毫米波寬帶高功率環(huán)行器研制

華 韡

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，環(huán)行器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，使用頻段覆蓋范圍越來(lái)越寬。為適應(yīng)雷達(dá)收發(fā)組件技術(shù)的發(fā)展，微帶、帶線器件不斷向易集成、小型化的方向發(fā)展，但在某些高平均功率應(yīng)用系統(tǒng)中，波導(dǎo)高功率環(huán)行器仍有著不可替代的作用，波導(dǎo)高功率環(huán)行器分為波導(dǎo)結(jié)高功率環(huán)行器、四端口波導(dǎo)差相移式環(huán)行器。相比較而言，四端口波導(dǎo)差相移式環(huán)行器平均功率容量更高，只是受體積和重量的限制。對(duì)此類(lèi)環(huán)行器提出的新課題適用于高頻化和寬帶化。本文介紹的毫米波波導(dǎo)高功率環(huán)行器的應(yīng)用背景是結(jié)合雷達(dá)工作頻段及使用條件，最終確定采用四端口波導(dǎo)差相移式環(huán)行器的方案。

1 理論及原理分析

1.1 理論說(shuō)明及設(shè)計(jì)思路

四端口差相移式環(huán)行器實(shí)現(xiàn)方式多樣，根據(jù)需求可由鐵氧體移相器及3 dB電橋組合完成環(huán)行器功能。本方案選擇的是由分支波導(dǎo)、3 dB電橋、90°差相移移相器及折疊雙T組成環(huán)行器，其工作原理示意圖如圖1所示［1］。其中，90°差相移移相器是環(huán)行器的核心，由并聯(lián)波導(dǎo)放置橫向磁化鐵氧體片構(gòu)成，截面示意圖如圖2所示。

圖1 環(huán)行器工作原理示意圖

圖2 90°差相移移相器截面示意圖

這種磁化鐵氧體片使波導(dǎo)中兩個(gè)相反傳播方向的微波信號(hào)產(chǎn)生90°的相移差，即

結(jié)合折疊T和3 dB電橋的特性，結(jié)果使信號(hào)產(chǎn)生1→4→2→3→1 的環(huán)行，網(wǎng)絡(luò)表示如圖 3 所示［2］。

圖3 四端口差相移環(huán)行器網(wǎng)絡(luò)

90°差相移移相器的設(shè)計(jì)需根據(jù)耐功率要求來(lái)選擇鐵氧體的磁參數(shù)和幾何尺寸，器件采用H面結(jié)構(gòu)，鐵氧體薄片平整地粘貼在波導(dǎo)寬邊上，厚度根據(jù)熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行計(jì)算，使鐵氧體由于損耗產(chǎn)生的熱量能及時(shí)傳導(dǎo)出去，避免因升溫太高而引起磁參數(shù)的變化，破壞器件性能，散熱措施有強(qiáng)迫風(fēng)冷或水冷，為了提高峰功率容量，器件可采用密封充氣等措施［3］。應(yīng)特別指出，當(dāng)高功率微波信號(hào)超過(guò)一定閥值時(shí)，鐵氧體會(huì)產(chǎn)生非線性效應(yīng)，激發(fā)自旋波，使器件損耗增大，性能變壞。因此，為了提高器件的高功率閥值，差相移環(huán)行器通常選取較小的飽和磁化強(qiáng)度及較大的自旋波線寬，歸一化p值為0.3～0.5。

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，在2口輸出，并且損耗很小，通常，損耗可做到小于0.4 dB，有特殊需求經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后可達(dá)到小于0.2 dB，甚至更小。依次類(lèi)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［4］。

1.2 壓縮波導(dǎo)3 dB電橋設(shè)計(jì)［5］

3 dB短縫電橋的縫寬是這樣確定的:在短縫處能同時(shí)傳輸TE10模和TE20模，而TE30模及其他高次模均需截止，因此，短縫的寬度a＇為

根據(jù)工作頻率和選取的波導(dǎo)口徑，需要對(duì)3 dB電橋短縫處的波導(dǎo)寬度進(jìn)行壓縮，壓縮的原則是使之在短縫處不出現(xiàn)TE30高次模。

短縫長(zhǎng)度L的確定:需要滿足短縫處TE20波的相位超前TE10波的相位90°，即

式中:λg10和 λg20分別為 TE10模和 TE20模對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)波長(zhǎng)。

由式(3)、式(4)可以給出半高波導(dǎo)3 dB電橋的基本設(shè)計(jì)參數(shù)，當(dāng)然，在短縫中間需要增加調(diào)配螺釘對(duì)縫隙端部進(jìn)行匹配，基本設(shè)計(jì)完成后可以利用軟件對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化仿真，仿真模型如圖4所示，仿真結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，在15%的帶寬內(nèi)3 dB電橋的駐波接近30 dB，功率分配比起伏在±0.15 dB以內(nèi)。

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圖4 壓縮波導(dǎo)3 dB電橋H面90°彎曲仿真模型

圖5 壓縮波導(dǎo)3 dB電橋仿真結(jié)果

1.3 壓縮波導(dǎo)折疊雙T設(shè)計(jì)［6］

為了增加帶寬，避免高次模的影響，我們采取適當(dāng)壓縮并聯(lián)雙端口的寬邊尺寸，而其余兩獨(dú)立端口采用標(biāo)準(zhǔn)口徑，通常，選擇并聯(lián)雙端口寬邊尺寸為0.692 λ0(λ0為中心頻率工作波長(zhǎng))。圖6為壓縮波導(dǎo)折疊雙T仿真模型。

為了匹配1端口所在波導(dǎo)與大波導(dǎo)的連接，可在二者之間加一個(gè)1/4波長(zhǎng)阻抗變換器，該阻抗變換器的設(shè)計(jì)，不能像普通1/4波長(zhǎng)阻抗變換器那樣，因?yàn)楝F(xiàn)在E臂的開(kāi)槽將影響波導(dǎo)阻抗值的計(jì)算，阻抗變換器的長(zhǎng)度為

一般，將E臂的位置定在1端口波導(dǎo)與1/4波長(zhǎng)阻抗變換器交界處，E臂的匹配一般采用電感銷(xiāo)釘或電容塊匹配，也可采用由壓縮波導(dǎo)經(jīng)過(guò)1/4波長(zhǎng)阻抗變換器漸變到標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)。

通常情況下，電感銷(xiāo)釘圓心距離并聯(lián)端口隔板0.55 λ0～0.63 λ0;圓心距離E 臂(1 端口波導(dǎo)與1/4 波長(zhǎng)阻抗變換器交界處)0.34 λ0～0.42 λ0，可根據(jù)實(shí)際性能做微調(diào)。電感銷(xiāo)釘形狀一般為圓柱狀，圓邊倒角或者為半球狀。圓柱或者圓球直徑一般為λ0/4，圓柱高或球高多根據(jù)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。仿真結(jié)果如圖7所示，從圖中可以看出在15%的帶寬內(nèi)折疊雙T各端口駐波基本接近30 dB，功率分配比起伏在±0.01 dB以內(nèi)。

圖7 壓縮波導(dǎo)折疊雙T仿真結(jié)果

1.4 壓縮波導(dǎo)鐵氧體移相器設(shè)計(jì)

圖8為鐵氧體移相器的仿真模型。通常，鐵氧體片的寬邊中心位于波導(dǎo)寬邊的1/4處，鐵氧體片的厚度根據(jù)器件損耗、功率容量、頻率響應(yīng)以及長(zhǎng)度要求決定，為了駐波性能更加理想，鐵氧體片的兩端可磨成斜劈狀。

圖8 壓縮波導(dǎo)鐵氧體移相器仿真模型

通過(guò)仿真計(jì)算大致確定鐵氧體片的厚度和長(zhǎng)度，仿真結(jié)果如圖9所示，從圖中可以看出，在20%的帶寬內(nèi)，鐵氧體移相器駐波基本接近30 dB，相移差在90°左右，頻率響應(yīng)起伏不超過(guò)3°。

圖9 壓縮波導(dǎo)鐵氧體移相器仿真結(jié)果

1.5 環(huán)行器整體性能仿真結(jié)果

圖10 四端口差相移式環(huán)行器仿真模型

圖11 四端口差相移式環(huán)行器仿真結(jié)果

2 研制和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)初始理論計(jì)算以及之后的軟件仿真優(yōu)化計(jì)算設(shè)計(jì)，本文得出了壓縮波導(dǎo)3 dB電橋和壓縮波導(dǎo)折疊雙T的各個(gè)參數(shù)值，按這些參數(shù)值投產(chǎn)加工出來(lái)的壓縮波導(dǎo)3 dB電橋和壓縮波導(dǎo)折疊雙T結(jié)構(gòu)通過(guò)電性能測(cè)試，能夠滿足所需頻帶內(nèi)的技術(shù)指標(biāo)要求。

不同厚度的鐵氧體片對(duì)鐵氧體移相器性能的影響。按照仿真計(jì)算得出的鐵氧體片厚度為0.3 mm，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)鐵氧體移相器的相移差與要求的90°還有一定距離，于是，將鐵氧體片厚度改為0.4 mm，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)鐵氧體移相器的相移差要高出90°一些，且頻率響應(yīng)不太理想，最終，將鐵氧體片厚度改為0.35 mm，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)鐵氧體移相器的相移差可以達(dá)到90°。且整個(gè)頻帶的頻率響應(yīng)較理想。

按預(yù)期技術(shù)指標(biāo)要求研制出了毫米波頻段波導(dǎo)高功率環(huán)行器樣件，圖12為研制出的環(huán)行器樣件。

圖12 實(shí)際研制出的毫米波四端口相移差式環(huán)行器軟件

圖13為測(cè)試出的該器件的性能，可以看出在毫米波頻段，相對(duì)帶寬11.5%范圍內(nèi)，正向損耗最大值為0.49 dB，反向隔離最小值為27 dB，各端口電壓駐波比均小于1.2。

圖13 毫米波四端口相移差式環(huán)行器樣件實(shí)際測(cè)試結(jié)果

在這種四端口差相移式波導(dǎo)環(huán)行器中，區(qū)別于傳統(tǒng)做法，即環(huán)行器內(nèi)外部波導(dǎo)端口口徑均一致，鐵氧體移相器、3 dB電橋和折疊雙T在環(huán)行器內(nèi)部的波導(dǎo)端口均采用壓縮波導(dǎo)寬度進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣能夠避免在高頻端時(shí)易出現(xiàn)的高次模，有效增加帶寬，以往研制的毫米波四端口波導(dǎo)差相移式環(huán)行器帶寬一般在6%～8%，而該環(huán)行器實(shí)驗(yàn)測(cè)試帶寬可以達(dá)到15%左右。而且壓縮波導(dǎo)寬度也可以減小整個(gè)環(huán)行器的體積和重量。

在毫米波頻段，各個(gè)元件的誤差對(duì)于環(huán)行器的隔離和損耗影響巨大。有研究表明，假設(shè)3 dB電橋和折疊雙T是理想的，鐵氧體移相器引起的相移差誤差在11.4°時(shí)，環(huán)行器隔離性能將會(huì)下降5 dB，損耗性能會(huì)增加0.06 dB，而且，并未考慮鐵氧體移相器本身的損耗［5］。所以，該毫米波四端口波導(dǎo)差相移式環(huán)行器對(duì)于各個(gè)元件的公差控制必須非常嚴(yán)格，特別是鐵氧體差相移段內(nèi)的鐵氧體尺寸和位置。我們?cè)诳刂坪描F氧體加工尺寸精度的同時(shí)，設(shè)計(jì)了精密簡(jiǎn)便的工裝夾具對(duì)鐵氧體在波導(dǎo)內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確定位膠接。

以前的毫米波四端口波導(dǎo)差相移式環(huán)行器中鐵氧體移相器內(nèi)的鐵氧體厚度一般為0.5 mm～0.6 mm，我們將鐵氧體厚度繼續(xù)取薄至0.3 mm～0.4 mm，這樣的優(yōu)勢(shì)在于使鐵氧體移相器自身?yè)p耗減小;外加磁場(chǎng)相應(yīng)減小，橫磁場(chǎng)尺寸和重量能大幅減小;更重要的是能改善散熱條件，提高平均功率容量。但是，對(duì)于鐵氧體加工工藝提出了更高的要求，同時(shí)，需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)判斷差相移頻響和誤差等。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從工程應(yīng)用出發(fā)，論述和驗(yàn)證了毫米波頻段寬帶高功率差相移式環(huán)行器的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)理論計(jì)算、軟件仿真并結(jié)合實(shí)驗(yàn)，研制出的毫米波寬帶高功率差相移環(huán)行器性能優(yōu)良，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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