短波大功率宽带并联谐振腔巴伦的研究与设计

杨逸飞 ,张小林 ,王 杰 ,高火涛 ,张云华

(1.武汉大学 电子信息学院,湖北 武汉 430072;2.中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽 合肥 230088)

尽管卫星通信高速发展,但是在面对地形复杂和距离远的无线通信需求时,短波通信具有不受网络枢纽和有源中继体的制约、覆盖范围广、运行成本低等优点。所以,短波通信仍然是一种很重要的通信模式。大功率短波广播发射天线一般为对称笼形天线或对称折合振子天线,而发射机的输出端口一般为同轴型。为此,在天线和发射机之间必须设计一个短波大功率的不平衡-平衡变换器(巴伦)。巴伦可以有效改善天线的性能。一方面,巴伦可以消除不平衡馈电对天线辐射造成的不利影响。通过消除不平衡,减少辐射损耗,改善方向图,修正最大辐射方向。另一方面,巴伦可以解决天线输入阻抗与馈线特性阻抗不匹配的问题。巴伦通常分为集总参数巴伦和分布参数巴伦。近年来,很多研究利用铁氧体磁芯和传输线设计巴伦[1-3]。文献[3]提出一种超宽带传输线巴伦。利用铁氧体磁芯和传输线,设计了三个变换器。第一个变换器实现不平衡-平衡转换后,分别级联两个相同的变换器实现阻抗变换。该巴伦带宽较宽,设计简便,成本低,但是承受功率小。分布参数巴伦可以按照传输线的类型分为:平面传输线巴伦和同轴传输线巴伦[4-9]。平面传输线巴伦主要应用于微波和毫米波波段的小功率天线系统。对于同轴传输线巴伦,文献[8]介绍了一种串并联同轴短截线巴伦。该巴伦制造简单,但是带宽较窄。文献[9]根据等效电路的理论分析,进行巴伦的研究与设计,但是无法得到精确的性能结果,也没有较好的优化方法。大功率短波天线要求巴伦具有宽带、低损耗、可承受大功率等性能特点。因此,本文提出了一种短波大功率宽带并联谐振腔巴伦,通过等效电路理论分析与数值仿真结果进行对比,该巴伦在工作带宽、电压驻波比(VSWR)、插入损耗和平衡性能等方面都获得了较好的结果。此外,巴伦的场分布情况以及计算的理论击穿输入功率表明,所提出的巴伦具有低损耗和承受功率大的特点。

1 理论分析

由图1 可知,短波大功率宽带并联谐振腔巴伦的主体部分是一个长方体谐振腔,横截面为正方形。其中,一段同轴传输线位于谐振腔内部。它的内导体与谐振腔底部相接,外导体分别与输入同轴传输线的内导体和谐振腔顶部连接。另一段同轴传输线与谐振腔左侧相切。它的内导体与输入同轴线的内导体连接,外导体与谐振腔侧壁相切,同时与谐振腔顶部连接。不平衡输入端口的同轴传输线在谐振腔的底部,并且位于两段同轴传输线中点。两段同轴传输线的内导体在谐振腔顶部组成平行双线,形成平衡输出端口。

图1 并联谐振腔巴伦的结构图。(a)三维模型图;(b)三视图Fig.1 Structure of parallel resonant cavity balun.(a) 3D model;(b) Three-view drawing

图2 是并联谐振腔巴伦的等效电路。其中,两段同轴传输线与长方体谐振腔形成并联结构。Zin是不平衡端的输入阻抗,Ra和Rb分别是两段同轴传输线的特性阻抗,Zc是长方体谐振腔的输入阻抗,且阻抗值为纯虚数。

图2 并联谐振腔巴伦的等效电路Fig.2 Equivalent circuit of parallel resonant cavity balun

根据图2,可以得到:式中:D为谐振腔正方形横截面的边长;d为同轴传输线外导体的边长;Ze为谐振腔纵向传输特性阻抗;f为工作频率;f0为中心频率。将公式(2)代入公式(1)得到:

其中,

式中,Zl是平衡输出端口的特性阻抗。Zin归一化,得Zn为:

电压反射系数Γ为:

VSWR 为:

因此,通过对并联谐振腔巴伦的等效电路进行理论分析,可以计算得到VSWR 的理论值。

对于大功率系统,确保能够承受大功率是至关重要的。在常温、空气干燥的情况下,微波频率下空气击穿场强阈值的理论值为22.7 kV·cm-1。与空气干燥的情况相比,在相对湿度为50%的情况下,击穿场强阈值会减小2.5%[10]。另外,VSWR 对击穿场强阈值Eth的影响由下式给出:

式中:E′th是VSWR=1 时的击穿场强阈值;T是电压传输系数。

理论击穿输入功率Pth为:

式中:Esimrms是工作频率范围内最大的电场强度;P是输入功率。

2 设计与仿真优化

根据大功率短波广播发射天馈线系统的要求,不平衡输入端是特性阻抗为25 Ω 的同轴传输线,平衡输出端是特性阻抗为100 Ω 的平行双线。因此,设计了一种具有1 ∶4 阻抗变换的并联谐振腔巴伦。所以,两段同轴传输线的特性阻抗为50 Ω。由于本文设计的巴伦需应用于大功率短波系统,同轴传输线的材料和尺寸与常见的同轴线不同。为了达到工程要求,两段50 Ω 同轴传输线采用0.1 m 的圆形铜管作为内导体,方形铜导体作为外导体。25 Ω 输入同轴传输线的内导体和外导体都是矩形铜导体。同样,为了承受大功率,输出端的100 Ω 平行双线加了方形屏蔽。

按照大功率短波系统的要求,工作频带为5～26.1 MHz(相对带宽为135.7%),阻抗变换比为1 ∶4,VSWR 低于1.5,插入损耗低于0.5 dB,相位不平衡小于5°,幅值不平衡小于0.8 dB,承受功率为500 kW。以此进行巴伦的结构设计。首先,利用特殊同轴线和平行双线的阻抗理论公式,分别计算得到25 Ω 输入同轴传输线、两段50 Ω 同轴传输线和100 Ω 输出平行双线的结构参数理论值。表1 是短波大功率宽带并联谐振腔巴伦结构参数的初始理论值。然后,通过基于时域有限积分法的电磁软件CST 仿真,分别对同轴传输线和平行双线的结构参数进行精确优化。最后,依据等效电路的理论分析和优化后的结构参数,完成短波大功率宽带并联谐振腔巴伦的整体结构设计。优化后的结构参数如表2 所示。

表1 结构参数的初始值Tab.1 Initial value of structural parameters

表2 优化后的结构参数Tab.2 Optimized value of structural parameters

为了减小谐振腔的尺寸,将与谐振腔相切的同轴传输线置于谐振腔外部,巴伦的性能结果没有发生恶化。但是,调节两段同轴传输线的间距,会对输出端口的平衡性能产生影响。由图3 可知,在工作频率范围内的高频部分,输出端口的相位和幅度不平衡都会随着W2变大而恶化。在W2=0.813 m 时,幅度不平衡最大达到了0.86 dB,相位不平衡最大达到了2.8°,而在W2=0.613 m 时,最大幅度不平衡是0.45 dB,最大相位不平衡是1.7°。因此,为了使巴伦获得更好的平衡性能,W2应该尽可能小。

图3 W2对平衡性能的影响Fig.3 The influence of W2 on performance of balance

将优化后的结构参数代入理论分析中,通过公式(7),计算得到巴伦的VSWR 理论结果。由图4 可知,工作频带为5～26.1 MHz(相对带宽为135.7%),带宽达到了5 个倍频程。在工作频率范围内,VSWR 均低于1.5。VSWR 和频带宽度的仿真结果与理论分析结果相吻合,验证了该巴伦具有良好的阻抗匹配性能和宽带特性。由图4 的|S21| 仿真结果可知,在工作频带内,插入损耗均小于0.2 dB,证明了该巴伦的低损耗特性。图5 是工作频率为15 MHz 时,巴伦的功率流动分布。在功率传输过程中,功率主要分布于输入端口、输出端口和两段同轴传输线。VSWR 和插入损耗的仿真结果和功率分布情况表明了该短波大功率宽带并联谐振腔巴伦具有良好的传输性能。

图4 VSWR 和|S21| 的仿真结果和VSWR 的计算结果Fig.4 Simulated VSWR,|S21| and calculated VSWR

图5 巴伦的功率流动Fig.5 Power flow of the balun

当工作频率为15 MHz 时,巴伦的电流和电场分布如图6 所示。由图6(a)可知,电流主要分布于同轴传输线,谐振腔内表面的电流很小。由图6(c)可知,电场与电流分布相似,主要分布于同轴传输线,最大电场强度出现在同轴传输线内。除了同轴传输线,其他部分的电场强度都很小,同轴传输线内的电场强度比谐振腔内的电场强度大几个数量级。由图6(b)和图6(d)可知,谐振腔外表面的电流和电场都为零。因此,谐振腔不辐射能量,符合理论预期。巴伦的电流和电场分布与插入损耗的结果验证了理论分析,表明该巴伦具有低损耗性能。

图6 巴伦的电流和电场分布。(a) 内部电流分布;(b) 外表面电流分布;(c) 内部电场分布;(d) 外部电场分布Fig.6 Distribution of electric current and electric field on balun.(a) Current distribution on the inner;(b) Current distribution on the outer shield;(c) E-field distribution on the inner;(d) E-field distribution on the outer shield

图7 是输出端口平衡性能的仿真结果。在5～26.1 MHz,输出端口的相位不平衡均小于2°,幅值不平衡均小于0.5 dB,平衡性能结果都明显优于设计要求。本文设计的巴伦与其他文献所提出的巴伦主要性能指标比较结果如表3 所示。对比可知,短波大功率宽带并联谐振腔巴伦在插入损耗、平衡端口幅度不平衡和相位不平衡方面都具有较好的结果。

图7 相位和幅值不平衡Fig.7 Phase imbalance and magnitude imbalance

表3 本文设计的巴伦与其他巴伦的比较Tab.3 Comparison of the proposed balun with others

为了保证短波大功率宽带并联谐振腔巴伦能够承受500 kW 以上的大功率,在主要性能指标不出现明显恶化的情况下,适当调整各个部件的尺寸。例如:两段同轴传输线的内导体选择的是0.1 m 的铜管。同时,并联谐振腔巴伦的低损耗性能以及不需要考虑器件发热、散热问题的优点,为承受大功率提供了结构保障。

当输入功率为500 kW 时,不同频率下的最大电场强度如表4 所示。将图5 的|S21| 结果换算为电压传播系数T,与VSWR 结果一起代入公式(8)。将表4中的最大电场强度代入公式(9)。计算击穿场强阈值和输入功率的理论值,结果如表4 所示。击穿场强阈值最小为17.87 kV·cm-1,理论击穿输入功率最小为26.17 MW,远远高于设计要求。因此,短波大功率宽带并联谐振腔巴伦足以承受500 kW 的功率。

表4 最大电场强度与击穿场强和击穿输入功率的理论值Tab.4 Maximum electric field strength with theoretical value of breakdown electric field strength and input power

3 结论

通过理论分析和全波电磁仿真的相互验证优化,设计了一种短波大功率宽带并联谐振腔巴伦。在工作频率范围内,具有良好的平衡性能,以及1 ∶4 的阻抗变换。通过对电流和电场的分布情况以及传输性能指标结果的分析,该巴伦具有低辐射损耗和高传输效率,符合理论预期。计算得到的击穿场强阈值和理论击穿输入功率,验证了该巴伦足以承受大功率。在大功率短波广播天线以及对海观测雷达等领域,短波大功率宽带并联谐振腔巴伦具有很大的应用潜力。