一種P波段高功率隔離器的研制

黃 濤

(南京國睿微波器件有限公司 南京 210032)

0 引言

微波鐵氧體隔離器廣泛應用于衛(wèi)星通信、精確制導導彈、電子對抗等領域，可以大大減少應用系統(tǒng)的體積，提高導彈、衛(wèi)星的有效載荷[1-2]。隔離器技術已取得飛速發(fā)展，在可靠性前提下，寬頻帶、低插損、高隔離、高功率等特性是當前隔離器的發(fā)展方向。

如今，對微波器件性能的要求越來越高，功率需求也越來越大，器件的性能與溫度密切相關。工作時，鐵氧體隔離器需要承受高峰值功率和高平均功率，其插入損耗絕大部分來自器件中鐵氧體基片產(chǎn)生的微波損耗，這些損耗將轉化為熱量，若得不到及時有效傳遞，鐵氧體基片的溫度就會隨之升高，超過一定值時，其性能就會逐漸變差，導致器件隔離度等重要指標惡化，功能喪失。因此，有效解決器件的散熱問題對提高器件壽命至關重要[3]。

為此，本文介紹一種低頻段、大帶寬、高功率隔離器的研制過程和步驟，該隔離器在系統(tǒng)中可用于收發(fā)控制、發(fā)射機保護、收發(fā)信號隔離等。此類產(chǎn)品研究較少，具有較高的設計價值。本文通過結構、耐功率設計及材料選型等，研究將器件在高功率工作下產(chǎn)生的熱量及時有效傳遞。經(jīng)仿真計算和樣機實測，該器件性能完全滿足指標要求，從而驗證了設計過程的合理性，為以后此類高功率器件研制提供了一定借鑒和參考價值[4]。

1 原理分析

本文研制的隔離器，技術指標需求如下：

1)各端口駐波：≤1.3；

2)損耗：≤0.5 dB；

3)隔離度：≥18 dB；

4)耐峰值功率：≥100 kW，耐平均功率≥10 kW；

5)外形尺寸：橫截面≤φ330×150 mm。

為在雷達系統(tǒng)中起到隔離收發(fā)信號、保護發(fā)射機等作用，該隔離器原理框圖如圖1所示。

圖1 設計原理圖

2 結構設計

為同時滿足外形尺寸、散熱性及結構可靠性要求，在結構方案設計時考慮[5]：

1)隔離器外形尺寸盡量做到緊湊，同時為滿足電性能，上、下腔的設計間隙需要盡量大；

2)合理布局散熱齒利于散熱，盡量增大齒片傳熱面積，齒片布局與風機風向一致，保證風道暢通；

3)提高上、下腔體板內側平面度和粗糙度，利于鐵氧體與腔體板內側的貼合，并用導熱硅膠利于降低熱源與腔體板之間熱阻；

4)避免上、下腔體板內側有毛刺或雜物，同時在上、下腔體三側間隙處，安裝防塵隔網(wǎng)；

5)Y結中心導體三端安裝水平位置需盡量一致；

6)上、下腔體，磁路版和連接器等連接形式，采用螺釘連接，確保結構緊固等。

經(jīng)分析和設計，結構方案見圖2所示，其主要包括上、下腔體板(散熱板)、磁路版、中心導體、鐵氧體基片、永磁體、勻磁片等部分組成。

圖2 高功率隔離器結構示意圖

為滿足技術指標和散熱需要，進一步通過電性能仿真和耐功率設計進行驗證，確定結構方案的合理性和具體尺寸。

3 電性能仿真

結構設計方案，經(jīng)簡化后在多物理場耦合仿真軟件中建模，設置參數(shù)并進行電性能仿真及迭代優(yōu)化，使得非互易傳輸和阻抗匹配性能優(yōu)良，駐波和損耗盡可能小[6]。

電性能設計時預留余量，經(jīng)仿真和優(yōu)化后，計算結果見圖3，在要求的工作帶寬范圍內，隔離度>18 dB，損耗<0.5 dB，端口駐波<1.3，所以仿真結果是滿足技術指標需求的。為了確保樣機性能，進一步開展耐功率設計計算。

圖3 電性能計算數(shù)據(jù)結果

4 耐功率設計

4.1 器件的峰值功率耐受設計

該隔離器工作功率較高，通過分析器件峰值功率耐受設計問題，對于減小或避免隔離器在實際工作中，發(fā)生功率擊穿和打火等情況具有重要意義。

在電性能仿真數(shù)據(jù)基礎之上，進一步在多物理場耦合仿真軟件中，加載100 kW峰值功率，仿真計算得到電場的分布圖見圖4。該隔離器的最高場強數(shù)值為1.4×106V/m(位于內導體、鐵氧體基片與腔體的貼合處)，遠小于空氣擊穿場強3×106V/m，有一倍多功率余量，表明該隔離器在高功率下不會出現(xiàn)打火，該結構方案設計是合理的，可以采用。

圖4 電場計算數(shù)據(jù)結果

進一步，在實際使用過程中，于腔體中加墊硅橡膠，其擊穿場強為107V/m級別以上，可以進一步有效地增大該隔離器功率容量。

4.2 材料選用

結構方案確定后，材料的合理選用，對于隔離器電性能實現(xiàn)，和保證結構可加工性，并獲得優(yōu)良的熱、力學性、降低重量，有著至關重要的作用。

鐵氧體材料選用方面，選擇工藝較為成熟、溫度穩(wěn)定性好、損耗低的石榴石鐵氧體材料，具體參數(shù)：磁矩為800 Gs，鐵磁共振線寬為50Oe。設計時，盡量使用大尺寸的鐵氧體基片，可減小單位體積熱容量，同時，在鐵氧體材料邊緣進行倒角處理，可避免器件在實際使用中出現(xiàn)功率擊穿和打火現(xiàn)象。

上、下腔體(散熱板)材料選用方面，因需要考慮輕量化、低成本，且有利于鐵氧體產(chǎn)生的熱量在高功率工作時及時散出，保證器件性能穩(wěn)定性，且材料自身具有較好的剛度，綜合考慮選用鋁材3A21。為進一步提高散熱性能，在使用過程中，腔體與鐵氧體之間加導熱硅膠，可以有效減少熱阻，保證散熱良好。

磁路板材料選用方面，通過仿真得出隔離器需要的偏置磁場強度較大，如果選用非鐵磁性材料，器件的偏置磁場遠遠滿足不了驅動要求，出現(xiàn)的電磁泄露會影響器件性能，綜合選用磁屏蔽性能較高，材料可加工性優(yōu)良、剛度高、導熱性好，性能穩(wěn)定的ST12鋼材質。同時，在ST12鋼表面鍍鋅，耐腐蝕性能可大幅度提高。

4.3 熱設計分析

熱設計分析是對器件散熱情況進行分析和計算。熱源主要來自隔離器工作中功率損耗形成的熱量，直接作用在諧振結中并產(chǎn)生溫升，其中有鐵氧體基片、永磁體、中心導體、磁路版、上下腔體板等，如果鐵氧體基片溫升過高，會導致隔離器功率承受能力降低，嚴重影響隔離器的性能[7]。

根據(jù)傳熱原理推導的計算公式有

Q=hcAeΔT

(1)

其中，Q為對流散熱量，單位W；hc為換熱系數(shù)，單位W/m2·℃；Ae為有效換熱面積，單位m2；

ΔT為換熱表面與流體的溫差，單位℃。

強迫對流的換熱系數(shù)為

(2)

式(2)中，J=0.023/Re0.2，Re為雷諾數(shù)；CP為定壓比熱容，CP=1.005×103J/(kg·℃)；G為通道的單位面積質量流量，單位kg/(m·s)；PT為普朗特常數(shù)0.695。

而雷諾數(shù)為

(3)

式(3)中ρ為空氣密度，常壓下30℃時干燥空氣密度為1.16 kg/m3；v為流體流速，單位m/s；D為特征尺寸，單位m；u為流體動力粘度，30℃時取18.5×10-6Pa·s。

根據(jù)經(jīng)驗，初設上、下腔體有效面積為Ae=40×4×10-6=26×10-4m2，特征尺寸D=0.024 m，風道28個窗口。經(jīng)計算，得到風速需為v=23.3 m/s。

簡化隔離器模型，導入多物理場耦合仿真軟件，劃分網(wǎng)格后進行熱仿真。該隔離器平均功率為10 kW，按照10%設計損耗，得到在上、下鐵氧體基片各加載功率500 W，環(huán)境溫度為30℃，設置邊界條件、加載強制風冷(流速為23.3 m/s)和相應參數(shù)后，進行仿真并優(yōu)化后，得到溫度圖見圖5、圖6所示。

圖5 高功率隔離器溫度分布示意圖

圖6 高功率隔離器溫度等值線圖

由圖5、圖6可看出，在環(huán)境溫度30℃情況下，隔離器外表面最高溫度約為45℃；隔離器內最高溫度位于鐵氧體基片，其溫度為70.9℃，溫升約40℃，鐵氧體基片工作在80～90℃內工作均可保證性能穩(wěn)定。為了保證鐵氧體基片的工作性能，該隔離器可工作的最高環(huán)境溫度約為45℃。

從而證明，該隔離器結構、耐功率和材料選用的設計思路是可行的，合理的。最終確定選用散熱板直徑為φ300 mm，散熱齒高度為40 mm，齒厚為3 mm，齒間距為8 mm，上下腔體之間間隙，與電性能協(xié)同考慮后，確定尺寸為21 mm。

綜上所述，經(jīng)設計及仿真結果，可以進行樣機的加工試制。

5 實測結果

根據(jù)結構設計、電性能計算及耐功率分析綜合結論，投產(chǎn)試制的P波段高功率隔離器樣機，如圖7所示，器件外形尺寸為φ325×145 mm。在加工制作時，隔離器的腔體內側加工精度，及其表面平整度進行了嚴格保證，去除毛刺，利于鐵氧體在腔體面的貼合度，提高器件性能；中心導體三個端口進行安裝時，通過工裝保證水平位置一致等。

圖7 高功率隔離器實物圖

該隔離器的電性能實測數(shù)據(jù)見圖8，從圖8中可以看出，在工作頻帶范圍內，該隔離器端口駐波<1.3，損耗<0.5 dB，隔離度>18 dB。樣機的實測結果與上述的電性能仿真數(shù)據(jù)基本一致，并且完全達到技術指標要求。

圖8 測試數(shù)據(jù)

同時，該隔離器已通過功率試驗，在發(fā)射機輸出功率100 kW的情況下工作半小時，工作性能優(yōu)良穩(wěn)定，并且在峰值功率下器件工作運行安全可靠，無擊穿現(xiàn)象發(fā)生。同時已成功通過振動、高低溫等試驗。

通過實驗結論，可以得出，該隔離器的研制思路和過程，是新穎的和合理的。

6 結束語

本文詳細介紹了一種低頻段(P波段)、大帶寬(帶寬大于22%)，高功率(峰值功率大于100 kW，平均功率大于10 kW)隔離器的設計思路，具體進行結構設計、電性能仿真、耐功率設計及材料選型等研究，性能指標全部達標，并制作實物樣機通過了試驗驗證。

在后續(xù)工作中，考慮進一步開展更大帶寬和更高功率的器件研制工作，以及小型化的研究。該器件的設計成果及經(jīng)驗，為今后該類器件的設計研發(fā)提供了一定借鑒和參考價值。