劉永鋒 溫丹莉 陳曉萌

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

隨著雷達技術的發(fā)展，隔離器的應用越來越廣泛，使用頻段覆蓋范圍越來越寬。為適應雷達收發(fā)組件技術的發(fā)展，微帶、帶線器件向易集成小型化的方向不斷發(fā)展，但在某些高功率系統(tǒng)中，波導高功率隔離器仍有著不可替代的作用。本文介紹的Ku頻段波導高功率隔離器其應用背景是某雷達系統(tǒng)，隔離器功率需求是承受50kW峰值功率，250W平均功率。在Ku頻段同軸式隔離器及波導結式隔離器均難以達到數(shù)百瓦平均功率要求，結合工作頻段及使用條件優(yōu)選四端波導差相移式隔離器[1]的方案。圖1為Ku頻段隔離器實物。

圖1 隔離器圖

1 工作原理

四端差相移式隔離器實現(xiàn)方式多樣，根據(jù)需求可由鐵氧體移相器及3dB電橋組合完成隔離器功能[6]。本方案選擇的是由波導分支、3dB電橋、90°差相移移相器及折疊雙T組成隔離器，其工作原理見圖2[7]。功能上可實現(xiàn)微波信號從1口輸入，經(jīng)電橋、移相器及折疊雙T后，將在2口輸出，通常損耗越小對通過的功率容量越有利，散熱根據(jù)系統(tǒng)條件可采用風冷、液冷等方式。依次類推，信號2口入則3口出，3口入則4口出，4口入則1口出，形成信號環(huán)行。將3、4端口接匹配負載可作為隔離器使用。

圖2 隔離器工作原理圖

2 設計與優(yōu)化

2.1 部件設計

考慮通過功率及風冷散熱條件，設計選用BJ140型波導。為獲得滿足需求的高功率隔離器，對各個部件進行分析與優(yōu)化設計。3dB電橋設計時重點關注短縫耦合的長度及各端口匹配狀態(tài)，波導內匹配調配時要注意對稱性；折疊雙T是魔T的一種變形，設計時須關注E臂的開口位置[5]，波導內阻抗匹配及調配柱位置尺寸的優(yōu)化；差相移式90°移相器的設計是隔離器的關鍵，設計時采用波導內放置雙片H面鐵氧體樣品的形式[4]，選取合適磁矩的低損微波鐵氧體材料，確定鐵氧體樣品尺寸及在波導中的位置，以期獲得足夠的差相移量及優(yōu)良的微波性能；為提高功率容量，電橋及折疊雙T中的匹配柱高度不宜高，采用容性匹配，移相器中鐵氧體樣品的厚度不大于1mm，盡量薄且增大與波導壁的接觸面積，以利散熱；完成各部件的設計后，將各部件組合形成隔離器，根據(jù)需求設計確定各端口位置及形式。

2.2 材料設計

2.3 優(yōu)化設計

據(jù)設計分析獲得的材料參數(shù)、結構形式及電訊尺寸初值在高頻仿真軟件(HFSS)中建模，對各個部件分別建模并優(yōu)化設計，根據(jù)優(yōu)化結果再對組合成的隔離器進行優(yōu)化[5]。Ku頻段導波波長較短，對結構尺寸參數(shù)較敏感，給器件設計帶來一定困難，須仔細優(yōu)化并考慮冗余容差設計，以期獲得良好結果。圖3-圖5分別給出了隔離器仿真模型及優(yōu)化結果。仿真結果表明1GHz帶寬內輸入端口S11參數(shù)優(yōu)于-25dB，S12參數(shù)優(yōu)于-30dB，對于S21參數(shù)由于實際中材料損耗、系統(tǒng)連接損耗、波導傳輸損耗等多因素制約，仿真設計主要考慮避免系統(tǒng)中有不連續(xù)性引起的異常損耗峰。

圖3 隔離器模型圖

圖4 S11數(shù)據(jù)示意圖

圖5 S12數(shù)據(jù)示意圖

電橋及折疊雙T采用金屬圓柱匹配，電橋匹配柱直徑取5.8，高度不大于1.4；折疊雙T中H面T結匹配柱直徑取6.4，高度不大于1.1，E面T結匹配柱高度不大于0.8。鐵氧體材料設計為長方體，長度不大于105，寬度取5～6，高度不大于0.8。上述設計尺寸單位為mm。

2.4 結構設計

Ku頻段的隔離器使用頻率高，波導尺寸小，電訊尺寸敏感，結構設計時既要保證加工精度又要考慮可操作性，設計時除移相器外均使用整體加工的方法；移相器設計為剖分結構，以便鐵氧體材料在波導中焊接；隔離器裝配注意各部件法蘭盤密封設計；外磁場安裝設計為側面加凸臺支耳螺釘緊固的方式；為提高功率容量波導內部尖銳突變處均要考慮適當?shù)菇?。冷卻形式為自然風冷。

3 實驗及測試

結構件齊套后通過裝配及調試獲得了性能優(yōu)良的隔離器，工作帶寬1GHz，駐波小于1.25，隔離大于20dB，插損小于0.50dB。隔離器在某微波系統(tǒng)中進行了功率實驗，通過峰值功率50kW，平均功率250W，散熱狀態(tài)為風冷。實際受限于發(fā)射機功率和系統(tǒng)安全裕度，未進一步做更高功率耐受實驗，通過液冷設計可進一步提高功率容量。圖6為隔離器測試圖。

圖6 隔離器測試

設計及優(yōu)化時波導特性、部件連接、匹配狀態(tài)、鐵氧體材料特性及磁化狀態(tài)等參數(shù)均基于理想狀態(tài)，實際研制過程中加工精度、部件連接不連續(xù)性、鐵氧體材料參數(shù)、磁化狀態(tài)、外接負載匹配狀態(tài)及測試誤差均會導致實測結果和設計結果的偏差?？傮w來看，實測輸入端口駐波優(yōu)于1.15，隔離度優(yōu)于24dB，與設計預期基本相符。圖7給出了隔離器主要性能包括端口駐波、插損和隔離度的實測結果。

圖7 隔離器主要性能測試結果

4 結束語

文中闡述了一種Ku頻段四端差相移式隔離器的設計分析過程，給出了該隔離器設計中的關注點。在HFSS中完成了建模并對隔離器進行了設計優(yōu)化，研制性能優(yōu)良的Ku頻段隔離器。高功率性能已在某微波系統(tǒng)中得到驗證，通過峰值功率50kW，平均功率250W。該隔離器通過液冷散熱等措施可進一步提高功率容量。