申洋，瞿強(qiáng)，劉長(zhǎng)軍

1. 四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610064

2. 宜賓四川大學(xué) 產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，四川 宜賓 644000

注入鎖定是一種通過振蕩器的外部注入一個(gè)小信號(hào)，使振蕩器輸出信號(hào)頻率與注入信號(hào)頻率一致的技術(shù)。近年來，注入鎖定技術(shù)的應(yīng)用變得越來越普遍。將一個(gè)功率源的輸出作為注入信號(hào)，可控制多個(gè)大功率振蕩器[1]。此外，對(duì)注入鎖定的振蕩器進(jìn)行相位調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)高效率功率相干合成[2-4]和天線波束控制[5]。磁控管注入頻率調(diào)制的基準(zhǔn)信號(hào)后，可作為無線攜能通信的微波源[6-7]。倍頻注入鎖定相較于基頻注入鎖定，能更好地改善振蕩器的相位噪聲[8-9]。在傳統(tǒng)的注入鎖定系統(tǒng)中，通常需要使用波導(dǎo)環(huán)行器[10]來避免大功率微波進(jìn)入注入信號(hào)通道而損壞注入信號(hào)源。但波導(dǎo)環(huán)行器會(huì)增加系統(tǒng)重量和成本，引入額外的插入損耗[11]。

本文提出的三端口波導(dǎo)器件在波導(dǎo)E-T節(jié)加上BJ22-BJ48過渡波導(dǎo)和BJ48波導(dǎo)。過渡波導(dǎo)和BJ48波導(dǎo)可將2.45 GHz微波隔離。同時(shí)在E-T分支處引入金屬銷釘來抑制4.9 GHz注入信號(hào)在分支處產(chǎn)生的TE11模式。該器件具有高隔離度和插入損耗低等優(yōu)勢(shì)，可輕型化傳統(tǒng)注入鎖定系統(tǒng)，并降低成本。

1 注入鎖定基礎(chǔ)理論

振蕩器注入鎖定理論最早在1946年由Adler[12]提出。Adler根據(jù)小信號(hào)線性理論對(duì)鎖定的過程進(jìn)行分析，得到了鎖定帶寬和注入信號(hào)功率之間的關(guān)系。

式中：Q為振蕩器的品質(zhì)因數(shù)，ω0為振蕩器自由振蕩的角頻率，ωinj為注入信號(hào)的角頻率，ρ為注入比。ρ的表達(dá)式為

式中Pi和Po分別代表注入功率和被鎖定后振蕩器的輸出功率。通過Adler公式可以看到鎖定帶寬與注入比成正比關(guān)系。隨后Slater等[13]建立注入鎖定磁控管的RLC等效電路模型，如圖1所示。

圖1 注入鎖定的磁控管等效電路

圖1中g(shù)+jb表示磁控管被正交場(chǎng)加速的電子束的等效導(dǎo)納，R、L和C分別代表磁控管的諧振腔的等效電阻、電感和電容。G+2Gρejθ代表注入鎖定磁控管的負(fù)載導(dǎo)納，負(fù)載導(dǎo)納與注入信號(hào)和磁控管輸出信號(hào)之間的關(guān)系為

式中：G=IRFO∕ VRFO；ρ為注入比；θ為慢時(shí)變成分，表達(dá)為θ=(ωinj-ωc)t；ωc為磁控管的 振蕩頻率；VRFO和IRFO分別代表磁控管輸出信號(hào)的電壓和電流幅值；Vinj和Iinj分別代表注入信號(hào)的電壓和電流幅值。假設(shè)Vinj＜＜VRFO且Iinj＜＜IRFO，根據(jù)Slater對(duì)磁控管輸出數(shù)據(jù)的擬合，再利用經(jīng)典串并聯(lián)諧振電路理論[14]，當(dāng)外部注入信號(hào)頻率與振蕩頻率接近時(shí)，可推導(dǎo)出磁控管的相位與頻率方程為

式中ω0為磁控管陽極腔諧振頻率。當(dāng)dθ /dt=0時(shí)，磁控管處于鎖定狀態(tài)。

傳統(tǒng)的注入系統(tǒng)通過波導(dǎo)環(huán)行器注入信號(hào)，其工作帶寬通常小于5%，僅能提供基頻信號(hào)的注入通道。如圖2(a)所示，實(shí)線箭頭為基頻注入信號(hào)。本文采用三端口波導(dǎo)器件實(shí)現(xiàn)了倍頻信號(hào)的注入。該器件具有高隔離度、低插入損耗等優(yōu)勢(shì)，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)注入鎖定系統(tǒng)中的環(huán)形器，從而輕型化傳統(tǒng)注入鎖定的系統(tǒng)，降低了成本。輕型化系統(tǒng)如圖2(b)所示，虛線為倍頻信號(hào)。

圖2 注入系統(tǒng)示意

2 三端口波導(dǎo)器件原理及設(shè)計(jì)

三端口波導(dǎo)器件的正面剖視圖和實(shí)物圖分別如圖3和圖4所示。該器件是由BJ22的E-T分支、BJ22轉(zhuǎn)BJ48的過渡結(jié)構(gòu)和BJ48波導(dǎo)組成。器件在分支節(jié)處引入固定的金屬銷釘，在距離BJ22-BJ48過渡波導(dǎo)L2位置處加載調(diào)諧螺釘。為保證螺釘?shù)木o密固定，在BJ48波導(dǎo)上設(shè)計(jì)有固定調(diào)諧螺釘?shù)穆菁y孔。為了連接其他器件，在波導(dǎo)端面配有法蘭盤。整個(gè)波導(dǎo)器件均采用鋁制。器件在雙頻點(diǎn)工作，分別為2.45 GHz和4.9 GHz。

圖3 三端口波導(dǎo)器件正視剖面圖

圖4 三端口波導(dǎo)器件實(shí)物

2.45 GHz為振蕩器信號(hào)的工作頻率，振蕩器的大功率能量從端口1輸入，端口2輸出。端口3連有BJ48波導(dǎo)，BJ48為截止波導(dǎo)。截止波導(dǎo)中的功率衰減為

式中：P0為輸入功率，l為截止波導(dǎo)的長(zhǎng)度，α為衰減常數(shù)。α的表達(dá)式為

式中：λ為自由空間的工作波長(zhǎng)；λc為波導(dǎo)的截止波長(zhǎng)，與波導(dǎo)尺寸和模式有關(guān)。主模TE10的截止波長(zhǎng)為λc=2a。

為了防止振蕩器的輸出信號(hào)耦合到信號(hào)源而造成儀器損壞，在兩者之間加入截止波導(dǎo)進(jìn)行隔離。BJ48波導(dǎo)在工作頻率為2.45 GHz下的TE10模衰減常數(shù)α為41.6 rad/m。通過式(1)可以計(jì)算出當(dāng)波導(dǎo)長(zhǎng)度為80 mm時(shí)，功率衰減為29 dB。由于微波在BJ22～BJ48過渡結(jié)構(gòu)會(huì)進(jìn)一步的衰減，則端口1與端口3的隔離度將大于29 dB。

4.9 GHz為注入信號(hào)的頻率。注入信號(hào)的微波從端口3輸入，經(jīng)過分支處會(huì)產(chǎn)生高次模。通過仿真發(fā)現(xiàn)，高次模主要為TE11模。引入金屬銷釘來抑制在分支處產(chǎn)生的TE11模式，使微波主要以TE10模式到達(dá)端口1。而金屬銷釘又不可避免地帶來了反射，因此在BJ48波導(dǎo)中增加調(diào)諧螺釘減少注入端的反射。調(diào)諧螺釘僅影響注入端的4.9 GHz信號(hào)，不影響2.45 GHz微波。利用三維電磁仿真軟件HFSS對(duì)該器件進(jìn)行建模并仿真，模型參數(shù)如表1所示。

表1 三端口波導(dǎo)器件模型參數(shù) mm

3 測(cè)試結(jié)果與分析

為驗(yàn)證仿真的正確性，本文通過 Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別在2.45 GHz和4.9 GHz頻點(diǎn)對(duì)所設(shè)計(jì)的波導(dǎo)器件進(jìn)行測(cè)試。波導(dǎo)器件的每個(gè)端口接波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)稱波同轉(zhuǎn)換。

在2.45 GHz測(cè)試系統(tǒng)中，端口1和端口2通過BJ22波同轉(zhuǎn)換連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，端口3接BJ48波同轉(zhuǎn)換，BJ48波同轉(zhuǎn)換接有同軸匹配負(fù)載。測(cè)試與仿真的散射參數(shù)結(jié)果如圖5所示，在頻點(diǎn)2.45 GHz處，回波損耗優(yōu)于19 dB，插入損耗優(yōu)于0.45 dB。由于仿真時(shí)沒有考慮BJ48波同轉(zhuǎn)換，故仿真的隔離度比實(shí)測(cè)的隔離度更低。實(shí)測(cè)端口1與端口3隔離度優(yōu)于44 dB。該頻點(diǎn)所有指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 2.45 GHz散射參數(shù)的測(cè)試與仿真結(jié)果

在4.9 GHz測(cè)試系統(tǒng)中，端口2接波導(dǎo)匹配負(fù)載；端口1接長(zhǎng)度為110 mm的BJ22-BJ48過渡結(jié)構(gòu)，過渡結(jié)構(gòu)另一端接BJ48波同轉(zhuǎn)換；端口3接BJ48波同轉(zhuǎn)換。測(cè)試過程中緩慢調(diào)節(jié)螺釘至端口1與端口3插入損耗最優(yōu)處。測(cè)試與仿真的散射參數(shù)結(jié)果如圖6所示，在頻點(diǎn)4.9 GHz處，端口3的回波損耗優(yōu)于21 dB，端口1與端口3的插入損耗優(yōu)于3.7 dB。該頻點(diǎn)實(shí)際測(cè)試與仿真結(jié)果基本吻合，指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 4.9 GHz散射參數(shù)的測(cè)試與仿真結(jié)果

表2 為用于注入鎖定的四端口波導(dǎo)環(huán)行器與本論文提出的三端口波導(dǎo)器件性能指標(biāo)對(duì)比。三端口器件隔離度、插入損耗均優(yōu)于四端口波導(dǎo)環(huán)行器，并且省去了大功率匹配負(fù)載。不僅具有良好的電性能，還輕型化傳統(tǒng)注入鎖定系統(tǒng)，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

表2 性能指標(biāo)對(duì)比

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)一種用于倍頻注入鎖定的三端口波導(dǎo)器件，實(shí)測(cè)與仿真的散射參數(shù)基本吻合。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)和工作如下：

1）提出一種三端口波導(dǎo)器件用于注入鎖頻系統(tǒng)，具有高隔離度、低插入損耗等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)倍頻信號(hào)的注入，從而替代注入鎖頻系統(tǒng)中的波導(dǎo)環(huán)行器。

2）在三端口波導(dǎo)器分支處引入了金屬銷釘，抑制注入信號(hào)在分支處產(chǎn)生的TE11模式，使注入信號(hào)以TE10模式進(jìn)行傳輸并耦合到振蕩器。

3）在BJ48波導(dǎo)中加載了調(diào)諧螺釘，避免注入信號(hào)反射回信號(hào)源。由于2.45 GHz微波在BJ48波導(dǎo)中截止，故BJ48波導(dǎo)中的調(diào)諧螺釘對(duì)2.45 GHz微波傳輸不造成影響。