Ka多通道波導開關的微波性能設計及驗證

于 倩，萇群峰，王文濤，張楚賢

(北京航天微機電技術研究所，北京 10094)

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Ka多通道波導開關的微波性能設計及驗證

于 倩，萇群峰，王文濤，張楚賢

(北京航天微機電技術研究所，北京 10094)

設計了一種Ka波段多通道波導開關，用于滿足高頻段多通道的微波信號切換要求。文中提出了一種低駐波、高隔離度的微波參數優化方法，即在傳統的軸向扼流基礎上，增加了圓周方向扼流及軸向極化扼流，極大地提高了波導開關的微波性能。波導開關經過了相關理論計算，通過HFSS仿真軟件進行建模和優化設計，以及實物試制測試。實測表明：這種多通道波導開關在Ka頻段(36.5 GHz～40 GHz)下電壓駐波比<1.10，插入損耗<0.14 dB，隔離度>70 dB，與設計相符。

Ka波段；多通道；波導開關

0 引 言

微波開關就是通過某種方式切換高頻信號，特別是微波信號，并實現其幾乎無失真傳輸的機電元件，它是實現高頻微波功率切換技術的載體。其中，波導開關是一種采用機械隔離并通過轉子相對定子轉動實現高頻信道切換的微波開關[1]。該類開關具有工作頻率高、損耗小、功率容量大等特點，因此，可廣泛應用于通信、導航、遙測遙控等相關領域，已成為當今世界高頻電子設備中重要的元器件之一[2]。

隨著各種武器裝備通信與控制信號頻率的不斷提升，功率容量不斷增大，對波導開關微波性能的要求越來越高。本文介紹了一種提高Ka波段多通道波導開關微波性能的設計方法，實現在36.5 GHz～40 GHz頻段下電壓駐波比<1.10，插入損耗<0.14 dB，隔離度>70 dB。

1 整體結構

波導開關的工作原理分析。波導開關總體結構以功能劃分可分為導行系統和電磁驅動系統。其中，導行系統包括導行定子和導行轉子兩大主要結構。轉子上加工有波導腔，在驅動系統的帶動下轉動，同時利用鎖止機構進行精確定位并靜態自鎖。驅動系統包括電磁執行機構和傳動機構，利用有限轉角電機實現定轉動運動，通過傳動結構驅動導行轉子轉動，并利用電機永磁力配合限位結構對轉子轉角進行位置鎖定，以實現開關靜態鎖止功能[3]。波導開關整體結構如圖1所示。

圖1 波導開關整體示意圖

R型波導開關可實現三個通道四個狀態的切換。導行定子上設計有四個波導口，導行轉子上設計有兩個弧形微波通道和一個直通微波通道。導行轉子在電磁系統的作用下，與導行定子配合可以形成四個穩態位置。這樣，通過導行轉子的旋轉運動實現四種狀態微波信號通道的導通和阻斷。工作原理如圖2所示。

圖2 R型開關工作原理示意圖

為了保證開關轉動的可靠性，定轉子之間需要保留一定的轉動間隙，然而，間隙的引入不可避免地導致微波通路的不連續，從而引起信號的反射及泄漏，導致性能的惡化。尤其本文選取的為BJ320接口的波導開關，工作頻段高達40 GHz，性能的優化補償更加困難。下面將從開關的結構設計、仿真、測試三個方面介紹。

2 結構設計和仿真分析

波導開關的電壓駐波比設計主要是由選擇波導彎的半徑及其角度來確定的。E面矩形波導彎電壓反射系數的模[4]為

(1)

式中：b為波導高度;R為波導彎的平均半徑;λg為波導波長；θ=2πl/λg，l為RФ，Ф為波導彎的角度；m為奇數。

由式(11)可知，隨著波導彎平均半徑的增大，反射系數|r|的變化幅度越來越小，對應的電壓駐波比的變化也會越來越平穩。說明隨著轉子半徑的增大，電壓駐波比趨于穩定。同時，考慮轉子小型化要求、加工難度、產品一致性以及轉子轉動慣量等因素，通過仿真計算來選取轉子的半徑，從而確定了開關的基本尺寸。波導彎的仿真模型和仿真優化值如圖3、圖4所示。

圖3 仿真模型

圖4 波導彎仿真優化

通過仿真，選取在36.5 GHz～40 GHz頻段范圍內性能優且尺寸敏感度不高的半徑值R。

波導開關的插入損耗值與波導通路表面材料及加工情況相關。工作于TE10模的矩形波導每單位長度的衰減，由下式[5]給出

(2)

式中：a為波導寬邊尺寸，單位為cm；b為波導窄邊尺寸，單位為cm；δ為波導內表面的導電率，單位為m/Ω；f為工作頻率，fc為截止頻率，單位為Hz。

上式中只有δ的值可選，而δ值與本體的材料有關，可見影響衰減的關鍵因素是導行系統的導電率，銅合金與鋁合金的導電率值接近，但銅合金的比重比鋁合金高，選用鋁合金作為基本材料，可以有效地減小整體的質量，符合產品質量輕的要求。

此外，與通道表面材料導電率相比，金屬表面的光滑度對損耗的影響更大。理論上，鍍銀處理可以改善鋁合金的導電值，減小衰減，但要保證鍍銀過程中不影響表面的光滑度、不增加塵污及微小區域的固有多孔性，實際操作難度很大，且銀表面容易硫化。因此，導行系統零件為了保證導電體表面的化學穩定性，選用鋁合金材料并進行功率表面處理工藝。

隔離度反映了對旋轉間隙引起的微波泄漏的抑制性能，在多通道波導開關中，泄漏通道有沿轉子圓周方向通道和沿轉子軸向方向通道。同時，還有其他通道的耦合泄漏。其中，定轉子之間的間隙為信號泄漏的閾值，設計時需要綜合考慮導行轉子的最大熱膨脹、導行轉子的旋轉偏心、以及波導開關選用軸承的徑向游隙等因素，最終，可以確定轉子與定子裝配后的單邊間隙。并適當增加定子的最薄厚度來提高殼體剛度，從而減小了外力引起的定轉子的變形；加嚴對轉子和外殼的配合尺寸及同軸度的公差等級保證開關的有效轉動；將轉子與定子選用同種材料來減少溫度變形不一致對間隙的影響，這些措施均起到了控制間隙的作用。單邊間隙確定之后，為了減小串擾，增強隔離度，并減小定子上各波導口的反射，設計時在導行轉子上配置扼流槽。

在距波導口寬邊1/4個波長處(設為B點)開平行于寬邊的槽，槽深為1/4個波長，如圖5所示。

圖5 軸向拋流槽設計示意圖

因為波導內傳輸的為TE10波型，由B點看去的輸入阻抗為

(Zin)B=jZc2tanβ2l2

(3)

在中心頻率處，(Zin)B的值等于無限大，實際上是一個數值很大的電抗。設第一段的長度為l1，寬度為b1，不計B點處的接觸電阻和由于功率漏失而形成的輻射電阻，則從A點看去的輸入阻抗為[6]

(4)

則在中心頻率間隙處形成了電流波節，即使在兩波導口處略有間隙或錯扭，其間仍會出現短路電抗，達到對直流開路、對射頻短路的微波耦合。

若頻率偏移中心頻率某個百分數，原來的β1l1和β2l2也將偏離一個很小的弧度數δ1和δ2，這樣可得到

(5)

可見，在A點處的輸入阻抗不再是零，而是一個數值很小的電抗。這時，假設波導終端接有匹配負載時，反射系數即為[7]

(6)

因此，在設計中，選定頻段,計算出1/4波長，即為扼流槽的位置及深度尺寸。通過優化，分頻段進行補償。

為了進一步提高設計余量，通過上述理論，可在傳統的軸向扼流槽的基礎上配置圓周向扼流槽，可進一步抑制微波的泄漏。在軸向距波導窄邊1/4波長處設置了環形扼流槽，分別抑制導行腔向上下的微波泄漏；波導口窄邊上的槽為軸向極化扼流槽，使泄露的電磁場不能激起同軸耦合波，同樣在一定程度上對軸向的泄露進行了抑制。

通過HFSS軟件對扼流槽結構進行仿真分析，結果如圖6所示。

仿真最終得駐波≤1.04，插損≤0.05 dB,隔離度≥70 dB。

比較優化扼流槽前后的場分布，如圖7所示。可以看出，未設置扼流槽的方案，在轉子邊緣有一定的電場分布，設置扼流槽的方案中邊緣處電場分布明顯減弱，此方案對微波泄漏導致的隔離度降低有很好的抑制效果。

圖7 扼流槽對電磁場影響

3 產品實測結果

對優化后的波導開關產品進行加工裝配，并經過全面參數測試。測試儀器為Aglient E8363B，測試頻段范圍為36.5 GHz～40 GHz，測試結果為電壓駐波比<1.10，插入損耗<0.14 dB，隔離度>70 dB，如圖8所示。

圖8 波導開關實測結果

4 結束語

本文設計了一種新型的波導開關結構，實現了其三個通路四個狀態的切換功能。首先，通過理論推導得出波導開關微波性能的影響因子，并結合加工難度、小型化要求、產品一致性等因素進行分析；接著針對波導開關高頻段S參數不穩定的問題進行了優化設計，在傳統的軸向扼流基礎上，增加了圓周方向扼流及軸向極化扼流，極大的提高了波導開關的微波性能；然后，利用HFSS軟件對新結構進行仿真計算，在36.5 GHz～40 GHz下其駐波≤1.04，插損≤0.05 dB,隔離度≥70 dB；最后，對新結構進行了試制測試，在36.5 GHz～40 GHz頻段下滿足電壓駐波比<1.10，插入損耗<0.14dB，隔離度>70 dB。這種新型的多通路波導開關電壓駐波比小、插入損耗小、隔離度高，可在相關領域廣泛

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于 倩 女，1985年生，工程師，碩士。研究方向為微波元器件的設計研發。

萇群峰 男，1975年生，研究員，博士。研究方向為微波元器件的設計研發。

王文濤 男，1976年生，高工，碩士。研究方向為微波元器件的設計研發。

張楚賢 男，1976年生，高工，博士。研究方向為微波元器件的設計研發。

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

??伺系統·

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