一種U波段機電波導(dǎo)開關(guān)的設(shè)計①

王景新，牛之友，文春華

(中電科儀器儀表有限公司，青島 266000)

0 引言

目前，隨著5G通信的發(fā)展，40GHz～60GHz左右的頻段引起了各方面的關(guān)注。從理論上說，若進一步提升系統(tǒng)容量，增加帶寬勢在必行。但是，10GHz以下無線頻譜分配擁擠不堪的現(xiàn)狀已排除了這種可能，若要實現(xiàn)超高速無線數(shù)據(jù)傳輸需開辟新的頻譜資源。近年來，各國陸續(xù)開放了U波段附近的頻段用作一般用途，如美國開放了57GHz～64GHz，中國也開放了59GHz～64GHz。U波段處于大氣衰減極值附近，應(yīng)用于保密通信、衛(wèi)星間鏈路通信、干擾及抗干擾等系統(tǒng)中[1-3]，因此對U波段各種微波系統(tǒng)的研究具有重要意義。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通信業(yè)務(wù)尤其是保密通信對U波段有著越來越多的需求，U波段的應(yīng)用日趨成熟。為使微波信號在不同通道間轉(zhuǎn)換，不可避免的需要用到微波開關(guān)。根據(jù)傳輸線類型不同，機電式微波開關(guān)分為機電同軸開關(guān)和機電波導(dǎo)開關(guān)兩種。一般機電同軸開關(guān)頻帶較寬，但是電壓駐波比較高、插入損耗較大，不能滿足精密電子系統(tǒng)的需求。機電波導(dǎo)開關(guān)因其電壓駐波比低、插入損耗小、功率容量大等特點，越來越受到工程師和系統(tǒng)設(shè)計師的關(guān)注[4-6]。因此，為滿足5G通信及保密通信的需求，微波系統(tǒng)對U波段大功率容量、高性能微波開關(guān)的需要，有必要開展U波段波導(dǎo)開關(guān)的研制。

開關(guān)轉(zhuǎn)子的通道數(shù)目不同，波導(dǎo)開關(guān)實現(xiàn)的功能不一樣，波導(dǎo)開關(guān)可以分為C型開關(guān)和R型開關(guān)[7-9]。C型波導(dǎo)開關(guān)有兩條彎通道，可完成兩種工作狀態(tài)的變換，其切換形式為雙刀雙擲。在通信系統(tǒng)中，C型波導(dǎo)開關(guān)有著廣泛的應(yīng)用。

1 結(jié)構(gòu)及原理

本文設(shè)計了一種C型U波段波導(dǎo)開關(guān)。C型波導(dǎo)開關(guān)包含兩個微波通道，可以實現(xiàn)雙刀雙擲開關(guān)的功能。波導(dǎo)開關(guān)分為驅(qū)動部分、電路系統(tǒng)、傳動結(jié)構(gòu)和微波系統(tǒng)四部分，如圖1所示。其中驅(qū)動系統(tǒng)的作用是將控制信號的電能轉(zhuǎn)化為機械能，為波導(dǎo)開關(guān)狀態(tài)切換提供動力，在無外部激勵時將開關(guān)保持在原有位置狀態(tài)；電路系統(tǒng)的功能是實現(xiàn)對電機施加激勵控制，消除線圈反峰電壓并提供開關(guān)狀態(tài)信息；傳動結(jié)構(gòu)的功能是連接電機轉(zhuǎn)子和微波轉(zhuǎn)子，將電機旋轉(zhuǎn)力矩傳遞給微波轉(zhuǎn)子，從而驅(qū)動微波通道的切換；影響波導(dǎo)開關(guān)微波性能指標(biāo)的是微波系統(tǒng)，其主要完成微波信號的高質(zhì)量傳輸，是波導(dǎo)開關(guān)信號傳輸工作的最終執(zhí)行者。本文通過微波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真分析，設(shè)計出了一種高性能U波段波導(dǎo)開關(guān)。

圖1 波導(dǎo)開關(guān)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of waveguide switch

C型波導(dǎo)開關(guān)的工作原理是，通過電路系統(tǒng)施加電信號，驅(qū)動部分產(chǎn)生切換動力，通過傳動結(jié)構(gòu)，帶動微波轉(zhuǎn)子在-45°和45°兩個位置往返運動，切換兩個通道，實現(xiàn)雙刀雙擲的功能，如圖2所示。

圖2 波導(dǎo)開關(guān)工作狀態(tài)Fig.2 The operating state of waveguide switch

2 微波參數(shù)設(shè)計

波導(dǎo)開關(guān)的主要微波設(shè)計參數(shù)為電壓駐波比、插入損耗和隔離度[10]。本產(chǎn)品微波參數(shù)設(shè)計目標(biāo)如表1所示。從微波參數(shù)設(shè)計目標(biāo)中可以看到本產(chǎn)品具有寬頻帶、低駐波、小插損、高隔離的特點。

表1 微波參數(shù)設(shè)計目標(biāo)Tab.1 Design objectives of microwave parameter

2.1 電壓低駐波比設(shè)計

不考慮微波轉(zhuǎn)子和微波定子間的斷開間隙時，波導(dǎo)開關(guān)的微波通道由微波定子的直波導(dǎo)和微波轉(zhuǎn)子的90°弧形波導(dǎo)組成，電壓駐波比隨著微波轉(zhuǎn)子弧形波導(dǎo)的彎曲半徑增加而減小，并可以用等效電路理論進行計算[8]。通過HFSS軟件仿真，得到90°BJ500弧形波導(dǎo)的電壓駐波比隨彎曲半徑r的變化仿真結(jié)果如圖3所示。由圖中可知，彎曲半徑越大，直波導(dǎo)和弧形通道越可以實現(xiàn)良好匹配?？紤]到加工制造的可行性，本產(chǎn)品選擇的是r=5mm，此時最大電壓駐波比為1.05，滿足電壓駐波比≤1.1的設(shè)計要求。

圖3 波導(dǎo)開關(guān)電壓駐波比仿真曲線Fig.3 The simulation curve of voltage standing wave ratio

2.2 小插入損耗設(shè)計

波導(dǎo)開關(guān)主要用于多通道微波收發(fā)系統(tǒng)，小插入損耗指標(biāo)有利于提高接收設(shè)備動態(tài)范圍，進而提高設(shè)備的靈敏度。但是本文研制的波導(dǎo)開關(guān)是一種旋轉(zhuǎn)式機電波導(dǎo)開關(guān)，通過微波轉(zhuǎn)子在微波定子中的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)微波通道的切換，因此為了保證微波轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動靈活，微波轉(zhuǎn)子和微波定子間存在一定的間隙，下文稱之為通道間隙(設(shè)為d)。由于通道間隙的存在，導(dǎo)致微波信號泄露不可避免。通道間隙可以看做與波導(dǎo)通道并聯(lián)的諧振腔，諧振腔中的諧振頻率與傳輸信號頻率一致時，出現(xiàn)圖4所示的諧振現(xiàn)象，由仿真結(jié)果可知，諧振頻點附近，波導(dǎo)開關(guān)的微波性能急劇惡化。因此，本產(chǎn)品的設(shè)計重點為如何優(yōu)化通道間隙，阻止信號的泄露。

圖4 無扼流槽時，場分布圖Fig.4 The field distribution when there is no choke

通過HFSS仿真軟件的優(yōu)化功能，對波導(dǎo)開關(guān)的微波系統(tǒng)通道間隙進行建模仿真優(yōu)化，優(yōu)化前后的波導(dǎo)開關(guān)微波系統(tǒng)插入損耗的仿真結(jié)果如圖5所示。由圖中可以看出，優(yōu)化前(d=0.03mm)，開關(guān)插入損耗較大，并且在41.5GHz左右，插入損耗突然變大。優(yōu)化后(d=0.0147mm)，插入損耗指標(biāo)良好，小于0.04dB，并且曲線較為平滑。達到設(shè)計目標(biāo)要求，且有較大余量。考慮到加工的可行性，本產(chǎn)品選擇通道間隙為d=0.15mm，并進行仿真驗證，如圖6所示，由圖6可知，通道d=0.15mm時，最大插入損耗為0.045dB，滿足插入損耗≤0.3dB的設(shè)計要求。

圖5 優(yōu)化前后波導(dǎo)開關(guān)插入損耗仿真曲線Fig.5 The simulation curve of insertion loss before and after optimization

圖6 通道間隙d=0.15mm時插入損耗仿真曲線Fig.6The insertion loss simulation curve when the channel gap d is 0.15mm

2.3 高隔離度設(shè)計

隔離度是微波通道間信號干擾指標(biāo)。提高隔離度的傳統(tǒng)方法是在微波轉(zhuǎn)子上設(shè)置扼流槽，但是對于U波段波導(dǎo)開關(guān)，僅采用設(shè)置單向扼流槽的方法，不足以遏制信號泄露，如圖7所示，指標(biāo)不能達到要求。為提高扼流效果，本產(chǎn)品采用設(shè)置正交扼流槽的方式。在通道間隙設(shè)置正交扼流槽，實現(xiàn)微波定子和微波轉(zhuǎn)子的電氣接觸；同時在微波轉(zhuǎn)子圓柱面設(shè)置多個單向扼流槽，進一步提高隔離度。通過HFSS仿真軟件建模計算，U波段(40GHz-60GHz)波導(dǎo)開關(guān)微波系統(tǒng)隔離度仿真結(jié)果如圖7所示，設(shè)計方案為正交扼流槽時，開關(guān)全頻段隔離度大于80dB，達到設(shè)計目標(biāo)要求。

圖7 波導(dǎo)開關(guān)隔離度仿真曲線Fig.7 The simulation curve of isolation

2.4 功率容量仿真分析

波導(dǎo)開關(guān)的微波通道為空氣填充，峰值功率容量考核的是微波通道內(nèi)空氣抗電擊穿的能力。在常壓下空氣的電場擊穿場強為3×106V/m。通過HFSS仿真分析，輸入功率為170kW時，微波通道內(nèi)的電場強度分布情況如圖8所示，由圖中可以看到，此時電場強度的最高值為2.95×106V/m，小于常壓空氣擊穿場強，因此開關(guān)常壓峰值功率容量≥170kW，滿足開關(guān)安全性能要求。

圖8 輸入功率170kW，場強分布Fig.8 The field-intensity map(input power is 170kW)

空氣擊穿場強隨壓強的變化而變化，其關(guān)系如圖9所示。由圖9可以看出，擊穿場強最低點位于(40kV/m,45000m)附近，因此可以得出波導(dǎo)開關(guān)在低氣壓下的功率容量。輸入功率為3kW時，微波通道內(nèi)電場強度分布如圖10所示，由圖中可以看出，輸入功率3kW時，電場強度最高值為39.2kV/m，小于低氣壓下空氣最低擊穿場強40kV/m，表明開關(guān)低氣壓峰值功率容量≥3kW，遠高于初始設(shè)計指標(biāo)要求，滿足目前通信系統(tǒng)中使用條件。

圖9 擊穿場強隨氣壓(高度)變化圖Fig.9 The distribution of the breakdown field with pressure (and height)

圖10 輸入功率3kW，場強分布Fig.10 The field-intensity map(input power is 3kW)

3 實測結(jié)果

通過上述對波導(dǎo)開關(guān)微波系統(tǒng)的設(shè)計，尤其是對微波通道間隙的優(yōu)化，設(shè)計出微波間隙在0.02mm-0.04mm之間。制造出的實物產(chǎn)品如圖11所示，產(chǎn)品實測曲線如圖12所示。實測結(jié)果為，在40GHz-60GHz頻率范圍內(nèi)，波導(dǎo)開關(guān)電壓駐波比<1.08，插入損耗<0.3dB，隔離度>80dB，完全達到設(shè)計目標(biāo)要求。

圖11 產(chǎn)品圖片F(xiàn)ig.11 product picture

(a)電壓駐波比 (b)插入損耗(a)voltage standing wave ratio (b)insertion loss

(c)隔離度(c)isolation degree圖12 實測結(jié)果Fig.12 The result of actual measurement

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一款工作于U波段(40GHz-60GHz)的機電波導(dǎo)開關(guān)。通過對微波系統(tǒng)微波通道的間隙分析，并通過HFSS仿真軟件對產(chǎn)品進行優(yōu)化，確定了通道間隙尺寸，設(shè)置了正交扼流槽。在此基礎(chǔ)上完成了產(chǎn)品的加工制造，得到了實測結(jié)果。本次設(shè)計完成了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)要求，U波段波導(dǎo)開關(guān)電壓駐波比小于1.08，插入損耗小于0.3dB，隔離度大于80dB，實現(xiàn)了低駐波比、小插損、高隔離的技術(shù)要求。