鄧廣健，黃文華，巴　濤，郭樂田，方文饒

(西北核技術研究所，西安710024; 高功率微波重點實驗室，西安710024)

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高功率鐵氧體移相器的設計與實驗研究

鄧廣健，黃文華，巴濤，郭樂田，方文饒

(西北核技術研究所，西安710024; 高功率微波重點實驗室，西安710024)

采用雙磁環(huán)結構，利用加載介質集中微波能量，提升移相器功率容量的方案，進行了移相器結構尺寸、鐵氧體材料參數(shù)等的綜合優(yōu)化設計，并對研制加工的高功率移相器開展了實驗測試。結果表明：X波段移相器峰值功率容量可達60 kW，插入損耗約0.5 dB，最大移相量可達320。理論分析了高功率移相器的實驗現(xiàn)象，認為：鐵氧體在高功率下的非線性效應制約移相器功率容量。當輸入功率超過60 kW，移相器插入損耗隨功率增大迅速增加，理論分析與實驗結果相符。

移相器；鐵氧體；高功率容量；非線性效應

鐵氧體移相器是相控陣天線中的關鍵器件[1-3]，具有可靠性高、插入損耗低和功率容量大的優(yōu)勢[4]。自1957年Reggia-Spencer鐵氧體移相器問世以來，出現(xiàn)了多種結構設計，改善了移相器特性[5-12]。例如，在鐵氧體環(huán)縫中加載介質，可改善鐵氧體中磁場的圓極化特性，提升移相量[5]。溫俊鼎提出的背脊波導單環(huán)移相器，也可提升移相器的移相量，且該結構形式對工藝要求不高[6]。此外，采用雙鐵氧體磁環(huán)結構，在雙環(huán)之間加載介質，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]。

美國在20世紀60—70年代對移相器研究較多[14-16]，實現(xiàn)了C波段功率容量為115 kW的目標[14]。近年來，除文獻[16]介紹的L波段2 MW移相器外，對高功率鐵氧體移相器的研究較少，對鐵氧體移相器在高功率微波下的實驗現(xiàn)象以及機理的分析鮮有報道，但對鐵氧體材料在高功率下的非線性效應則有大量報道。

我國對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[17]。為探索高功率鐵氧體移相器的應用，本文采用具備較高功率容量的雙磁環(huán)結構，進行了高功率優(yōu)化設計，研制加工了移相器，并對其進行了高功率實驗，總結分析了移相器高功率實驗現(xiàn)象。

1高功率鐵氧體移相器設計

鐵氧體移相器利用鐵氧體材料的磁導率隨外加磁場變化的特點，實現(xiàn)對電磁波傳輸相位的改變。波導鎖式鐵氧體移相器采用內部環(huán)形磁路設計，不需要持續(xù)電流激勵，具有低驅動功率的優(yōu)勢，如圖1(a)所示。該結構的缺點是激勵線穿過波導中央場強最強位置，容易引起電場擊穿。

為進行高功率容量設計，采用雙矩形環(huán)結構，如圖1(b)所示。將激勵線移到兩邊，從而抑制電場擊穿。此外，在雙鐵氧體磁環(huán)中間加載介質，使加載介質能集中微波能量，降低鐵氧體環(huán)中場強，提高移相器功率容量。

(a)Single toroid phase shifter

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

隨著輸入功率升高，當鐵氧體材料中的磁場強度大于材料的臨界磁場強度時，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。

為實現(xiàn)高功率容量，需對移相器結構尺寸及材料參數(shù)進行綜合優(yōu)化設計。在材料方面，因為臨界磁場強度與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強度，提高功率容量，但會導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，會在一定程度上增大移相器的插入損耗。

本文以適當增加移相器損耗為代價，選擇自旋波線寬ΔHk為1. 2kA·m-1，飽和磁化強度4πMs為113kA·m-1。在結構方面，波導的寬度a、高度b、鐵氧體環(huán)厚度w1、加載介質寬度w2均將對移相器性能帶來影響。選擇加載介質相對介電常數(shù)εr為15.5，采用有限元方法，仿真模擬上述結構參數(shù)對輸入功率1kW下鐵氧體中的最大磁場強度H及移相器單位長度移相量ΔΦ的影響，結果如圖2所示。

(a)Waveguide width

(b)Waveguide height

(c)Ferrite toroid thickness

(d)Loading ceramic width圖2最大磁場強度及單位長度移相量隨移相器結構尺寸變化曲線Fig.2Maximum magnetic strength and phase shift per length vs. structure size of phase shifter

由仿真模擬結果可知，增大波導寬度a，可降低磁場強度、增加移相器的移相量，但作用較小，如圖2(a)所示。增大波導高度b，可明顯降低磁場強度，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。調整w1，對磁場強度的影響比較小，如圖2(c)所示。增大加載介質寬度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。磁場強度隨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介電常數(shù)較高，波導中除基模準LSE10模式外，也會存在其他高次模式。若移相器中激發(fā)了高次模式，移相器性能將會惡化，會出現(xiàn)較大的回波損耗及損耗尖峰。進行移相器優(yōu)化設計，必須考慮對高次模式的抑制問題。

以降低鐵氧體中磁場強度，實現(xiàn)適當?shù)膯挝婚L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進行優(yōu)化設計，優(yōu)化結果為：波導寬度a=12.7 mm、高度b=10.16 mm，鐵氧體環(huán)厚度w1=1.00 mm，加載介質厚度w2=1.80 mm。

2移相器仿真與低功率測試結果

采用上述優(yōu)化設計的結構參數(shù)，移相段長度L為120 mm。在移相段兩端加入阻抗匹配結構，得到移相器結構模型如圖3(a)所示，研制加工的移相器實物樣件如圖3(b) 所示。

(a)Model of phase shifter

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

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

(a)S parameter

(b)Maximum phase shift圖4移相器仿真與測試結果對比Fig.4Simulation and test results of phase shifter

如圖4所示，移相器在9.0～9.5 GHz內，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，移相器仿真與測試結果較為一致。應該指出，通過增加移相段長度L，可實現(xiàn)360°的最大移相量，此時,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驗結果

3.1功率容量仿真結果

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

(a)Electric field distribution of phase shifter

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

由電場分布結果可知，在60 kW下，移相器內最大電場強度約為9.9 kV·cm-1，遠小于擊穿閾值，不會引發(fā)電場擊穿問題。分析鐵氧體內的非線性效應可知，因為微波磁場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)由其中微波磁場強度的正圓極化分量決定[17,19]。由仿真結果可知，在60 kW下，鐵氧體垂直板中微波磁場的正圓極化分量最大值為2.13 kA·m-1，其臨界磁場強度為[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激發(fā)自旋波。鐵氧體平行板中的最大磁場強度為3.77 kA·m-1，其臨界磁場強度為[18]ΔHk/p= 3.64 kA·m-1，平行板中的微波磁場強度大于臨界磁場強度。據(jù)此分析，當移相器輸入功率達到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功率容量測試結果

為進行移相器功率容量測試，建立了測試系統(tǒng)，如圖6所示。采用速調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100 kW。通過測量入射波、反射波及透射波3路波形，可計算出入射功率、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移相器功率容量測試系統(tǒng)Fig.6Power capacity test system of phase shifter

采用上述測試系統(tǒng)對移相器進行功率容量測試，在重復頻率100 Hz、脈寬920 ns條件下得到參數(shù)S及高功率測試波形，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，測試結果表明，移相器功率容量可達60 kW。

圖7高功率測試得到的移相器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移相器高功率測試波形Fig.8Waveforms of phase shifter at high power

3.3測試與仿真結果對比分析

結合仿真結果對移相器高功率測試結果進行分析，當輸入功率大于60 kW，移相器測試波形發(fā)生畸變。輸入功率為70 kW和87 kW下的測試波形表明：隨時間延續(xù)，波形幅度由峰值位置逐漸下降，最終趨于平緩；并且在每個功率點下重復測試，移相器測試波形相同，如圖8 (b)和圖8 (c)所示。在輸入功率大于60 kW時，移相器測試波形穩(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驗現(xiàn)象并非擊穿造成。此分析結果與移相器內最大電場強度遠小于擊穿閾值的仿真結果相符。

此外，仿真結果表明：當輸入功率大于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，鐵氧體中磁場強度超過自旋波激發(fā)臨界磁場強度的區(qū)域隨之增加，導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，移相器高功率測試結果與理論分析結果一致，證實了鐵氧體在高功率下激發(fā)自旋波引起的非線性效應，制約了移相器的功率容量。

3.4高功率移相實驗

對移相器進行高功率移相實驗，驗證移相器在高功率下的移相能力。實驗系統(tǒng)如圖9所示，示波器通道1可檢測輸入功率。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，可通過示波器讀取相位。在不同的置位狀態(tài)下，測量通道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高功率移相實驗系統(tǒng)Fig.9High power phase shift experiment system of phase shifter

在輸入功率60 kW下，對移相器的插入相位進行測量，得到高功率下的移相實驗結果，如圖10所示?？梢?，移相器依然可實現(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測量結果均能較好吻合，驗證了移相器在高功率下具備移相能力。

圖10高功率移相測試結果Fig.10Test results in high power phase shift experiment

4結論

本文采用雙鐵氧體磁環(huán)結構，優(yōu)化設計了一種高功率移相器，并進行了高功率測試，結果表明：移相器的峰值功率容量可達60 kW，在9.0～9.5 GHz頻率范圍內，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320 °。

當輸入功率超過60 kW，移相器的插入損耗隨輸入功率增大迅速增加，證實了鐵氧體在高功率下的非線性效應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，研究實習員，碩士，主要從事電磁場與微波技術研究。

E-mail:dengguangjian@nint.ac.cn

TN61

A

2095-6223(2016)030501(6)