Ka多通道波导开关的微波性能设计及验证

于 倩，苌群峰，王文涛，张楚贤

(北京航天微机电技术研究所，北京 10094)



Ka多通道波导开关的微波性能设计及验证

于 倩，苌群峰，王文涛，张楚贤

(北京航天微机电技术研究所，北京 10094)

设计了一种Ka波段多通道波导开关，用于满足高频段多通道的微波信号切换要求。文中提出了一种低驻波、高隔离度的微波参数优化方法，即在传统的轴向扼流基础上，增加了圆周方向扼流及轴向极化扼流，极大地提高了波导开关的微波性能。波导开关经过了相关理论计算，通过HFSS仿真软件进行建模和优化设计，以及实物试制测试。实测表明：这种多通道波导开关在Ka频段(36.5 GHz～40 GHz)下电压驻波比<1.10，插入损耗<0.14 dB，隔离度>70 dB，与设计相符。

Ka波段；多通道；波导开关

0 引 言

微波开关就是通过某种方式切换高频信号，特别是微波信号，并实现其几乎无失真传输的机电元件，它是实现高频微波功率切换技术的载体。其中，波导开关是一种采用机械隔离并通过转子相对定子转动实现高频信道切换的微波开关[1]。该类开关具有工作频率高、损耗小、功率容量大等特点，因此，可广泛应用于通信、导航、遥测遥控等相关领域，已成为当今世界高频电子设备中重要的元器件之一[2]。

随着各种武器装备通信与控制信号频率的不断提升，功率容量不断增大，对波导开关微波性能的要求越来越高。本文介绍了一种提高Ka波段多通道波导开关微波性能的设计方法，实现在36.5 GHz～40 GHz频段下电压驻波比<1.10，插入损耗<0.14 dB，隔离度>70 dB。

1 整体结构

波导开关的工作原理分析。波导开关总体结构以功能划分可分为导行系统和电磁驱动系统。其中，导行系统包括导行定子和导行转子两大主要结构。转子上加工有波导腔，在驱动系统的带动下转动，同时利用锁止机构进行精确定位并静态自锁。驱动系统包括电磁执行机构和传动机构，利用有限转角电机实现定转动运动，通过传动结构驱动导行转子转动，并利用电机永磁力配合限位结构对转子转角进行位置锁定，以实现开关静态锁止功能[3]。波导开关整体结构如图1所示。

图1 波导开关整体示意图

R型波导开关可实现三个通道四个状态的切换。导行定子上设计有四个波导口，导行转子上设计有两个弧形微波通道和一个直通微波通道。导行转子在电磁系统的作用下，与导行定子配合可以形成四个稳态位置。这样，通过导行转子的旋转运动实现四种状态微波信号通道的导通和阻断。工作原理如图2所示。

图2 R型开关工作原理示意图

为了保证开关转动的可靠性，定转子之间需要保留一定的转动间隙，然而，间隙的引入不可避免地导致微波通路的不连续，从而引起信号的反射及泄漏，导致性能的恶化。尤其本文选取的为BJ320接口的波导开关，工作频段高达40 GHz，性能的优化补偿更加困难。下面将从开关的结构设计、仿真、测试三个方面介绍。

2 结构设计和仿真分析

波导开关的电压驻波比设计主要是由选择波导弯的半径及其角度来确定的。E面矩形波导弯电压反射系数的模[4]为

(1)

式中：b为波导高度;R为波导弯的平均半径;λg为波导波长；θ=2πl/λg，l为RФ，Ф为波导弯的角度；m为奇数。

由式(11)可知，随着波导弯平均半径的增大，反射系数|r|的变化幅度越来越小，对应的电压驻波比的变化也会越来越平稳。说明随着转子半径的增大，电压驻波比趋于稳定。同时，考虑转子小型化要求、加工难度、产品一致性以及转子转动惯量等因素，通过仿真计算来选取转子的半径，从而确定了开关的基本尺寸。波导弯的仿真模型和仿真优化值如图3、图4所示。

图3 仿真模型

图4 波导弯仿真优化

通过仿真，选取在36.5 GHz～40 GHz频段范围内性能优且尺寸敏感度不高的半径值R。

波导开关的插入损耗值与波导通路表面材料及加工情况相关。工作于TE10模的矩形波导每单位长度的衰减，由下式[5]给出

(2)

式中：a为波导宽边尺寸，单位为cm；b为波导窄边尺寸，单位为cm；δ为波导内表面的导电率，单位为m/Ω；f为工作频率，fc为截止频率，单位为Hz。

上式中只有δ的值可选，而δ值与本体的材料有关，可见影响衰减的关键因素是导行系统的导电率，铜合金与铝合金的导电率值接近，但铜合金的比重比铝合金高，选用铝合金作为基本材料，可以有效地减小整体的质量，符合产品质量轻的要求。

此外，与通道表面材料导电率相比，金属表面的光滑度对损耗的影响更大。理论上，镀银处理可以改善铝合金的导电值，减小衰减，但要保证镀银过程中不影响表面的光滑度、不增加尘污及微小区域的固有多孔性，实际操作难度很大，且银表面容易硫化。因此，导行系统零件为了保证导电体表面的化学稳定性，选用铝合金材料并进行功率表面处理工艺。

隔离度反映了对旋转间隙引起的微波泄漏的抑制性能，在多通道波导开关中，泄漏通道有沿转子圆周方向通道和沿转子轴向方向通道。同时，还有其他通道的耦合泄漏。其中，定转子之间的间隙为信号泄漏的阈值，设计时需要综合考虑导行转子的最大热膨胀、导行转子的旋转偏心、以及波导开关选用轴承的径向游隙等因素，最终，可以确定转子与定子装配后的单边间隙。并适当增加定子的最薄厚度来提高壳体刚度，从而减小了外力引起的定转子的变形；加严对转子和外壳的配合尺寸及同轴度的公差等级保证开关的有效转动；将转子与定子选用同种材料来减少温度变形不一致对间隙的影响，这些措施均起到了控制间隙的作用。单边间隙确定之后，为了减小串扰，增强隔离度，并减小定子上各波导口的反射，设计时在导行转子上配置扼流槽。

在距波导口宽边1/4个波长处(设为B点)开平行于宽边的槽，槽深为1/4个波长，如图5所示。

图5 轴向抛流槽设计示意图

因为波导内传输的为TE10波型，由B点看去的输入阻抗为

(Zin)B=jZc2tanβ2l2

(3)

在中心频率处，(Zin)B的值等于无限大，实际上是一个数值很大的电抗。设第一段的长度为l1，宽度为b1，不计B点处的接触电阻和由于功率漏失而形成的辐射电阻，则从A点看去的输入阻抗为[6]

(4)

则在中心频率间隙处形成了电流波节，即使在两波导口处略有间隙或错扭，其间仍会出现短路电抗，达到对直流开路、对射频短路的微波耦合。

若频率偏移中心频率某个百分数，原来的β1l1和β2l2也将偏离一个很小的弧度数δ1和δ2，这样可得到

(5)

可见，在A点处的输入阻抗不再是零，而是一个数值很小的电抗。这时，假设波导终端接有匹配负载时，反射系数即为[7]

(6)

因此，在设计中，选定频段,计算出1/4波长，即为扼流槽的位置及深度尺寸。通过优化，分频段进行补偿。

为了进一步提高设计余量，通过上述理论，可在传统的轴向扼流槽的基础上配置圆周向扼流槽，可进一步抑制微波的泄漏。在轴向距波导窄边1/4波长处设置了环形扼流槽，分别抑制导行腔向上下的微波泄漏；波导口窄边上的槽为轴向极化扼流槽，使泄露的电磁场不能激起同轴耦合波，同样在一定程度上对轴向的泄露进行了抑制。

通过HFSS软件对扼流槽结构进行仿真分析，结果如图6所示。

仿真最终得驻波≤1.04，插损≤0.05 dB,隔离度≥70 dB。

比较优化扼流槽前后的场分布，如图7所示。可以看出，未设置扼流槽的方案，在转子边缘有一定的电场分布，设置扼流槽的方案中边缘处电场分布明显减弱，此方案对微波泄漏导致的隔离度降低有很好的抑制效果。

图7 扼流槽对电磁场影响

3 产品实测结果

对优化后的波导开关产品进行加工装配，并经过全面参数测试。测试仪器为Aglient E8363B，测试频段范围为36.5 GHz～40 GHz，测试结果为电压驻波比<1.10，插入损耗<0.14 dB，隔离度>70 dB，如图8所示。

图8 波导开关实测结果

4 结束语

本文设计了一种新型的波导开关结构，实现了其三个通路四个状态的切换功能。首先，通过理论推导得出波导开关微波性能的影响因子，并结合加工难度、小型化要求、产品一致性等因素进行分析；接着针对波导开关高频段S参数不稳定的问题进行了优化设计，在传统的轴向扼流基础上，增加了圆周方向扼流及轴向极化扼流，极大的提高了波导开关的微波性能；然后，利用HFSS软件对新结构进行仿真计算，在36.5 GHz～40 GHz下其驻波≤1.04，插损≤0.05 dB,隔离度≥70 dB；最后，对新结构进行了试制测试，在36.5 GHz～40 GHz频段下满足电压驻波比<1.10，插入损耗<0.14dB，隔离度>70 dB。这种新型的多通路波导开关电压驻波比小、插入损耗小、隔离度高，可在相关领域广泛

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YAN Runqing,LI Yinghui.Basis of microwave technology[M].3rd ed.Beijing:Beijing Institute of Technology Press,2008.

于 倩 女，1985年生，工程师，硕士。研究方向为微波元器件的设计研发。

苌群峰 男，1975年生，研究员，博士。研究方向为微波元器件的设计研发。

王文涛 男，1976年生，高工，硕士。研究方向为微波元器件的设计研发。

张楚贤 男，1976年生，高工，博士。研究方向为微波元器件的设计研发。

The Microwave Performance Design and Validation of Multi-channel Waveguide Switch in Ka-band

YU Qian，CHANG Qunfeng，WANG Wentao，ZHANG Chuxian

(Beijing Institute of Aerospace Micro-electromechanical Technology,Beijing 10094,China)

A multi-channel waveguide switch is designed,to meet the requirements of high frequency microwave signal switching multiple channels.A low standing wave and high isolation method of microwave parameters optimization，that on the basis of the conventional axial choke，increasing the circumferential direction and axially polarized choke is presented，greatly improved microwave properties of the waveguide switch.Waveguide switches through relevant theoretical calculations，modeling and design optimization by HFSS simulation software，as well as in-kind prototype testing.The measured results show that the multi-channel waveguide switch reaches the performance ofVSWR<1.10,LOSS<0.14 dB,ISO>70 dB in Ka-band(36.5 GHz～40 GHz)，as designed.

Ka-band; multi-channel; waveguide switch

��伺系统·

10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.10.015

于倩 Email：yummy15@163.com

2016-07-19

2016-09-27

TN814

A

1004-7859(2016)10-0065-04