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        一種Ku頻段四端高功率隔離器設(shè)計(jì)

        2020-01-07 11:10:22劉永鋒溫丹莉陳曉萌
        火控雷達(dá)技術(shù) 2019年4期
        關(guān)鍵詞:隔離器移相器鐵氧體

        劉永鋒 溫丹莉 陳曉萌

        (中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088)

        0 引言

        隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,隔離器的應(yīng)用越來越廣泛,使用頻段覆蓋范圍越來越寬。為適應(yīng)雷達(dá)收發(fā)組件技術(shù)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(dǎo)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(dǎo)高功率隔離器其應(yīng)用背景是某雷達(dá)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(dǎo)結(jié)式隔離器均難以達(dá)到數(shù)百瓦平均功率要求,結(jié)合工作頻段及使用條件優(yōu)選四端波導(dǎo)差相移式隔離器[1]的方案。圖1為Ku頻段隔離器實(shí)物。

        圖1 隔離器圖

        1 工作原理

        四端差相移式隔離器實(shí)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)微波信號(hào)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(duì)通過的功率容量越有利,散熱根據(jù)系統(tǒng)條件可采用風(fēng)冷、液冷等方式。依次類推,信號(hào)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(hào)環(huán)行。將3、4端口接匹配負(fù)載可作為隔離器使用。

        圖2 隔離器工作原理圖

        2 設(shè)計(jì)與優(yōu)化

        2.1 部件設(shè)計(jì)

        考慮通過功率及風(fēng)冷散熱條件,設(shè)計(jì)選用BJ140型波導(dǎo)。為獲得滿足需求的高功率隔離器,對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。3dB電橋設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注短縫耦合的長度及各端口匹配狀態(tài),波導(dǎo)內(nèi)匹配調(diào)配時(shí)要注意對(duì)稱性;折疊雙T是魔T的一種變形,設(shè)計(jì)時(shí)須關(guān)注E臂的開口位置[5],波導(dǎo)內(nèi)阻抗匹配及調(diào)配柱位置尺寸的優(yōu)化;差相移式90°移相器的設(shè)計(jì)是隔離器的關(guān)鍵,設(shè)計(jì)時(shí)采用波導(dǎo)內(nèi)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(dǎo)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(dǎo)壁的接觸面積,以利散熱;完成各部件的設(shè)計(jì)后,將各部件組合形成隔離器,根據(jù)需求設(shè)計(jì)確定各端口位置及形式。

        2.2 材料設(shè)計(jì)

        2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

        據(jù)設(shè)計(jì)分析獲得的材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式及電訊尺寸初值在高頻仿真軟件(HFSS)中建模,對(duì)各個(gè)部件分別建模并優(yōu)化設(shè)計(jì),根據(jù)優(yōu)化結(jié)果再對(duì)組合成的隔離器進(jìn)行優(yōu)化[5]。Ku頻段導(dǎo)波波長較短,對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)較敏感,給器件設(shè)計(jì)帶來一定困難,須仔細(xì)優(yōu)化并考慮冗余容差設(shè)計(jì),以期獲得良好結(jié)果。圖3-圖5分別給出了隔離器仿真模型及優(yōu)化結(jié)果。仿真結(jié)果表明1GHz帶寬內(nèi)輸入端口S11參數(shù)優(yōu)于-25dB,S12參數(shù)優(yōu)于-30dB,對(duì)于S21參數(shù)由于實(shí)際中材料損耗、系統(tǒng)連接損耗、波導(dǎo)傳輸損耗等多因素制約,仿真設(shè)計(jì)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(jié)匹配柱直徑取6.4,高度不大于1.1,E面T結(jié)匹配柱高度不大于0.8。鐵氧體材料設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)尺寸單位為mm。

        2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        Ku頻段的隔離器使用頻率高,波導(dǎo)尺寸小,電訊尺寸敏感,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)既要保證加工精度又要考慮可操作性,設(shè)計(jì)時(shí)除移相器外均使用整體加工的方法;移相器設(shè)計(jì)為剖分結(jié)構(gòu),以便鐵氧體材料在波導(dǎo)中焊接;隔離器裝配注意各部件法蘭盤密封設(shè)計(jì);外磁場(chǎng)安裝設(shè)計(jì)為側(cè)面加凸臺(tái)支耳螺釘緊固的方式;為提高功率容量波導(dǎo)內(nèi)部尖銳突變處均要考慮適當(dāng)?shù)菇恰@鋮s形式為自然風(fēng)冷。

        3 實(shí)驗(yàn)及測(cè)試

        結(jié)構(gòu)件齊套后通過裝配及調(diào)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(jìn)行了功率實(shí)驗(yàn),通過峰值功率50kW,平均功率250W,散熱狀態(tài)為風(fēng)冷。實(shí)際受限于發(fā)射機(jī)功率和系統(tǒng)安全裕度,未進(jìn)一步做更高功率耐受實(shí)驗(yàn),通過液冷設(shè)計(jì)可進(jìn)一步提高功率容量。圖6為隔離器測(cè)試圖。

        圖6 隔離器測(cè)試

        設(shè)計(jì)及優(yōu)化時(shí)波導(dǎo)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(shí)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(fù)載匹配狀態(tài)及測(cè)試誤差均會(huì)導(dǎo)致實(shí)測(cè)結(jié)果和設(shè)計(jì)結(jié)果的偏差??傮w來看,實(shí)測(cè)輸入端口駐波優(yōu)于1.15,隔離度優(yōu)于24dB,與設(shè)計(jì)預(yù)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(shí)測(cè)結(jié)果。

        圖7 隔離器主要性能測(cè)試結(jié)果

        4 結(jié)束語

        文中闡述了一種Ku頻段四端差相移式隔離器的設(shè)計(jì)分析過程,給出了該隔離器設(shè)計(jì)中的關(guān)注點(diǎn)。在HFSS中完成了建模并對(duì)隔離器進(jìn)行了設(shè)計(jì)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(yàn)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(jìn)一步提高功率容量。

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