗，在我單位研制的衰減器進(jìn)行的衰減片耐功率試驗中，氧化鋁陶瓷基片上的TaN薄膜電阻的功率容量可達(dá)5 W/mm2。本項目中，波導(dǎo)可調(diào)衰減器的衰減片最小面積為165 mm2，可承受任務(wù)書中要求的500 mW功率要求。

3 實測結(jié)果

通過上述對波導(dǎo)可調(diào)衰減器的設(shè)計，尤其是對微波系統(tǒng)的設(shè)計，制造出的實物產(chǎn)品如圖10所示。產(chǎn)品實測曲線如圖11所示。實測結(jié)果：頻率為75 GHz～110 GHz的W波頻段內(nèi)，衰減器電壓駐波比1.12，插入損耗0.7 dB，調(diào) 節(jié) 范 圍 為0 dB～30 dB，30 dB衰減量時衰減平坦度為±1 dB，功率500 mW，完全達(dá)到設(shè)計目標(biāo)要求。

圖10 產(chǎn)品照片

(a)耗：0.7 dB；電壓駐波比：1.12 (b)衰減量：9.9 dB/10.1 dB；電壓駐波比：1.10

(c)衰減量：19.8 dB/20.3 dB；電壓駐波比：1.09 (d)衰減量：29.0 dB/30.4 dB；電壓駐波比：1.07

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一款工作頻率為75 GHz～110 GHz的W波段波導(dǎo)可調(diào)衰減器。通過對微波系統(tǒng)微波分析，并通過HFSS仿真軟件對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化，確定了微波通道的設(shè)計方式。在此基礎(chǔ)上完成了產(chǎn)品的加工制造，得到了實測結(jié)果。

本次設(shè)計完成了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)要求，波導(dǎo)可調(diào)衰減器電壓駐波比小于1.20，直通插入損耗小于1.0 dB，衰減范圍0 dB～30 dB，衰減平坦度小于±5 dB，實現(xiàn)了低駐波比、小插損、大衰減范圍、高精度的技術(shù)要求。