低頻段高功率電調(diào)諧振器技術分析

李春紅，賈建蕊，盧紅麗

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

流星突發(fā)通信是一種以流星余跡為媒體的通信體制，工作于甚高頻(VHF)頻段，最佳的工作頻率為30～50 MHz，傳播距離遠，具有受干擾較小、截獲概率低等優(yōu)勢，在國家災害應急通信和軍事通信領域都有很好的應用價值[1-2]。同時，隨著無線通信的快速發(fā)展和通信對抗技術的不斷進步，通信設備常使用電調(diào)濾波器作為軍事通信最重要的抗干擾措施之一[3-5]。

但是，由于低頻段無線通信技術的特點，系統(tǒng)內(nèi)收發(fā)信通道所使用的腔體濾波器在滿足低損耗和高通過功率的要求時，通常體積龐大，其中，寬調(diào)諧、大功率的可調(diào)濾波器更是難以實現(xiàn)輕量化和小型化的結構，因此設計高性能、可集成化靈活安裝的濾波器是目前亟待解決的問題。

本文利用三維仿真軟件，對低頻段、高功率且連續(xù)可調(diào)的諧振器設計中遇到的問題進行了分析，提出了一種同軸混合式的諧振器形式，在調(diào)諧范圍、功率容量、結構小型化設計方面進行了詳細的闡述，對射頻濾波器的設計具有一定的參考價值。

1 諧振器方案選擇

1.1 λ/4同軸諧振腔

傳統(tǒng)同軸腔諧振方式是λ/4同軸腔體結構，以此設計的機械調(diào)諧腔體電調(diào)濾波器[6]，在內(nèi)導體短路端穿入調(diào)諧桿，等效為調(diào)節(jié)內(nèi)導體在腔體內(nèi)部的長度，實現(xiàn)頻率連續(xù)可調(diào)，其Q值最佳,承受功率最高，但是在VHF頻段的最低頻率，采用這種設計方式，體積極大。

1.2 λ/4加載型同軸諧振腔

λ/4電容加載同軸諧振腔是在內(nèi)導體開路端加入調(diào)諧桿，通過調(diào)整調(diào)諧桿伸入內(nèi)導體內(nèi)部的長度來實現(xiàn)頻率連續(xù)可調(diào)[7]。這種諧振方式，內(nèi)導體的長度比λ/4小些，但是體積仍然比較大。

當采用SIR雙同軸諧振器結構[8-9]，內(nèi)導體由2段不同特性阻抗的傳輸線組合而成，可以將內(nèi)導體長度縮短，適合低頻段濾波器的小型化設計。

1.3 螺旋線諧振腔

在VHF頻段，常采用螺旋線形式作為腔體濾波器的諧振器，Q值相對較低，優(yōu)點是體積很小。在螺旋諧振腔中接入PIN管，通過調(diào)整變?nèi)莨艿碾娙輥碚{(diào)諧濾波器頻率，調(diào)頻速度快，受變?nèi)莨艿墓β氏拗疲m合于小功率的電調(diào)濾波器[10-11]。

在螺旋諧振腔中內(nèi)導體開路端加入調(diào)諧桿，通過改變調(diào)諧桿伸入腔體的長度，也改變諧振頻率，但螺旋線圈有尖端放電效應，通過功率受到限制。

1.4 混合式諧振腔

結合螺旋線和電容加載型2種諧振器的優(yōu)缺點，提出一種新的內(nèi)導體結構形式[12]，即內(nèi)導體采用了螺旋線和傳統(tǒng)內(nèi)導體相結合的變形結構，在空心內(nèi)導體的外壁上鏤空螺旋線軌跡開槽，利用螺旋線可以大幅減小內(nèi)導體長度的優(yōu)勢，對內(nèi)導體局部縮短，避免了在低頻段傳統(tǒng)形式的均勻阻抗內(nèi)導體長度超長的劣勢，能夠滿足腔體小型化的要求。

2 諧振器小型化分析

在ANSYS HFSS三維電磁場仿真軟件中，分別建立僅外導體高度不同的螺旋線諧振器、SIR同軸諧振器、新型混合式諧振器單腔模型[13]，設置本征模式，調(diào)整調(diào)諧桿的長度L，計算出諧振腔的諧振頻率F0，F(xiàn)0與L的對應關系曲線如圖1所示，其調(diào)諧頻率及行程的數(shù)值如表1所示。

(a) 螺旋線諧振器

(b) SIR同軸諧振器

(c) 混合式諧振器圖1 諧振器諧振頻率與調(diào)諧桿長度對應關系Fig.1 The relationship between the resonant frequency of resonator and the rod length

圖1(a)為螺旋線諧振器，當調(diào)諧深度超過螺旋線圈內(nèi)部一半以后，諧振頻率升高，限制了調(diào)諧范圍。圖1(b)為λ/4同軸SIR諧振器，隨著調(diào)諧長度增加，諧振頻率降低。

圖1(c)為新型混合式諧振器，當調(diào)諧桿伸入到內(nèi)導體設置的螺旋線一半的位置后，諧振頻率開始由低轉(zhuǎn)高。因此，為了擴展可調(diào)頻率范圍，盡量把螺旋線鏤空部分放置在內(nèi)導體的底部。通過優(yōu)化調(diào)諧桿和內(nèi)導體內(nèi)壁的間距，在同時滿足頻率寬調(diào)諧和高功率的情況下，內(nèi)導體盡量小型化。

表1 諧振器頻率調(diào)諧范圍與行程對比表

通過對3種諧振器形式的分析，螺旋線諧振器頻率調(diào)諧范圍最窄、體積最小；SIR內(nèi)導體諧振器頻率調(diào)諧范圍最寬、Q值最高、體積最大；新型混合式內(nèi)導體諧振器頻率調(diào)諧范圍及體積都居中。

3 諧振器功率容量分析

功率容量設計時考慮的有平均功率容量和峰值功率容量兩方面。其中峰值功率容量是考量濾波器功率承受能力，決定腔體是否被擊穿。濾波器輸入功率越高，腔體內(nèi)部場強越大，當內(nèi)部電場強度超過空氣擊穿場強時，引起氣體電離導通，形成短路。設計時需在濾波器的諧振形式與腔體的抗擊穿能力之間權衡，優(yōu)化結構參數(shù)。

諧振器是濾波器的基本組成單元，其儲能大小決定著濾波器的功率容量，而腔體中的儲能又決定于該腔內(nèi)的最大場強。因此，通過分析單個諧振腔中的儲能與最大場強，選擇合適的諧振器結構。

3.1 諧振腔內(nèi)最大場強分析

諧振腔的固有品質(zhì)因數(shù)(Q0)主要由諧振腔的總儲能(W)、一個周期內(nèi)的能量損耗(Ws)以及一個周期內(nèi)的平均功率損耗(Ps)決定，即[14]：

(1)

此時W是電場儲能(We)與磁場儲能(Wm)的總和。當腔內(nèi)電場最大時，磁場為零，儲能的表達式為：

(2)

腔體儲能與最大場強的關系如下：

(3)

(4)

式中，ξ為Emax和W之間的比例因子。

腔體濾波器中,各諧振腔內(nèi)的電磁場分布與腔體的結構有關。根據(jù)式(3)，當腔體結構參數(shù)固定后，電場最大值的平方與儲能之間具有一定線性關系。

在HFSS三維電磁場軟件中建立單諧振腔模型，選擇本征模式，分析單個諧振腔最大電場強度，找到最大電場的位置，腔體內(nèi)電場強度的分布圖如圖2所示。觀測在一定諧振頻率下，激勵能量為1 J儲能時的最大場強，根據(jù)式(4)得到，此時最大場強值即為ξ值，如表2所示。根據(jù)圖和表可知，ξ螺旋線>ξ混合式>ξSIR同軸。

(a) 螺旋線諧振器

(b) SIR同軸諧振器

(c) 混合式諧振器

表2 諧振器最大電場值對比表

3.2 諧振腔功率與最大場強關系

諧振腔輸入功率與最大儲能之間的關系為：

W=ηPin。

(5)

根據(jù)式(3)和式(5)，令Emax=Ep，則此時的輸入功率就是濾波器的最大功率容量，即：

(6)

式中，η為濾波器等效電路模型中，輸入功率1 W時最大單腔儲能，與濾波器腔數(shù)、拓撲結構等有關。Ep為空氣的擊穿場強，主要與大氣壓強、溫度和頻率等密切相關，在標準大氣壓情況下，空氣擊穿電場強度Ep=2.28×106V/m[15]。

僅對單腔諧振器進行功率分析，根據(jù)式(6)可知，ξ值與Pin成反比，ξ值越大，其最大功率容量越小。通過表2及式(6)可知，3種諧振器中功率容量P螺旋線

因此，結合表1與表2，從高功率、小型化和寬調(diào)諧幾個方面進行對比分析，表明選用圖2(c)新型混合式諧振器形式，可以更好地同時滿足三方面的要求?？紤]到實際使用環(huán)境和駐波比、腔體結構件加工不理想的狀態(tài)，實際仿真腔體可承受的功率需預留余量[16]。

4 電調(diào)諧振器實現(xiàn)

4.1 諧振器散熱設計

在高功率連續(xù)波條件下，需要耗散大量的熱能，傳輸線所能傳輸?shù)淖畲笃骄β?，是由其導體壁所允許的溫升來決定的，所允許的溫升越大，傳輸線的平均功率容量越大[17]。如果散熱不足，會直接導致濾波器溫度升高時，腔體內(nèi)空氣擊穿電壓值Ep降低而導致空氣擊穿。

因此，為了保證諧振器的功率容量，需盡可能大地選擇腔體的結構尺寸，減小諧振器的損耗，并在結構方面考慮散熱問題?？赏ㄟ^在諧振器底部溫升最高的地方，加裝散熱裝置，如埋入熱管將熱源的能量快速導出，提高腔體散熱性能，以盡快達到熱平衡狀態(tài)，降低腔體局部過熱帶來的功率風險，使濾波器能夠穩(wěn)定工作[18]。

4.2 諧振器防振動設計

諧振器中內(nèi)導體因為底部有鏤空的螺旋線結構，強度降低，設計時在內(nèi)導體周邊卡入聚四氟乙烯的支撐板，滿足抗振動要求。

4.3 電調(diào)諧振器結構

采用新型混合式內(nèi)導體的諧振器，接入傳動機構和直線電機，實現(xiàn)電調(diào)諧振器[19]，結構示意圖如圖3(a)所示，實物圖如圖3(b)所示。

(a) 結構示意

(b) 實物

其中，將諧振器中的鏤空螺旋軌跡開槽設置在內(nèi)導體的中下部分，靠近內(nèi)導體短路端，使諧振器調(diào)整頻率時調(diào)諧桿基本都在均勻阻抗內(nèi)導體的內(nèi)孔部分做往復的直線運動。結構吸收了螺旋線內(nèi)導體諧振器體積小的優(yōu)點，又充分發(fā)揮了傳統(tǒng)設計中可連續(xù)改變頻率、調(diào)諧范圍大、承受功率高的優(yōu)勢，使電控改頻的電調(diào)諧振器能夠有超寬的頻率調(diào)諧范圍，可通過功率幾千瓦。

4.4 電調(diào)諧振器應用

單腔的電調(diào)諧振器可以應用于陷波濾波器。陷波濾波器采用一段同軸線加一個諧振腔的形式來等效串聯(lián)的諧振腔[20]，電原理圖如圖4所示。通過調(diào)整傳輸線θ1～θ4以及θ12～θ34的長度(由于濾波器的對稱性，其中θ1=θ4，θ2=θ3，θ12=θ34)組成四腔陷波濾波器。

圖4 陷波濾波器電原理Fig.4 Schematic diagram of notch filter

陷波濾波器中不同長度電纜匹配單腔諧振器，工作頻率通過諧振腔體反射在相應的頻率上形成陷波，阻止強干擾信號通過。多個單腔電調(diào)諧振器經(jīng)大功率電纜連接成陷波濾波器，在相應工作頻率范圍內(nèi)，輸入2 000 W連續(xù)波功率的射頻信號，陷波濾波器可持續(xù)正常工作。

5 結束語

通過重點分析低頻段腔體濾波器的單腔諧振器，將傳統(tǒng)的均勻阻抗諧振器、階躍阻抗諧振器、螺旋線諧振器進行分析和比較，提出將螺旋線結構和均勻阻抗內(nèi)導體相結合的新型結構，極大地縮小了高功率腔體濾波器的體積。產(chǎn)品結合數(shù)控制造加工手段，批量生產(chǎn)性能有非常高的一致性，很好地解決了在超低頻段下，濾波器在調(diào)諧范圍、體積以及功率容量之間的設計矛盾，也能提高調(diào)試效率和產(chǎn)品可靠性，設計方法還可應用于固定頻率的濾波器以及頻率連續(xù)可調(diào)的電調(diào)帶通濾波器。