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        C 波段波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)及其微放電功率閾值

        2020-03-11 05:45:28李繼超陳瀟杰劉長(zhǎng)軍白鶴崔萬(wàn)照
        應(yīng)用科技 2020年6期
        關(guān)鍵詞:敏感區(qū)域同軸波導(dǎo)

        李繼超,陳瀟杰,劉長(zhǎng)軍,白鶴,崔萬(wàn)照

        1. 四川大學(xué) 電子信息學(xué)院,四川 成都 610064

        2. 中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院 空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710100

        微放電是微波器件在空間應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)的一種二次電子諧振倍增現(xiàn)象[1-2]。在空間應(yīng)用中,會(huì)造成信號(hào)惡化和系統(tǒng)噪聲增加,反射系數(shù)增加并引起功率損耗,嚴(yán)重時(shí)破壞器件表面[3-10]。通過對(duì)微放電產(chǎn)生機(jī)理的研究,逐漸提出了一些抑制微放電的方法,如提高工藝、避免表面凸起等[6]。設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量增加間距,減小電場(chǎng)強(qiáng)度。另一種有效的辦法是在敏感區(qū)域選擇低二次電子發(fā)射率(secondary electron yield,SEY)特性的材料[5-7],或使用低SEY 材料對(duì)器件表面處理,例如TiN 薄膜。文獻(xiàn)[8]中通過磁控濺射沉積涂層技術(shù)制備了不同鈦氮原子比和不同厚度的TiN薄膜,降低材料SEY。因此,可通過分析微波器件內(nèi)微放電敏感區(qū)域,優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)或者材料處理來(lái)提高微放電閾值。

        波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換是微波系統(tǒng)的一個(gè)重要轉(zhuǎn)接器,底饋結(jié)構(gòu)通常比側(cè)饋結(jié)構(gòu)功率容量更高。本文針對(duì)空間微波系統(tǒng)提高微放電功率容量的迫切需求,設(shè)計(jì)了一款改進(jìn)型后饋式C 波段的波同轉(zhuǎn)換器?;谖⒎烹娒舾袇^(qū)域分析,改進(jìn)了同軸內(nèi)導(dǎo)體與波導(dǎo)過渡的方式,提高了其微放電功率容量。實(shí)驗(yàn)測(cè)量微放電閾值突破7 kW。

        1 微放電現(xiàn)象和分析方法

        微放電現(xiàn)象本質(zhì)為電子在微波場(chǎng)中的諧振運(yùn)動(dòng),二次電子在電場(chǎng)的加速下撞擊到材料表面,產(chǎn)生多個(gè)二次電子再次被電場(chǎng)加速,出現(xiàn)倍增過程[1,11-12]。文獻(xiàn)[11]用平板模型描述該現(xiàn)象,并探索抑制微放電的關(guān)鍵因素,如圖1 所示,平板間距為d。

        圖1 平板模型微放電過程

        設(shè)微波電場(chǎng)為

        式中:f為頻率;φ 為相角;ex為x方向的單位矢量。

        設(shè)電子的質(zhì)量為m,電荷為e,則電子運(yùn)動(dòng)方程為

        式中:n為半周期個(gè)數(shù);k為金屬表面比例系數(shù),與二次電子發(fā)射系數(shù)δ有關(guān)[13]。

        從式(1)~(3)可以看出,當(dāng)工作頻率確定后,影響微放電閾值的主要因素是器件結(jié)構(gòu)和材料屬性。間距越大,材料SEY 越低,則微放電閾值越高。在微波器件設(shè)計(jì)中,器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,很難進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的微放電分析。從結(jié)構(gòu)表面間距著手,用全波電磁仿真比較不同表面間距處的峰值電場(chǎng)強(qiáng)度,確定表面間距小且電場(chǎng)強(qiáng)度大的區(qū)域?yàn)槊舾袇^(qū)域,對(duì)該區(qū)域分析微放電現(xiàn)象,進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)或者材料處理,提高器件的微放電功率閾值并保持良好的傳輸性能。

        2 波同轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

        工程上常用的波同轉(zhuǎn)換器有后饋式與側(cè)饋式[13]。側(cè)饋式為探針結(jié)構(gòu),后饋式為過渡結(jié)構(gòu),后饋式功率容量通常較高。本文進(jìn)行后饋式波同轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì),考慮到空間應(yīng)用器件重量的限制,材料采用鋁。文獻(xiàn)[14]給出了后饋式波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器中的階梯阻抗變換的三端口等效電路模型,如圖2所示。

        圖2 階梯結(jié)構(gòu)等效電路模型

        圖中X1、X2、XTE分別為輸入、輸出、TE11端口的等效電抗,B為階梯結(jié)構(gòu)引入的電納,N為阻抗變換系數(shù)。

        本文基于BJ40 波導(dǎo)采用三級(jí)階梯做阻抗變換,波導(dǎo)的寬邊和窄邊分別為58.2 和29.1 mm,結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。通過電磁場(chǎng)全波仿真分析,以功率容量和帶寬為目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。發(fā)現(xiàn)圖3 中區(qū)域1、2 和3 間距小、電場(chǎng)強(qiáng)度高,為微放電敏感區(qū)域。

        圖3 波同轉(zhuǎn)換器剖面

        1)針對(duì)區(qū)域1,選用50 Ω 的L29 同軸接頭,增加內(nèi)外導(dǎo)體間距。內(nèi)外導(dǎo)體半徑Rin和Rout分別為3.5 和8.0 mm。

        2)針對(duì)區(qū)域2 和3,提出將同軸內(nèi)導(dǎo)體與階梯塊的連接結(jié)構(gòu)換成矩形塊,實(shí)現(xiàn)良好阻抗匹配,并提高功率容量。

        通過仿真計(jì)算進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,確定階梯的寬度為12.0 mm,L1=17.0 mm,H1=5.0 mm,L2=14.0 mm,H2=7.0 mm,L3=7.0 mm,H3=9.0 mm。階梯距離波導(dǎo)底部Lt=4.5 mm,整體位于寬邊中心。同軸圓心距波導(dǎo)窄邊的距離為D1=29.1 mm,距波導(dǎo)寬邊的距離D2=14.55 mm,過渡段橫截面為正方形,邊長(zhǎng)Wt=7.5 mm。

        中心頻率為4 GHz 波同轉(zhuǎn)換器仿真性能對(duì)比如圖4 所示。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在頻率為2.8~5.0 GHz 時(shí),回波損耗均大于15 dB,相對(duì)帶寬達(dá)到55%,插入損耗小于0.1 dB。將過渡段橫截面換成本文提出的矩形結(jié)構(gòu)后,得到回波損耗高于15 dB 的阻抗帶寬可達(dá)到77.5%,在頻率為3~5.4 GHz 時(shí),回波損耗均大于20 dB。敏感區(qū)域中結(jié)構(gòu)間距也得到了增加。

        圖4 波同轉(zhuǎn)換器散射參數(shù)仿真結(jié)果

        3 波同轉(zhuǎn)換器微放電分析

        本文采用全波仿真軟件和歐空局微放電仿真軟件Multipactor Calculator(MC)進(jìn)行微放電閾值分析。由仿真物理模型可知,按從小到大的原則標(biāo)注出該波同轉(zhuǎn)換器表面間距較小的3 塊區(qū)域如圖3 所示,分別在此3 處內(nèi)導(dǎo)體表面設(shè)置電場(chǎng)探針,比較特定輸入功率時(shí)的峰值電場(chǎng)強(qiáng)度。仿真結(jié)果如表1 所示,位置1 處(L29 同軸)表面間距最小且電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)最高,是微放電發(fā)生最敏感區(qū)域;位置3 處的表面間距與L29 同軸處相同,但由于處于短路面處,有效場(chǎng)強(qiáng)最小不易發(fā)生微放電。

        表1 有效功率為1 W 時(shí)電場(chǎng)分布

        在仿真設(shè)置中,金屬鋁的二次電子發(fā)射模型為Vaughan 模型,其δmax設(shè)置為2.41,且對(duì)應(yīng)的能量Emax=310 eV。微波為4.0 GHz 正弦信號(hào),網(wǎng)格剖分精度為每波長(zhǎng)至少離散20 網(wǎng)格。微放電分析的重點(diǎn)在L29 部分,結(jié)果通過粒子數(shù)與時(shí)間的關(guān)系呈現(xiàn)。

        歐空局微放電仿真軟件MC 能夠快速分析典型微波部件如波導(dǎo)、同軸結(jié)構(gòu)以及平板縫隙的微放電敏感曲線和微放電閾值功率或者電壓,支持金、銀、鋁等5 種表面材料分析。在該軟件中設(shè)置自定義同軸L29,計(jì)算其微放電敏感曲線和微放電功率閾值。如圖5 所示,MC 預(yù)測(cè)波同轉(zhuǎn)換器的微放電閾值為5 184 W。

        圖5 L29 同軸微放電敏感曲線

        采用全波仿真軟件模型,計(jì)算不同微波功率下粒子數(shù)與時(shí)間關(guān)系曲線,如圖6 所示。當(dāng)輸入功率超過8 400 W,100 ns 后粒子數(shù)已呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),預(yù)測(cè)該波同轉(zhuǎn)換器的微放電閾值功率約為8 400 W。

        圖6 微放電閾值仿真結(jié)果

        4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

        使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量波同轉(zhuǎn)換器的散射參數(shù)。加工實(shí)物圖及測(cè)量系統(tǒng)如圖7(a)所示。將2 個(gè)波同轉(zhuǎn)換器以“背靠背”方式(波導(dǎo)端法蘭螺紋連接為一體)連接進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖7(b)所示,與仿真曲線吻合。由于測(cè)試端口引入2 個(gè)轉(zhuǎn)接頭,插入損耗增大。在4.0 GHz 頻率點(diǎn)反射系數(shù)為-18.7 dB,插入損耗為0.3 dB。

        圖7 波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器測(cè)量

        微放電測(cè)試系統(tǒng)如圖8 所示,波同轉(zhuǎn)換器是在一個(gè)高真空室中完成的,前端為信號(hào)源,頻率為4 GHz,信號(hào)脈寬100 μs。波同轉(zhuǎn)換器后端接濾波器,并用頻譜儀檢測(cè)輸出信號(hào)。

        圖8 微放電測(cè)試平臺(tái)

        第1 次測(cè)得波同轉(zhuǎn)換器微放電閾值為7 kW,再次抽真空測(cè)量后僅為2 kW。更換L29 同軸內(nèi)導(dǎo)體后,第3 次測(cè)量結(jié)果恢復(fù)為7 kW。說明微放電位置確實(shí)在L29 同軸處,且該波同轉(zhuǎn)換的微放電功率閾值達(dá)到了7 kW,與仿真結(jié)果進(jìn)行比較如表2 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于該波同轉(zhuǎn)換器的微放電發(fā)生區(qū)域分析方法正確,通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)提高了微放電功率容量。

        表2 波同轉(zhuǎn)換器微放電功率閾值測(cè)試結(jié)果

        5 結(jié)論

        本文針對(duì)高功率微波系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種后饋式波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器,并進(jìn)行微放電分析和測(cè)試。

        1)在階梯阻抗變換設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,改進(jìn)同軸內(nèi)導(dǎo)體與階梯塊的過渡區(qū)域,增加了其功率容量?!氨晨勘场睖y(cè)量結(jié)果并與仿真結(jié)果吻合,傳輸性能良好。

        2)提出了以器件結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),從表面間距以及峰值電場(chǎng)強(qiáng)度分析復(fù)雜微波器件微放電敏感區(qū)域的方法,有助于定位微放電位置,并抑制微放電現(xiàn)象的產(chǎn)生。

        3)測(cè)量得到波同轉(zhuǎn)換器的微放電閾值功率突破7 kW,驗(yàn)證了方法的可行性,為其空間應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

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