一种Ku频段四端高功率隔离器设计

2020-01-07刘永锋温丹莉陈晓萌

火控雷达技术 2019年4期

刘永锋温丹莉陈晓萌

(中国电子科技集团公司第三十八研究所合肥 230088)

0 引言

随着雷达技术的发展，隔离器的应用越来越广泛，使用频段覆盖范围越来越宽。为适应雷达收发组件技术的发展，微带、带线器件向易集成小型化的方向不断发展，但在某些高功率系统中，波导高功率隔离器仍有着不可替代的作用。本文介绍的Ku频段波导高功率隔离器其应用背景是某雷达系统，隔离器功率需求是承受50kW峰值功率，250W平均功率。在Ku频段同轴式隔离器及波导结式隔离器均难以达到数百瓦平均功率要求，结合工作频段及使用条件优选四端波导差相移式隔离器[1]的方案。图1为Ku频段隔离器实物。

图1 隔离器图

1 工作原理

四端差相移式隔离器实现方式多样，根据需求可由铁氧体移相器及3dB电桥组合完成隔离器功能[6]。本方案选择的是由波导分支、3dB电桥、90°差相移移相器及折叠双T组成隔离器，其工作原理见图2[7]。功能上可实现微波信号从1口输入，经电桥、移相器及折叠双T后，将在2口输出，通常损耗越小对通过的功率容量越有利，散热根据系统条件可采用风冷、液冷等方式。依次类推，信号2口入则3口出，3口入则4口出，4口入则1口出，形成信号环行。将3、4端口接匹配负载可作为隔离器使用。

图2 隔离器工作原理图

2 设计与优化

2.1 部件设计

考虑通过功率及风冷散热条件，设计选用BJ140型波导。为获得满足需求的高功率隔离器，对各个部件进行分析与优化设计。3dB电桥设计时重点关注短缝耦合的长度及各端口匹配状态，波导内匹配调配时要注意对称性；折叠双T是魔T的一种变形，设计时须关注E臂的开口位置[5]，波导内阻抗匹配及调配柱位置尺寸的优化；差相移式90°移相器的设计是隔离器的关键，设计时采用波导内放置双片H面铁氧体样品的形式[4]，选取合适磁矩的低损微波铁氧体材料，确定铁氧体样品尺寸及在波导中的位置，以期获得足够的差相移量及优良的微波性能；为提高功率容量，电桥及折叠双T中的匹配柱高度不宜高，采用容性匹配，移相器中铁氧体样品的厚度不大于1mm，尽量薄且增大与波导壁的接触面积，以利散热；完成各部件的设计后，将各部件组合形成隔离器，根据需求设计确定各端口位置及形式。

2.2 材料设计

2.3 优化设计

据设计分析获得的材料参数、结构形式及电讯尺寸初值在高频仿真软件(HFSS)中建模，对各个部件分别建模并优化设计，根据优化结果再对组合成的隔离器进行优化[5]。Ku频段导波波长较短，对结构尺寸参数较敏感，给器件设计带来一定困难，须仔细优化并考虑冗余容差设计，以期获得良好结果。图3-图5分别给出了隔离器仿真模型及优化结果。仿真结果表明1GHz带宽内输入端口S11参数优于-25dB，S12参数优于-30dB，对于S21参数由于实际中材料损耗、系统连接损耗、波导传输损耗等多因素制约，仿真设计主要考虑避免系统中有不连续性引起的异常损耗峰。

图3 隔离器模型图

图4 S11数据示意图

图5 S12数据示意图

电桥及折叠双T采用金属圆柱匹配，电桥匹配柱直径取5.8，高度不大于1.4；折叠双T中H面T结匹配柱直径取6.4，高度不大于1.1，E面T结匹配柱高度不大于0.8。铁氧体材料设计为长方体，长度不大于105，宽度取5～6，高度不大于0.8。上述设计尺寸单位为mm。

2.4 结构设计

Ku频段的隔离器使用频率高，波导尺寸小，电讯尺寸敏感，结构设计时既要保证加工精度又要考虑可操作性，设计时除移相器外均使用整体加工的方法；移相器设计为剖分结构，以便铁氧体材料在波导中焊接；隔离器装配注意各部件法兰盘密封设计；外磁场安装设计为侧面加凸台支耳螺钉紧固的方式；为提高功率容量波导内部尖锐突变处均要考虑适当倒角。冷却形式为自然风冷。

3 实验及测试

结构件齐套后通过装配及调试获得了性能优良的隔离器，工作带宽1GHz，驻波小于1.25，隔离大于20dB，插损小于0.50dB。隔离器在某微波系统中进行了功率实验，通过峰值功率50kW，平均功率250W，散热状态为风冷。实际受限于发射机功率和系统安全裕度，未进一步做更高功率耐受实验，通过液冷设计可进一步提高功率容量。图6为隔离器测试图。

图6 隔离器测试

设计及优化时波导特性、部件连接、匹配状态、铁氧体材料特性及磁化状态等参数均基于理想状态，实际研制过程中加工精度、部件连接不连续性、铁氧体材料参数、磁化状态、外接负载匹配状态及测试误差均会导致实测结果和设计结果的偏差。总体来看，实测输入端口驻波优于1.15，隔离度优于24dB，与设计预期基本相符。图7给出了隔离器主要性能包括端口驻波、插损和隔离度的实测结果。