X頻段連續(xù)波100 kW吸收式諧波濾波器研制?

劉海旭 侯滿宏 李新勝

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所,鄭州 450047)

(2018年3月30日收到；2018年6月26日收到修改稿)

1 引 言

遠(yuǎn)距離通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗等微波高功率設(shè)備對(duì)發(fā)射機(jī)的峰值功率和平均功率電平有著越來越高的要求,但高功率的發(fā)射機(jī)往往伴有相對(duì)較高功率電平的諧波能量,當(dāng)諧波能量隨發(fā)射機(jī)輻射到空間,其能量可能達(dá)到甚至超過臨近電子通信設(shè)備的工作功率,會(huì)嚴(yán)重干擾甚至燒毀電子通信設(shè)備.同時(shí),考慮到如果采用反射式濾波器來抑制諧波能量輸出,諧波能量勢(shì)必在反射式濾波器處反射,從而給發(fā)射機(jī)的放大器工作的穩(wěn)定性及可靠性帶來很多問題.另外,由于反射式諧波濾波器功率容量能力有限,考慮到以上問題,許多場(chǎng)合需要采用吸收式波導(dǎo)諧波濾波器吸收其高次諧波能量,比如深空探測(cè)、新一代氣象雷達(dá)等高功率應(yīng)用領(lǐng)域都對(duì)諧波能量提出了嚴(yán)格的要求,此時(shí)必須采用吸收式高功率諧波濾波器[1?3].

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)目前掌握的資料,歐空局(ESA)已經(jīng)完成連續(xù)波(CW)X頻段25 kW深空探測(cè)上行設(shè)備的研制工作[4,5],而作為目前深空探測(cè)最高水平的美國宇航局(NASA),在深空探測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)突破CW 100 kW上行設(shè)備有關(guān)超大功率濾波器的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[6?8].圖1是美國X頻段100 kW深空站諧波及接收帶內(nèi)高功率微波濾波網(wǎng)絡(luò)原理框圖.應(yīng)用于該系統(tǒng)的高功率濾波器組件分為四個(gè)部分,包括吸收式諧波濾波器、帶阻濾波器、反射式諧波濾波器和帶通濾波器.其中第一級(jí)濾波器為吸收式諧波濾波器,功率容量可達(dá)100 kW以上,它與多種反射式濾波器針對(duì)二、三、四次諧波總共提供60—100 dB的抑制度,針對(duì)接收帶可提供110 dB以上的抑制度.

在國內(nèi),X頻段大功率吸收式諧波濾波器已成功應(yīng)用于由我國中國電科27所自行研制的深空測(cè)控系統(tǒng)X頻段CW 10 kW速調(diào)管高功放系統(tǒng)中[9?12],且性能穩(wěn)定、可靠,并成功執(zhí)行了“嫦娥三號(hào)”等航天測(cè)控任務(wù).但有關(guān)CW百千瓦級(jí)高功率濾波器技術(shù)在國內(nèi)尚未見到任何相關(guān)報(bào)道,這一技術(shù)已成為制約我國未來超高功率微波深空探測(cè)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸,亟待解決.

圖1 NASA X頻段100 kW高功放濾波網(wǎng)絡(luò)原理框圖Fig.1.The principle diagram of NASA 100 kW HPA filter network in X-band.

3 濾波器原理分析

吸收式諧波濾波器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,理論設(shè)計(jì)難度較大,目前所見的相關(guān)參考文獻(xiàn),僅有過一些近似的分析[13?17],但是計(jì)算結(jié)果均誤差較大.針對(duì)加載副波導(dǎo)漏壁式諧波濾波器,副波導(dǎo)對(duì)諧波的吸收或抑制能力,不僅與每種副波導(dǎo)和主波導(dǎo)匹配情況、副波導(dǎo)的數(shù)量有關(guān),還和各次諧波在主波導(dǎo)內(nèi)部存在的模式有關(guān),各次諧波在主波導(dǎo)內(nèi)都以不同的高次模的形式存在,因此副波導(dǎo)的安放位置對(duì)不同諧波吸收能力會(huì)有很大影響.本文針對(duì)二、三及四次諧波,考慮結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡單化、主頻損耗最小化以及系統(tǒng)的具體指標(biāo)要求,沒有單純追求三、四次諧波高抑制度,每個(gè)面都采用了單排副波導(dǎo)結(jié)構(gòu),濾波器局部結(jié)構(gòu)示意圖見圖2.

圖2 吸收式波導(dǎo)諧波濾波器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2.The structure diagram of absorption harmonic filter.

由圖2可知,沿垂直于主波導(dǎo)傳輸方向同一截面上,分布四個(gè)副波導(dǎo),在主波導(dǎo)的兩個(gè)H面、兩個(gè)E面上分別有一個(gè)副波導(dǎo),副波導(dǎo)與主波導(dǎo)連接處開有耦合孔.主波導(dǎo)通過這些耦合孔與四列相互獨(dú)立的副波導(dǎo)相連,每個(gè)副波導(dǎo)內(nèi)都安裝了吸收負(fù)載.在基波頻段,耦合孔近似閉合,副波導(dǎo)為截止波導(dǎo)[18],副波導(dǎo)內(nèi)基本無耦合功率,主波導(dǎo)內(nèi)傳輸損耗很??；在諧波頻段,耦合孔耦合部分主波導(dǎo)功率進(jìn)入副波導(dǎo),并在其中傳播到負(fù)載后被吸收.合理設(shè)計(jì)耦合孔的尺寸和數(shù)量可得到一定的諧波衰減,從而實(shí)現(xiàn)了在不影響通帶功率大小及容量的情況下,達(dá)到諧波抑制的目的.

目前雖然可以借助多種高頻場(chǎng)仿真軟件分析,但直接使用軟件對(duì)濾波器進(jìn)行整體的仿真,不僅耗時(shí),而且計(jì)算精度也不高.比較簡便的方法是用對(duì)稱性原理簡化成周期性加載的T分支[19,20],根據(jù)傳輸線原理,再用等效電路法求出ET分支的等效電路,結(jié)合HFSS軟件計(jì)算得到的散射參數(shù),提取濾波器中的單個(gè)耦合孔阻抗值,進(jìn)而利用單個(gè)耦合孔有源阻抗和濾波器特性的關(guān)系式求出濾波器的衰減和反射損耗特性.這種方法將簡化濾波器的仿真計(jì)算,提高工程設(shè)計(jì)的精度,同時(shí),可大大縮短設(shè)計(jì)的周期.該吸收式波導(dǎo)諧波濾波器電路模型等效電路圖如圖3所示.

圖3 吸收式諧波濾波器的等效電路圖Fig.3.The equivalent circuit diagram of absorption harmonic filter.

每個(gè)耦合孔等效為一個(gè)串聯(lián)的阻抗z,耦合孔中心的間距為L,吸收式波導(dǎo)傳輸常數(shù)為β.

對(duì)于每個(gè)耦合孔單元,歸一化矩陣Ai為

其中,

根據(jù)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的傳遞乘積原理,可得濾波器等效電路模型總的歸一化A矩陣為

進(jìn)一步推導(dǎo)可得到濾波器插入損耗(IL)和反射損耗(RL)特性的計(jì)算公式反射:

通過HFSS軟件計(jì)算單個(gè)耦合孔仿真模型得到的S參數(shù)代入(2)式,就可以得到單個(gè)耦合孔的等效阻抗Z.由(4)和(5)式可以看出,只要求得單個(gè)耦合孔的等效阻抗Z,就可以求出濾波器整體衰減特性.

4 濾波器結(jié)構(gòu)建模及電磁場(chǎng)仿真

4.1 濾波器結(jié)構(gòu)建模

針對(duì)每次諧波,結(jié)合以上原理分析,通過HFSS進(jìn)行仿真,可以確定如圖2所示的相應(yīng)副波導(dǎo)及對(duì)應(yīng)吸收負(fù)載的初始尺寸,然后根據(jù)上述理論分析,通過濾波器具體指標(biāo)在確定各次諧波副波導(dǎo)的初始數(shù)目,對(duì)濾波器整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真.吸收式多次諧波濾波器整體結(jié)構(gòu)示意圖見圖4,其中二次諧波副波導(dǎo)數(shù)目為4a個(gè),三次諧波副波導(dǎo)數(shù)目為4b個(gè),N次諧波副波導(dǎo)數(shù)目為4n個(gè).該吸收式諧波濾波器可同時(shí)實(shí)現(xiàn)二到N次諧波的濾波功能.另外,為實(shí)現(xiàn)高次諧波寬帶抑制要求,針對(duì)抑制每次諧波的副波導(dǎo)不一定采用同一結(jié)構(gòu),可采用漸變結(jié)構(gòu)形式.

圖4 多次諧波濾波器整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4.The structure diagram of absorption multiple harmonics filter.

本文所研制的吸收式濾波器需要實(shí)現(xiàn)二、三及四次諧波抑制要求,即N=4,為實(shí)現(xiàn)諧波應(yīng)用指標(biāo)要求,耦合孔及等高副波導(dǎo)尺寸采用漸變結(jié)構(gòu),共采用6種副波導(dǎo)結(jié)構(gòu),每兩種副波導(dǎo)對(duì)應(yīng)同一次諧波,針對(duì)每次諧波指標(biāo)要求,取初始值值a=b=n=24,二、三及四次諧波副波導(dǎo)數(shù)目都為4×24個(gè),副波導(dǎo)總數(shù)共288個(gè),每種副波導(dǎo)對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的耦合孔及吸收負(fù)載.根據(jù)以上分析,建立濾波器初始仿真模型,如圖5所示.

圖5 濾波器仿真模型Fig.5.The simulation mode of the filter.

4.2 電磁場(chǎng)仿真

由于諧波濾波器的整體結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜,很難用HFSS驗(yàn)證整個(gè)濾波器的特性.根據(jù)對(duì)稱性原理及HFSS有限元分析特點(diǎn),在橫截面內(nèi)分成四部分,用HFSS分析其第一象限的二、三及四次諧波衰減.主波導(dǎo)采用標(biāo)準(zhǔn)BI70矩形波導(dǎo),在主波導(dǎo)每個(gè)波導(dǎo)面中間位置加載一排副波導(dǎo),由于副波導(dǎo)高度不影響諧波抑制度,又考慮結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)難易程度,因此,針對(duì)各次諧波,采用等高副波導(dǎo).經(jīng)過多次對(duì)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)及仿真,得到濾波器總長度為750 mm,每兩組副波導(dǎo)對(duì)應(yīng)同次諧波,各次諧波濾波器副波導(dǎo)、耦合孔及間隔主要尺寸列于表1.

通過仿真,二次諧波衰減達(dá)70 dB以上.三次諧波衰減達(dá)50 dB以上,四次諧波衰減達(dá)35 dB以上.仿真結(jié)果見圖6所示,設(shè)計(jì)完全達(dá)到預(yù)期.

表1 針對(duì)各次諧波濾波器副波導(dǎo)主要尺寸(單位mm)Table 1.The deputy waveguide main dimensions to different harmonic(units:mm).

圖6 濾波器S參數(shù)仿真結(jié)果 (a)通帶損耗；(b)二次諧波抑制度；(c)三次諧波抑制度；(d)四次諧波抑制度Fig.6.The S parameters simulation results of filter:(a)The loss of pass-band；(b)the suppression of second harmonic；(c)the suppression of third harmonic；(d)the suppression of fourth harmonic.

圖7 100 kW電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖Fig.7.The distribution diagram of E under 100 kW.

在濾波器輸入CW 100 kW功率時(shí),由圖7電磁場(chǎng)分布仿真結(jié)果可以看出,濾波器的最大電場(chǎng)強(qiáng)度明顯小于常壓條件下空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)2.96×106V/M,功率容量仿真結(jié)果滿足指標(biāo)設(shè)計(jì)要求.

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工焊接

考慮到副波導(dǎo)數(shù)目較多且深度較深,又考慮到目前的機(jī)械加工水平,為保證整體加工精度及安裝方便,濾波器分成蓋板1、蓋板2、副波導(dǎo)腔1、副波導(dǎo)腔2、主波導(dǎo)腔1、主波導(dǎo)腔2及負(fù)載七部分進(jìn)行加工,其中負(fù)載部分包括6種共288個(gè)結(jié)構(gòu)單元,分別裝在兩個(gè)蓋板上,如圖11所示.考慮材料強(qiáng)度及濾波器的較小損耗和導(dǎo)熱特性,濾波器主體結(jié)構(gòu)加工材料選擇紫銅,表面鍍金處理.考慮到濾波器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及加工難度較大,特別是副波導(dǎo)深度較大,在加工時(shí)將濾波器分成多個(gè)部件進(jìn)行加工.通過仿真發(fā)現(xiàn),溫度變化帶來的微小形變,對(duì)功率容量影響很大.為保證功率容量,部件之間不能用螺釘緊固安裝,需要進(jìn)行真空釬焊.由于功率容量較高,對(duì)加工精度要求也較高,各部件加工精度要求控制在±0.02 mm,保證安裝過程中濾波器內(nèi)部腔體無污染.加工、焊接組裝后實(shí)物照片見圖8所示,濾波器工藝流程框圖見圖9所示.

圖8 濾波器實(shí)物照片F(xiàn)ig.8.The picture of the filter.

圖9 工藝流程框圖Fig.9.The process flow diagram of the filter.

6 測(cè) 試

6.1 小信號(hào)測(cè)試

小信號(hào)條件下,主要對(duì)濾波器通帶損耗及各次諧波進(jìn)行測(cè)試.針對(duì)通帶損耗測(cè)試,只需要外加波導(dǎo)同軸裝換,在通帶條件下校準(zhǔn)儀器,直接進(jìn)行測(cè)試.針對(duì)諧波測(cè)試,則需要根據(jù)每次諧波頻率,外加相應(yīng)過度波導(dǎo)及波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換,然后在相應(yīng)頻率下校準(zhǔn)儀器,分別進(jìn)行測(cè)試.圖10為濾波器樣件通帶損耗及各次諧波的測(cè)試結(jié)果.從測(cè)試結(jié)果可以看出,濾波器通帶最大插入損耗小于0.3 dB,二次、三次及四次諧波抑制度分別大于75,50,35 dB.與仿真結(jié)果比較基本一致,完全達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo).

圖10 濾波器S參數(shù)測(cè)試結(jié)果 (a)通帶損耗；(b)二次諧波抑制度；(c)三次諧波抑制度；(d)四次諧波抑制度Fig.10.The S parameters test results of filter:(a)The loss of pass-band；(b)the suppression of second harmonic；(c)the suppression of third harmonic；(d)the suppression of fourth harmonic.

6.2 耐功率實(shí)驗(yàn)

在外加水冷條件下,對(duì)濾波器進(jìn)行CW高功率耐功率實(shí)驗(yàn).在濾波器周圍加裝散熱冷板,液冷系統(tǒng)出水溫度設(shè)置為18?C,在濾波器輸入端口附近放置溫度傳感器,通過光纖連接到電腦,用來檢測(cè)濾波器溫度變化情況.在功率輸出達(dá)100 kW以上,觀察濾波器的溫度變化.圖11為連續(xù)工作12 h溫度變化曲線.持續(xù)加功率20 min左右,濾波器溫度曲線基本保持穩(wěn)定,在之后的12 h高功率條件下連續(xù)工作,溫度曲線穩(wěn)定在30?C左右,無跳變,表明濾波器在100 kW CW狀態(tài)下,工作性能穩(wěn)定.

圖11 12 h溫度變化曲線Fig.11.The temperature variation curve within 12 h.

7 結(jié) 論

超大功率吸收式諧波濾波器是高功率深空探測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,理論設(shè)計(jì)難度較大.本文根據(jù)等效電路法,簡單分析了諧波濾波器的損耗特性,并結(jié)合電磁場(chǎng)仿真軟件,對(duì)濾波器整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真,成功設(shè)計(jì)出了一種X頻段CW 100 kW吸收式超大功率諧波濾波器.對(duì)濾波器進(jìn)行了樣件加工,經(jīng)過小信號(hào)測(cè)試和高功率實(shí)驗(yàn),各項(xiàng)指標(biāo)性能良好.美國NASA速調(diào)管高功放在100 kW時(shí),多級(jí)濾波器串聯(lián)對(duì)二、三及四次諧波的抑制度為60—100 dB,而文中單個(gè)吸收式濾波器二、三及四指標(biāo)分別大于75,50,35 dB.因此,設(shè)計(jì)水平達(dá)到甚至超過了目前國際(美國)最高設(shè)計(jì)水平,為我國更遙遠(yuǎn)的外太空探測(cè)技術(shù)發(fā)展解決了一項(xiàng)技術(shù)瓶頸,同時(shí),該濾波器的成功研發(fā)也為我國其他頻段吸收式高功率濾波器的應(yīng)用研發(fā)提供了設(shè)計(jì)參考.