基于ANSYS的大功率合路器電熱固耦合優(yōu)化

周和平

摘要：為研制功率為300 W，頻段為1.2～1.4 GHz的大功率合路器，在傳統Wilkinson合路器的基礎上，基于ANSYS多物理場仿真，利用電磁場、熱特性和結構耦合仿真，分析大功率合路器的熱量分布和結構變形情況。對合路器進行結構優(yōu)化，保證在電氣性能不惡化的情況下減少熱量和變形，提高Wilkinson合路器的耐高功率性能。

關鍵詞：Wilkinson合路器； 多物理場； 熱量分布； 結構變形； 優(yōu)化

中圖分類號：TN957.52

文獻標志碼：B

文章編號：1006-0871（2018）01-0066-04

Abstract： In order to develop a 300 W high power combiner working in 1.2～1.4 GHz band， the heat distribution and structure deformation of a high power combiner are analyzed based on ANSYS multi physics field simulation. The combiner is based on the traditional Wilkinson combiner. The electromagnetic field， the thermal characteristics， and the structure coupling simulation are used in the analysis. The combiner structure is optimized. The electrical performance is not deteriorated. The heat and deformation of the combiner can be reduced. The high power tolerance of the Wilkinson combiner is improved.

Key words： Wilkinson combiner； multi physics field； heat distribution； structure deformation； optimization

0 引 言

在現代雷達中，固態(tài)功放已經全面替代傳統的真空管發(fā)射機，并依靠其特有的高可靠性和高性能，越來越多地發(fā)揮決定性作用。單路的固態(tài)功放無法滿足雷達對功率的需求，功率合成技術是提高雷達等通信系統輸出功率的有效手段，具有較高的研究價值。近年來，功率合成技術向功率更大、頻率更高、合成支路更多、帶寬更寬的方向發(fā)展。

目前，大功率合路器主要采用同軸結構，小功率合路器采用微帶結構。同軸結構雖然功率容量大，但不能很好地集成在小體積、大功率的微波電路中；微帶電路通常較簡單，但其插入損耗大、功率容量小，不能應用于大功率的合路器。

根據實際應用要求，設計4路大功率空氣介質帶狀線Wilkinson合路器，其輸入、輸出特征阻抗為50 Ω，頻段為1.2～1.4 GHz，插入損耗小于6.3 dB，路間相位一致性為±5°。合路器的設計重點是功率容量和質量，在保證電性指標合格的前提下，額定功率應大于280 W，質量應小于0.5 kg。由于功率容量需求越大，功率就越大，熱量就越大，器件的溫度也就越高，因此器件和機構件的變形情況不能忽略。實現精確評估大功率的影響、設計優(yōu)化電路和結構件是設計大功率合路器的重點和難點。目前，電路設計可應用的多物理場仿真軟件很少，其中同時包含電磁、熱和應力模擬的更少，因此本文采用ANSYS多物理場仿真軟件進行設計。

1 合路器原理

Wilkinson合路器原理與Wilkinson功分器原理相似，對于基本的Wilkinson合路器，其輸入/輸出端口特征阻抗為Z0，

兩段輸入分支帶線的電長度均為λg/4。兩路相位相同實現功率合成的Wilkinson合路器示意見圖1，其輸線模型見圖2。由于傳統的Wilkinson微帶合路器的功率容量較小，因此本文采用空氣帶狀線Wilkinson合路器，帶狀線輸線模型見圖3。

帶狀線的特征阻抗為

式中：εr為介質的介電常數；B為介質的厚度；W為帶狀線的寬度；h為帶狀線中心導體的厚度。

2 空氣介質合路器的功率容量設計

2.1 空氣擊穿現象限制

對于小間隙的均勻場和稍不均勻場，由于間隙擊穿放電的分散性很小，直流、工頻擊穿電壓與50%沖擊擊穿電壓相同。擊穿電壓和擊穿場強的經驗公式分別為

在直流狀態(tài)下，估算1 cm距離空氣耐壓為45.6 kV，可以計算擊穿場強Eb=4.56×10-7 V/m。

2.2 熱容量限制

當信號流過金屬表面時，由于金屬不是理想導體，所以會產生熱量。在電流較大的情況下，熱量急速聚集，使中心導體和盒體溫度升高。溫度過高導致中心導體變形，致使合路器插入損耗變大，進一步增大熱量從而導致合路器失效，因此要保證合路器處于常溫環(huán)境，工作溫度需在60 ℃以下。

在不考慮整體質量的前提下，中心導體的厚度h取值越大，空氣高度H越大，功率容量越大，熱容量越小。通過傳統方式設計質量小、電性能指標合格、功率容量滿足要求的合路器比較困難。

多物理耦合特性轉換見圖4，溫度升高會導致電性能惡化和結構變形加大，結構變形會加劇電性能惡化，進一步加劇溫度的升高。為設計最優(yōu)的電路和結構，前期的軟件優(yōu)化采用ANSYS的電磁仿真軟件HFSS，熱設計仿真軟件Steady-State Thermal和固體仿真軟件Static Structural。多物理電路仿真流程見圖5。

3 仿真優(yōu)化設計

優(yōu)化的目標是合路器的最大電場強度遠小于Eb。此處取Eb/10=4.56×10-6 V/m。4路合路器的插入損耗在1.2～1.4 GHz頻率范圍內應小于0.5 dB，合路器的4路輸入之間的相位差在±2°以內，盒體及內部最高溫度應小于60 ℃。由于溫度導致的結構變形小于0.1 mm，質量小于0.5 kg，經過軟件優(yōu)化及仿真，取h=1 mm，H=3 mm。

合路器4路合成一路，接口為SMA形式。為減輕質量，合路器設計為不規(guī)則的盒體，其結構見圖6，中心導體在合路器的合路端進行匹配設計。

電性能仿真結果見圖7。平均輸入功率為320 W時4路合路器插入損耗最大（6.2 dB），頻率約為1.35 GHz，相位一致性較好。電性能越好，有用信號的轉換效率越高，轉成熱耗越小，溫度越低。

合路器的電場強度分布見圖8，最大電場強度為3.24×10-5 V/m，遠小于4.56×10-6 V/m，位置在合路器的輸出端附近。

合路器的帶狀線金屬層的表面熱流密度分布見圖9，其最大表面熱流密度為5.43×10-4 W/m-2。通過表面熱流密度對表面的積分可以得到熱量為2.82 W。

運用Steady-State Thermal模塊對盒體的內導體以及盒體的傳熱和熱輻射進行設置，得到最終穩(wěn)態(tài)的溫度分布，見圖10。

最高溫度在合路器的合路端為58.5 ℃左右，小于最高溫度限制60 ℃。溫度分布與內導體的流過功率分布一致。

溫度變化使合路器內部各部分產生變形和偏移，見圖11。最大變形量為9.12×10--2 mm，滿足電性能要求?？梢酝ㄟ^Static Structural計算不同輸入功率和溫度時的結構變形，見表1。

對仿真結果進行分析可知：合路器在正常大氣壓下能承受320 W的平均功率和占空比為10%的3 200 W峰值功率。合路器實物照片見圖12。

4 結束語

通過電-熱-固耦合一體化仿真，設計優(yōu)化超大功率合路器，比其他估算方法更精確、更可靠，可以大幅度提高大功率合路器的設計效率。

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（編輯 付宇靚）