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)
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
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
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。
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。
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。
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
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。