Ka多通道波導(dǎo)開關(guān)的微波性能設(shè)計及驗證

于 倩，萇群峰，王文濤，張楚賢

(北京航天微機(jī)電技術(shù)研究所，北京 10094)

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Ka多通道波導(dǎo)開關(guān)的微波性能設(shè)計及驗證

于 倩，萇群峰，王文濤，張楚賢

(北京航天微機(jī)電技術(shù)研究所，北京 10094)

設(shè)計了一種Ka波段多通道波導(dǎo)開關(guān)，用于滿足高頻段多通道的微波信號切換要求。文中提出了一種低駐波、高隔離度的微波參數(shù)優(yōu)化方法，即在傳統(tǒng)的軸向扼流基礎(chǔ)上，增加了圓周方向扼流及軸向極化扼流，極大地提高了波導(dǎo)開關(guān)的微波性能。波導(dǎo)開關(guān)經(jīng)過了相關(guān)理論計算，通過HFSS仿真軟件進(jìn)行建模和優(yōu)化設(shè)計，以及實物試制測試。實測表明：這種多通道波導(dǎo)開關(guān)在Ka頻段(36.5 GHz～40 GHz)下電壓駐波比<1.10，插入損耗<0.14 dB，隔離度>70 dB，與設(shè)計相符。

Ka波段；多通道；波導(dǎo)開關(guān)

0 引 言

微波開關(guān)就是通過某種方式切換高頻信號，特別是微波信號，并實現(xiàn)其幾乎無失真?zhèn)鬏數(shù)臋C(jī)電元件，它是實現(xiàn)高頻微波功率切換技術(shù)的載體。其中，波導(dǎo)開關(guān)是一種采用機(jī)械隔離并通過轉(zhuǎn)子相對定子轉(zhuǎn)動實現(xiàn)高頻信道切換的微波開關(guān)[1]。該類開關(guān)具有工作頻率高、損耗小、功率容量大等特點(diǎn)，因此，可廣泛應(yīng)用于通信、導(dǎo)航、遙測遙控等相關(guān)領(lǐng)域，已成為當(dāng)今世界高頻電子設(shè)備中重要的元器件之一[2]。

隨著各種武器裝備通信與控制信號頻率的不斷提升，功率容量不斷增大，對波導(dǎo)開關(guān)微波性能的要求越來越高。本文介紹了一種提高Ka波段多通道波導(dǎo)開關(guān)微波性能的設(shè)計方法，實現(xiàn)在36.5 GHz～40 GHz頻段下電壓駐波比<1.10，插入損耗<0.14 dB，隔離度>70 dB。

1 整體結(jié)構(gòu)

波導(dǎo)開關(guān)的工作原理分析。波導(dǎo)開關(guān)總體結(jié)構(gòu)以功能劃分可分為導(dǎo)行系統(tǒng)和電磁驅(qū)動系統(tǒng)。其中，導(dǎo)行系統(tǒng)包括導(dǎo)行定子和導(dǎo)行轉(zhuǎn)子兩大主要結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子上加工有波導(dǎo)腔，在驅(qū)動系統(tǒng)的帶動下轉(zhuǎn)動，同時利用鎖止機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確定位并靜態(tài)自鎖。驅(qū)動系統(tǒng)包括電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)，利用有限轉(zhuǎn)角電機(jī)實現(xiàn)定轉(zhuǎn)動運(yùn)動，通過傳動結(jié)構(gòu)驅(qū)動導(dǎo)行轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，并利用電機(jī)永磁力配合限位結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角進(jìn)行位置鎖定，以實現(xiàn)開關(guān)靜態(tài)鎖止功能[3]。波導(dǎo)開關(guān)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 波導(dǎo)開關(guān)整體示意圖

R型波導(dǎo)開關(guān)可實現(xiàn)三個通道四個狀態(tài)的切換。導(dǎo)行定子上設(shè)計有四個波導(dǎo)口，導(dǎo)行轉(zhuǎn)子上設(shè)計有兩個弧形微波通道和一個直通微波通道。導(dǎo)行轉(zhuǎn)子在電磁系統(tǒng)的作用下，與導(dǎo)行定子配合可以形成四個穩(wěn)態(tài)位置。這樣，通過導(dǎo)行轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動實現(xiàn)四種狀態(tài)微波信號通道的導(dǎo)通和阻斷。工作原理如圖2所示。

圖2 R型開關(guān)工作原理示意圖

為了保證開關(guān)轉(zhuǎn)動的可靠性，定轉(zhuǎn)子之間需要保留一定的轉(zhuǎn)動間隙，然而，間隙的引入不可避免地導(dǎo)致微波通路的不連續(xù)，從而引起信號的反射及泄漏，導(dǎo)致性能的惡化。尤其本文選取的為BJ320接口的波導(dǎo)開關(guān)，工作頻段高達(dá)40 GHz，性能的優(yōu)化補(bǔ)償更加困難。下面將從開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真、測試三個方面介紹。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計和仿真分析

波導(dǎo)開關(guān)的電壓駐波比設(shè)計主要是由選擇波導(dǎo)彎的半徑及其角度來確定的。E面矩形波導(dǎo)彎電壓反射系數(shù)的模[4]為

(1)

式中：b為波導(dǎo)高度;R為波導(dǎo)彎的平均半徑;λg為波導(dǎo)波長；θ=2πl(wèi)/λg，l為RФ，Ф為波導(dǎo)彎的角度；m為奇數(shù)。

由式(11)可知，隨著波導(dǎo)彎平均半徑的增大，反射系數(shù)|r|的變化幅度越來越小，對應(yīng)的電壓駐波比的變化也會越來越平穩(wěn)。說明隨著轉(zhuǎn)子半徑的增大，電壓駐波比趨于穩(wěn)定。同時，考慮轉(zhuǎn)子小型化要求、加工難度、產(chǎn)品一致性以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量等因素，通過仿真計算來選取轉(zhuǎn)子的半徑，從而確定了開關(guān)的基本尺寸。波導(dǎo)彎的仿真模型和仿真優(yōu)化值如圖3、圖4所示。

圖3 仿真模型

圖4 波導(dǎo)彎仿真優(yōu)化

通過仿真，選取在36.5 GHz～40 GHz頻段范圍內(nèi)性能優(yōu)且尺寸敏感度不高的半徑值R。

波導(dǎo)開關(guān)的插入損耗值與波導(dǎo)通路表面材料及加工情況相關(guān)。工作于TE10模的矩形波導(dǎo)每單位長度的衰減，由下式[5]給出

(2)

式中：a為波導(dǎo)寬邊尺寸，單位為cm；b為波導(dǎo)窄邊尺寸，單位為cm；δ為波導(dǎo)內(nèi)表面的導(dǎo)電率，單位為m/Ω；f為工作頻率，fc為截止頻率，單位為Hz。

上式中只有δ的值可選，而δ值與本體的材料有關(guān)，可見影響衰減的關(guān)鍵因素是導(dǎo)行系統(tǒng)的導(dǎo)電率，銅合金與鋁合金的導(dǎo)電率值接近，但銅合金的比重比鋁合金高，選用鋁合金作為基本材料，可以有效地減小整體的質(zhì)量，符合產(chǎn)品質(zhì)量輕的要求。

此外，與通道表面材料導(dǎo)電率相比，金屬表面的光滑度對損耗的影響更大。理論上，鍍銀處理可以改善鋁合金的導(dǎo)電值，減小衰減，但要保證鍍銀過程中不影響表面的光滑度、不增加塵污及微小區(qū)域的固有多孔性，實際操作難度很大，且銀表面容易硫化。因此，導(dǎo)行系統(tǒng)零件為了保證導(dǎo)電體表面的化學(xué)穩(wěn)定性，選用鋁合金材料并進(jìn)行功率表面處理工藝。

隔離度反映了對旋轉(zhuǎn)間隙引起的微波泄漏的抑制性能，在多通道波導(dǎo)開關(guān)中，泄漏通道有沿轉(zhuǎn)子圓周方向通道和沿轉(zhuǎn)子軸向方向通道。同時，還有其他通道的耦合泄漏。其中，定轉(zhuǎn)子之間的間隙為信號泄漏的閾值，設(shè)計時需要綜合考慮導(dǎo)行轉(zhuǎn)子的最大熱膨脹、導(dǎo)行轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)偏心、以及波導(dǎo)開關(guān)選用軸承的徑向游隙等因素，最終，可以確定轉(zhuǎn)子與定子裝配后的單邊間隙。并適當(dāng)增加定子的最薄厚度來提高殼體剛度，從而減小了外力引起的定轉(zhuǎn)子的變形；加嚴(yán)對轉(zhuǎn)子和外殼的配合尺寸及同軸度的公差等級保證開關(guān)的有效轉(zhuǎn)動；將轉(zhuǎn)子與定子選用同種材料來減少溫度變形不一致對間隙的影響，這些措施均起到了控制間隙的作用。單邊間隙確定之后，為了減小串?dāng)_，增強(qiáng)隔離度，并減小定子上各波導(dǎo)口的反射，設(shè)計時在導(dǎo)行轉(zhuǎn)子上配置扼流槽。

在距波導(dǎo)口寬邊1/4個波長處(設(shè)為B點(diǎn))開平行于寬邊的槽，槽深為1/4個波長，如圖5所示。

圖5 軸向拋流槽設(shè)計示意圖

因為波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)臑門E10波型，由B點(diǎn)看去的輸入阻抗為

(Zin)B=jZc2tanβ2l2

(3)

在中心頻率處，(Zin)B的值等于無限大，實際上是一個數(shù)值很大的電抗。設(shè)第一段的長度為l1，寬度為b1，不計B點(diǎn)處的接觸電阻和由于功率漏失而形成的輻射電阻，則從A點(diǎn)看去的輸入阻抗為[6]

(4)

則在中心頻率間隙處形成了電流波節(jié)，即使在兩波導(dǎo)口處略有間隙或錯扭，其間仍會出現(xiàn)短路電抗，達(dá)到對直流開路、對射頻短路的微波耦合。

若頻率偏移中心頻率某個百分?jǐn)?shù)，原來的β1l1和β2l2也將偏離一個很小的弧度數(shù)δ1和δ2，這樣可得到

(5)

可見，在A點(diǎn)處的輸入阻抗不再是零，而是一個數(shù)值很小的電抗。這時，假設(shè)波導(dǎo)終端接有匹配負(fù)載時，反射系數(shù)即為[7]

(6)

因此，在設(shè)計中，選定頻段,計算出1/4波長，即為扼流槽的位置及深度尺寸。通過優(yōu)化，分頻段進(jìn)行補(bǔ)償。

為了進(jìn)一步提高設(shè)計余量，通過上述理論，可在傳統(tǒng)的軸向扼流槽的基礎(chǔ)上配置圓周向扼流槽，可進(jìn)一步抑制微波的泄漏。在軸向距波導(dǎo)窄邊1/4波長處設(shè)置了環(huán)形扼流槽，分別抑制導(dǎo)行腔向上下的微波泄漏；波導(dǎo)口窄邊上的槽為軸向極化扼流槽，使泄露的電磁場不能激起同軸耦合波，同樣在一定程度上對軸向的泄露進(jìn)行了抑制。

通過HFSS軟件對扼流槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖6所示。

仿真最終得駐波≤1.04，插損≤0.05 dB,隔離度≥70 dB。

比較優(yōu)化扼流槽前后的場分布，如圖7所示?？梢钥闯?，未設(shè)置扼流槽的方案，在轉(zhuǎn)子邊緣有一定的電場分布，設(shè)置扼流槽的方案中邊緣處電場分布明顯減弱，此方案對微波泄漏導(dǎo)致的隔離度降低有很好的抑制效果。

圖7 扼流槽對電磁場影響

3 產(chǎn)品實測結(jié)果

對優(yōu)化后的波導(dǎo)開關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行加工裝配，并經(jīng)過全面參數(shù)測試。測試儀器為Aglient E8363B，測試頻段范圍為36.5 GHz～40 GHz，測試結(jié)果為電壓駐波比<1.10，插入損耗<0.14 dB，隔離度>70 dB，如圖8所示。

圖8 波導(dǎo)開關(guān)實測結(jié)果

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種新型的波導(dǎo)開關(guān)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了其三個通路四個狀態(tài)的切換功能。首先，通過理論推導(dǎo)得出波導(dǎo)開關(guān)微波性能的影響因子，并結(jié)合加工難度、小型化要求、產(chǎn)品一致性等因素進(jìn)行分析；接著針對波導(dǎo)開關(guān)高頻段S參數(shù)不穩(wěn)定的問題進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，在傳統(tǒng)的軸向扼流基礎(chǔ)上，增加了圓周方向扼流及軸向極化扼流，極大的提高了波導(dǎo)開關(guān)的微波性能；然后，利用HFSS軟件對新結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計算，在36.5 GHz～40 GHz下其駐波≤1.04，插損≤0.05 dB,隔離度≥70 dB；最后，對新結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試制測試，在36.5 GHz～40 GHz頻段下滿足電壓駐波比<1.10，插入損耗<0.14dB，隔離度>70 dB。這種新型的多通路波導(dǎo)開關(guān)電壓駐波比小、插入損耗小、隔離度高，可在相關(guān)領(lǐng)域廣泛

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于 倩 女，1985年生，工程師，碩士。研究方向為微波元器件的設(shè)計研發(fā)。

萇群峰 男，1975年生，研究員，博士。研究方向為微波元器件的設(shè)計研發(fā)。

王文濤 男，1976年生，高工，碩士。研究方向為微波元器件的設(shè)計研發(fā)。

張楚賢 男，1976年生，高工，博士。研究方向為微波元器件的設(shè)計研發(fā)。

The Microwave Performance Design and Validation of Multi-channel Waveguide Switch in Ka-band

YU Qian，CHANG Qunfeng，WANG Wentao，ZHANG Chuxian

(Beijing Institute of Aerospace Micro-electromechanical Technology,Beijing 10094,China)

A multi-channel waveguide switch is designed,to meet the requirements of high frequency microwave signal switching multiple channels.A low standing wave and high isolation method of microwave parameters optimization，that on the basis of the conventional axial choke，increasing the circumferential direction and axially polarized choke is presented，greatly improved microwave properties of the waveguide switch.Waveguide switches through relevant theoretical calculations，modeling and design optimization by HFSS simulation software，as well as in-kind prototype testing.The measured results show that the multi-channel waveguide switch reaches the performance ofVSWR<1.10,LOSS<0.14 dB,ISO>70 dB in Ka-band(36.5 GHz～40 GHz)，as designed.

Ka-band; multi-channel; waveguide switch

??伺系統(tǒng)·

10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.10.015

于倩 Email：yummy15@163.com

2016-07-19

2016-09-27

TN814

A

1004-7859(2016)10-0065-04