一种P波段高功率隔离器的研制

黄 涛

(南京国睿微波器件有限公司 南京 210032)

0 引言

微波铁氧体隔离器广泛应用于卫星通信、精确制导导弹、电子对抗等领域，可以大大减少应用系统的体积，提高导弹、卫星的有效载荷[1-2]。隔离器技术已取得飞速发展，在可靠性前提下，宽频带、低插损、高隔离、高功率等特性是当前隔离器的发展方向。

如今，对微波器件性能的要求越来越高，功率需求也越来越大，器件的性能与温度密切相关。工作时，铁氧体隔离器需要承受高峰值功率和高平均功率，其插入损耗绝大部分来自器件中铁氧体基片产生的微波损耗，这些损耗将转化为热量，若得不到及时有效传递，铁氧体基片的温度就会随之升高，超过一定值时，其性能就会逐渐变差，导致器件隔离度等重要指标恶化，功能丧失。因此，有效解决器件的散热问题对提高器件寿命至关重要[3]。

为此，本文介绍一种低频段、大带宽、高功率隔离器的研制过程和步骤，该隔离器在系统中可用于收发控制、发射机保护、收发信号隔离等。此类产品研究较少，具有较高的设计价值。本文通过结构、耐功率设计及材料选型等，研究将器件在高功率工作下产生的热量及时有效传递。经仿真计算和样机实测，该器件性能完全满足指标要求，从而验证了设计过程的合理性，为以后此类高功率器件研制提供了一定借鉴和参考价值[4]。

1 原理分析

本文研制的隔离器，技术指标需求如下：

1)各端口驻波：≤1.3；

2)损耗：≤0.5 dB；

3)隔离度：≥18 dB；

4)耐峰值功率：≥100 kW，耐平均功率≥10 kW；

5)外形尺寸：横截面≤φ330×150 mm。

为在雷达系统中起到隔离收发信号、保护发射机等作用，该隔离器原理框图如图1所示。

图1 设计原理图

2 结构设计

为同时满足外形尺寸、散热性及结构可靠性要求，在结构方案设计时考虑[5]：

1)隔离器外形尺寸尽量做到紧凑，同时为满足电性能，上、下腔的设计间隙需要尽量大；

2)合理布局散热齿利于散热，尽量增大齿片传热面积，齿片布局与风机风向一致，保证风道畅通；

3)提高上、下腔体板内侧平面度和粗糙度，利于铁氧体与腔体板内侧的贴合，并用导热硅胶利于降低热源与腔体板之间热阻；

4)避免上、下腔体板内侧有毛刺或杂物，同时在上、下腔体三侧间隙处，安装防尘隔网；

5)Y结中心导体三端安装水平位置需尽量一致；

6)上、下腔体，磁路版和连接器等连接形式，采用螺钉连接，确保结构紧固等。

经分析和设计，结构方案见图2所示，其主要包括上、下腔体板(散热板)、磁路版、中心导体、铁氧体基片、永磁体、匀磁片等部分组成。

图2 高功率隔离器结构示意图

为满足技术指标和散热需要，进一步通过电性能仿真和耐功率设计进行验证，确定结构方案的合理性和具体尺寸。

3 电性能仿真

结构设计方案，经简化后在多物理场耦合仿真软件中建模，设置参数并进行电性能仿真及迭代优化，使得非互易传输和阻抗匹配性能优良，驻波和损耗尽可能小[6]。

电性能设计时预留余量，经仿真和优化后，计算结果见图3，在要求的工作带宽范围内，隔离度>18 dB，损耗<0.5 dB，端口驻波<1.3，所以仿真结果是满足技术指标需求的。为了确保样机性能，进一步开展耐功率设计计算。

图3 电性能计算数据结果

4 耐功率设计

4.1 器件的峰值功率耐受设计

该隔离器工作功率较高，通过分析器件峰值功率耐受设计问题，对于减小或避免隔离器在实际工作中，发生功率击穿和打火等情况具有重要意义。

在电性能仿真数据基础之上，进一步在多物理场耦合仿真软件中，加载100 kW峰值功率，仿真计算得到电场的分布图见图4。该隔离器的最高场强数值为1.4×106V/m(位于内导体、铁氧体基片与腔体的贴合处)，远小于空气击穿场强3×106V/m，有一倍多功率余量，表明该隔离器在高功率下不会出现打火，该结构方案设计是合理的，可以采用。

图4 电场计算数据结果

进一步，在实际使用过程中，于腔体中加垫硅橡胶，其击穿场强为107V/m级别以上，可以进一步有效地增大该隔离器功率容量。

4.2 材料选用

结构方案确定后，材料的合理选用，对于隔离器电性能实现，和保证结构可加工性，并获得优良的热、力学性、降低重量，有着至关重要的作用。

铁氧体材料选用方面，选择工艺较为成熟、温度稳定性好、损耗低的石榴石铁氧体材料，具体参数：磁矩为800 Gs，铁磁共振线宽为50Oe。设计时，尽量使用大尺寸的铁氧体基片，可减小单位体积热容量，同时，在铁氧体材料边缘进行倒角处理，可避免器件在实际使用中出现功率击穿和打火现象。

上、下腔体(散热板)材料选用方面，因需要考虑轻量化、低成本，且有利于铁氧体产生的热量在高功率工作时及时散出，保证器件性能稳定性，且材料自身具有较好的刚度，综合考虑选用铝材3A21。为进一步提高散热性能，在使用过程中，腔体与铁氧体之间加导热硅胶，可以有效减少热阻，保证散热良好。

磁路板材料选用方面，通过仿真得出隔离器需要的偏置磁场强度较大，如果选用非铁磁性材料，器件的偏置磁场远远满足不了驱动要求，出现的电磁泄露会影响器件性能，综合选用磁屏蔽性能较高，材料可加工性优良、刚度高、导热性好，性能稳定的ST12钢材质。同时，在ST12钢表面镀锌，耐腐蚀性能可大幅度提高。

4.3 热设计分析

热设计分析是对器件散热情况进行分析和计算。热源主要来自隔离器工作中功率损耗形成的热量，直接作用在谐振结中并产生温升，其中有铁氧体基片、永磁体、中心导体、磁路版、上下腔体板等，如果铁氧体基片温升过高，会导致隔离器功率承受能力降低，严重影响隔离器的性能[7]。

根据传热原理推导的计算公式有

Q=hcAeΔT

(1)

其中，Q为对流散热量，单位W；hc为换热系数，单位W/m2·℃；Ae为有效换热面积，单位m2；

ΔT为换热表面与流体的温差，单位℃。

强迫对流的换热系数为

(2)

式(2)中，J=0.023/Re0.2，Re为雷诺数；CP为定压比热容，CP=1.005×103J/(kg·℃)；G为通道的单位面积质量流量，单位kg/(m·s)；PT为普朗特常数0.695。

而雷诺数为

(3)

式(3)中ρ为空气密度，常压下30℃时干燥空气密度为1.16 kg/m3；v为流体流速，单位m/s；D为特征尺寸，单位m；u为流体动力粘度，30℃时取18.5×10-6Pa·s。

根据经验，初设上、下腔体有效面积为Ae=40×4×10-6=26×10-4m2，特征尺寸D=0.024 m，风道28个窗口。经计算，得到风速需为v=23.3 m/s。

简化隔离器模型，导入多物理场耦合仿真软件，划分网格后进行热仿真。该隔离器平均功率为10 kW，按照10%设计损耗，得到在上、下铁氧体基片各加载功率500 W，环境温度为30℃，设置边界条件、加载强制风冷(流速为23.3 m/s)和相应参数后，进行仿真并优化后，得到温度图见图5、图6所示。

图5 高功率隔离器温度分布示意图

图6 高功率隔离器温度等值线图

由图5、图6可看出，在环境温度30℃情况下，隔离器外表面最高温度约为45℃；隔离器内最高温度位于铁氧体基片，其温度为70.9℃，温升约40℃，铁氧体基片工作在80～90℃内工作均可保证性能稳定。为了保证铁氧体基片的工作性能，该隔离器可工作的最高环境温度约为45℃。

从而证明，该隔离器结构、耐功率和材料选用的设计思路是可行的，合理的。最终确定选用散热板直径为φ300 mm，散热齿高度为40 mm，齿厚为3 mm，齿间距为8 mm，上下腔体之间间隙，与电性能协同考虑后，确定尺寸为21 mm。

综上所述，经设计及仿真结果，可以进行样机的加工试制。

5 实测结果

根据结构设计、电性能计算及耐功率分析综合结论，投产试制的P波段高功率隔离器样机，如图7所示，器件外形尺寸为φ325×145 mm。在加工制作时，隔离器的腔体内侧加工精度，及其表面平整度进行了严格保证，去除毛刺，利于铁氧体在腔体面的贴合度，提高器件性能；中心导体三个端口进行安装时，通过工装保证水平位置一致等。

图7 高功率隔离器实物图

该隔离器的电性能实测数据见图8，从图8中可以看出，在工作频带范围内，该隔离器端口驻波<1.3，损耗<0.5 dB，隔离度>18 dB。样机的实测结果与上述的电性能仿真数据基本一致，并且完全达到技术指标要求。

图8 测试数据

同时，该隔离器已通过功率试验，在发射机输出功率100 kW的情况下工作半小时，工作性能优良稳定，并且在峰值功率下器件工作运行安全可靠，无击穿现象发生。同时已成功通过振动、高低温等试验。

通过实验结论，可以得出，该隔离器的研制思路和过程，是新颖的和合理的。

6 结束语

本文详细介绍了一种低频段(P波段)、大带宽(带宽大于22%)，高功率(峰值功率大于100 kW，平均功率大于10 kW)隔离器的设计思路，具体进行结构设计、电性能仿真、耐功率设计及材料选型等研究，性能指标全部达标，并制作实物样机通过了试验验证。

在后续工作中，考虑进一步开展更大带宽和更高功率的器件研制工作，以及小型化的研究。该器件的设计成果及经验，为今后该类器件的设计研发提供了一定借鉴和参考价值。