劉海旭 侯滿宏 李新勝

(中國電子科技集團公司第二十七研究所,鄭州 450047)

(2018年3月30日收到；2018年6月26日收到修改稿)

1 引 言

遠距離通信、雷達、電子對抗等微波高功率設(shè)備對發(fā)射機的峰值功率和平均功率電平有著越來越高的要求,但高功率的發(fā)射機往往伴有相對較高功率電平的諧波能量,當諧波能量隨發(fā)射機輻射到空間,其能量可能達到甚至超過臨近電子通信設(shè)備的工作功率,會嚴重干擾甚至燒毀電子通信設(shè)備.同時,考慮到如果采用反射式濾波器來抑制諧波能量輸出,諧波能量勢必在反射式濾波器處反射,從而給發(fā)射機的放大器工作的穩(wěn)定性及可靠性帶來很多問題.另外,由于反射式諧波濾波器功率容量能力有限,考慮到以上問題,許多場合需要采用吸收式波導諧波濾波器吸收其高次諧波能量,比如深空探測、新一代氣象雷達等高功率應用領(lǐng)域都對諧波能量提出了嚴格的要求,此時必須采用吸收式高功率諧波濾波器[1?3].

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)目前掌握的資料,歐空局(ESA)已經(jīng)完成連續(xù)波(CW)X頻段25 kW深空探測上行設(shè)備的研制工作[4,5],而作為目前深空探測最高水平的美國宇航局(NASA),在深空探測領(lǐng)域已經(jīng)突破CW 100 kW上行設(shè)備有關(guān)超大功率濾波器的多項關(guān)鍵技術(shù)[6?8].圖1是美國X頻段100 kW深空站諧波及接收帶內(nèi)高功率微波濾波網(wǎng)絡(luò)原理框圖.應用于該系統(tǒng)的高功率濾波器組件分為四個部分,包括吸收式諧波濾波器、帶阻濾波器、反射式諧波濾波器和帶通濾波器.其中第一級濾波器為吸收式諧波濾波器,功率容量可達100 kW以上,它與多種反射式濾波器針對二、三、四次諧波總共提供60—100 dB的抑制度,針對接收帶可提供110 dB以上的抑制度.

在國內(nèi),X頻段大功率吸收式諧波濾波器已成功應用于由我國中國電科27所自行研制的深空測控系統(tǒng)X頻段CW 10 kW速調(diào)管高功放系統(tǒng)中[9?12],且性能穩(wěn)定、可靠,并成功執(zhí)行了“嫦娥三號”等航天測控任務.但有關(guān)CW百千瓦級高功率濾波器技術(shù)在國內(nèi)尚未見到任何相關(guān)報道,這一技術(shù)已成為制約我國未來超高功率微波深空探測技術(shù)進一步發(fā)展的瓶頸,亟待解決.

圖1 NASA X頻段100 kW高功放濾波網(wǎng)絡(luò)原理框圖Fig.1.The principle diagram of NASA 100 kW HPA filter network in X-band.

3 濾波器原理分析

吸收式諧波濾波器的結(jié)構(gòu)復雜,理論設(shè)計難度較大,目前所見的相關(guān)參考文獻,僅有過一些近似的分析[13?17],但是計算結(jié)果均誤差較大.針對加載副波導漏壁式諧波濾波器,副波導對諧波的吸收或抑制能力,不僅與每種副波導和主波導匹配情況、副波導的數(shù)量有關(guān),還和各次諧波在主波導內(nèi)部存在的模式有關(guān),各次諧波在主波導內(nèi)都以不同的高次模的形式存在,因此副波導的安放位置對不同諧波吸收能力會有很大影響.本文針對二、三及四次諧波,考慮結(jié)構(gòu)實現(xiàn)簡單化、主頻損耗最小化以及系統(tǒng)的具體指標要求,沒有單純追求三、四次諧波高抑制度,每個面都采用了單排副波導結(jié)構(gòu),濾波器局部結(jié)構(gòu)示意圖見圖2.

圖2 吸收式波導諧波濾波器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2.The structure diagram of absorption harmonic filter.

由圖2可知,沿垂直于主波導傳輸方向同一截面上,分布四個副波導,在主波導的兩個H面、兩個E面上分別有一個副波導,副波導與主波導連接處開有耦合孔.主波導通過這些耦合孔與四列相互獨立的副波導相連,每個副波導內(nèi)都安裝了吸收負載.在基波頻段,耦合孔近似閉合,副波導為截止波導[18],副波導內(nèi)基本無耦合功率,主波導內(nèi)傳輸損耗很??；在諧波頻段,耦合孔耦合部分主波導功率進入副波導,并在其中傳播到負載后被吸收.合理設(shè)計耦合孔的尺寸和數(shù)量可得到一定的諧波衰減,從而實現(xiàn)了在不影響通帶功率大小及容量的情況下,達到諧波抑制的目的.

目前雖然可以借助多種高頻場仿真軟件分析,但直接使用軟件對濾波器進行整體的仿真,不僅耗時,而且計算精度也不高.比較簡便的方法是用對稱性原理簡化成周期性加載的T分支[19,20],根據(jù)傳輸線原理,再用等效電路法求出ET分支的等效電路,結(jié)合HFSS軟件計算得到的散射參數(shù),提取濾波器中的單個耦合孔阻抗值,進而利用單個耦合孔有源阻抗和濾波器特性的關(guān)系式求出濾波器的衰減和反射損耗特性.這種方法將簡化濾波器的仿真計算,提高工程設(shè)計的精度,同時,可大大縮短設(shè)計的周期.該吸收式波導諧波濾波器電路模型等效電路圖如圖3所示.

圖3 吸收式諧波濾波器的等效電路圖Fig.3.The equivalent circuit diagram of absorption harmonic filter.

每個耦合孔等效為一個串聯(lián)的阻抗z,耦合孔中心的間距為L,吸收式波導傳輸常數(shù)為β.

對于每個耦合孔單元,歸一化矩陣Ai為

其中,

根據(jù)級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的傳遞乘積原理,可得濾波器等效電路模型總的歸一化A矩陣為

進一步推導可得到濾波器插入損耗(IL)和反射損耗(RL)特性的計算公式反射:

通過HFSS軟件計算單個耦合孔仿真模型得到的S參數(shù)代入(2)式,就可以得到單個耦合孔的等效阻抗Z.由(4)和(5)式可以看出,只要求得單個耦合孔的等效阻抗Z,就可以求出濾波器整體衰減特性.

4 濾波器結(jié)構(gòu)建模及電磁場仿真

4.1 濾波器結(jié)構(gòu)建模

針對每次諧波,結(jié)合以上原理分析,通過HFSS進行仿真,可以確定如圖2所示的相應副波導及對應吸收負載的初始尺寸,然后根據(jù)上述理論分析,通過濾波器具體指標在確定各次諧波副波導的初始數(shù)目,對濾波器整體結(jié)構(gòu)進行建模仿真.吸收式多次諧波濾波器整體結(jié)構(gòu)示意圖見圖4,其中二次諧波副波導數(shù)目為4a個,三次諧波副波導數(shù)目為4b個,N次諧波副波導數(shù)目為4n個.該吸收式諧波濾波器可同時實現(xiàn)二到N次諧波的濾波功能.另外,為實現(xiàn)高次諧波寬帶抑制要求,針對抑制每次諧波的副波導不一定采用同一結(jié)構(gòu),可采用漸變結(jié)構(gòu)形式.

圖4 多次諧波濾波器整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4.The structure diagram of absorption multiple harmonics filter.

本文所研制的吸收式濾波器需要實現(xiàn)二、三及四次諧波抑制要求,即N=4,為實現(xiàn)諧波應用指標要求,耦合孔及等高副波導尺寸采用漸變結(jié)構(gòu),共采用6種副波導結(jié)構(gòu),每兩種副波導對應同一次諧波,針對每次諧波指標要求,取初始值值a=b=n=24,二、三及四次諧波副波導數(shù)目都為4×24個,副波導總數(shù)共288個,每種副波導對應著相應的耦合孔及吸收負載.根據(jù)以上分析,建立濾波器初始仿真模型,如圖5所示.

圖5 濾波器仿真模型Fig.5.The simulation mode of the filter.

4.2 電磁場仿真

由于諧波濾波器的整體結(jié)構(gòu)異常復雜,很難用HFSS驗證整個濾波器的特性.根據(jù)對稱性原理及HFSS有限元分析特點,在橫截面內(nèi)分成四部分,用HFSS分析其第一象限的二、三及四次諧波衰減.主波導采用標準BI70矩形波導,在主波導每個波導面中間位置加載一排副波導,由于副波導高度不影響諧波抑制度,又考慮結(jié)構(gòu)實現(xiàn)難易程度,因此,針對各次諧波,采用等高副波導.經(jīng)過多次對結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)及仿真,得到濾波器總長度為750 mm,每兩組副波導對應同次諧波,各次諧波濾波器副波導、耦合孔及間隔主要尺寸列于表1.

通過仿真,二次諧波衰減達70 dB以上.三次諧波衰減達50 dB以上,四次諧波衰減達35 dB以上.仿真結(jié)果見圖6所示,設(shè)計完全達到預期.

表1 針對各次諧波濾波器副波導主要尺寸(單位mm)Table 1.The deputy waveguide main dimensions to different harmonic(units:mm).

圖6 濾波器S參數(shù)仿真結(jié)果 (a)通帶損耗；(b)二次諧波抑制度；(c)三次諧波抑制度；(d)四次諧波抑制度Fig.6.The S parameters simulation results of filter:(a)The loss of pass-band；(b)the suppression of second harmonic；(c)the suppression of third harmonic；(d)the suppression of fourth harmonic.

圖7 100 kW電場強度分布圖Fig.7.The distribution diagram of E under 100 kW.

在濾波器輸入CW 100 kW功率時,由圖7電磁場分布仿真結(jié)果可以看出,濾波器的最大電場強度明顯小于常壓條件下空氣擊穿場強2.96×106V/M,功率容量仿真結(jié)果滿足指標設(shè)計要求.

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計及加工焊接

考慮到副波導數(shù)目較多且深度較深,又考慮到目前的機械加工水平,為保證整體加工精度及安裝方便,濾波器分成蓋板1、蓋板2、副波導腔1、副波導腔2、主波導腔1、主波導腔2及負載七部分進行加工,其中負載部分包括6種共288個結(jié)構(gòu)單元,分別裝在兩個蓋板上,如圖11所示.考慮材料強度及濾波器的較小損耗和導熱特性,濾波器主體結(jié)構(gòu)加工材料選擇紫銅,表面鍍金處理.考慮到濾波器結(jié)構(gòu)的復雜性及加工難度較大,特別是副波導深度較大,在加工時將濾波器分成多個部件進行加工.通過仿真發(fā)現(xiàn),溫度變化帶來的微小形變,對功率容量影響很大.為保證功率容量,部件之間不能用螺釘緊固安裝,需要進行真空釬焊.由于功率容量較高,對加工精度要求也較高,各部件加工精度要求控制在±0.02 mm,保證安裝過程中濾波器內(nèi)部腔體無污染.加工、焊接組裝后實物照片見圖8所示,濾波器工藝流程框圖見圖9所示.

圖8 濾波器實物照片F(xiàn)ig.8.The picture of the filter.

圖9 工藝流程框圖Fig.9.The process flow diagram of the filter.

6 測 試

6.1 小信號測試

小信號條件下,主要對濾波器通帶損耗及各次諧波進行測試.針對通帶損耗測試,只需要外加波導同軸裝換,在通帶條件下校準儀器,直接進行測試.針對諧波測試,則需要根據(jù)每次諧波頻率,外加相應過度波導及波導同軸轉(zhuǎn)換,然后在相應頻率下校準儀器,分別進行測試.圖10為濾波器樣件通帶損耗及各次諧波的測試結(jié)果.從測試結(jié)果可以看出,濾波器通帶最大插入損耗小于0.3 dB,二次、三次及四次諧波抑制度分別大于75,50,35 dB.與仿真結(jié)果比較基本一致,完全達到預期設(shè)計目標.

圖10 濾波器S參數(shù)測試結(jié)果 (a)通帶損耗；(b)二次諧波抑制度；(c)三次諧波抑制度；(d)四次諧波抑制度Fig.10.The S parameters test results of filter:(a)The loss of pass-band；(b)the suppression of second harmonic；(c)the suppression of third harmonic；(d)the suppression of fourth harmonic.

6.2 耐功率實驗

在外加水冷條件下,對濾波器進行CW高功率耐功率實驗.在濾波器周圍加裝散熱冷板,液冷系統(tǒng)出水溫度設(shè)置為18?C,在濾波器輸入端口附近放置溫度傳感器,通過光纖連接到電腦,用來檢測濾波器溫度變化情況.在功率輸出達100 kW以上,觀察濾波器的溫度變化.圖11為連續(xù)工作12 h溫度變化曲線.持續(xù)加功率20 min左右,濾波器溫度曲線基本保持穩(wěn)定,在之后的12 h高功率條件下連續(xù)工作,溫度曲線穩(wěn)定在30?C左右,無跳變,表明濾波器在100 kW CW狀態(tài)下,工作性能穩(wěn)定.

圖11 12 h溫度變化曲線Fig.11.The temperature variation curve within 12 h.

7 結(jié) 論

超大功率吸收式諧波濾波器是高功率深空探測等應用領(lǐng)域的一項關(guān)鍵技術(shù),其結(jié)構(gòu)復雜,理論設(shè)計難度較大.本文根據(jù)等效電路法,簡單分析了諧波濾波器的損耗特性,并結(jié)合電磁場仿真軟件,對濾波器整體結(jié)構(gòu)進行了仿真,成功設(shè)計出了一種X頻段CW 100 kW吸收式超大功率諧波濾波器.對濾波器進行了樣件加工,經(jīng)過小信號測試和高功率實驗,各項指標性能良好.美國NASA速調(diào)管高功放在100 kW時,多級濾波器串聯(lián)對二、三及四次諧波的抑制度為60—100 dB,而文中單個吸收式濾波器二、三及四指標分別大于75,50,35 dB.因此,設(shè)計水平達到甚至超過了目前國際(美國)最高設(shè)計水平,為我國更遙遠的外太空探測技術(shù)發(fā)展解決了一項技術(shù)瓶頸,同時,該濾波器的成功研發(fā)也為我國其他頻段吸收式高功率濾波器的應用研發(fā)提供了設(shè)計參考.