一種Ku頻段四端高功率隔離器設計

劉永鋒 溫丹莉 陳曉萌

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

隨著雷達技術的發展，隔離器的應用越來越廣泛，使用頻段覆蓋范圍越來越寬。為適應雷達收發組件技術的發展，微帶、帶線器件向易集成小型化的方向不斷發展，但在某些高功率系統中，波導高功率隔離器仍有著不可替代的作用。本文介紹的Ku頻段波導高功率隔離器其應用背景是某雷達系統，隔離器功率需求是承受50kW峰值功率，250W平均功率。在Ku頻段同軸式隔離器及波導結式隔離器均難以達到數百瓦平均功率要求，結合工作頻段及使用條件優選四端波導差相移式隔離器[1]的方案。圖1為Ku頻段隔離器實物。

圖1 隔離器圖

1 工作原理

四端差相移式隔離器實現方式多樣，根據需求可由鐵氧體移相器及3dB電橋組合完成隔離器功能[6]。本方案選擇的是由波導分支、3dB電橋、90°差相移移相器及折疊雙T組成隔離器，其工作原理見圖2[7]。功能上可實現微波信號從1口輸入，經電橋、移相器及折疊雙T后，將在2口輸出，通常損耗越小對通過的功率容量越有利，散熱根據系統條件可采用風冷、液冷等方式。依次類推，信號2口入則3口出，3口入則4口出，4口入則1口出，形成信號環行。將3、4端口接匹配負載可作為隔離器使用。

圖2 隔離器工作原理圖

2 設計與優化

2.1 部件設計

考慮通過功率及風冷散熱條件，設計選用BJ140型波導。為獲得滿足需求的高功率隔離器，對各個部件進行分析與優化設計。3dB電橋設計時重點關注短縫耦合的長度及各端口匹配狀態，波導內匹配調配時要注意對稱性；折疊雙T是魔T的一種變形，設計時須關注E臂的開口位置[5]，波導內阻抗匹配及調配柱位置尺寸的優化；差相移式90°移相器的設計是隔離器的關鍵，設計時采用波導內放置雙片H面鐵氧體樣品的形式[4]，選取合適磁矩的低損微波鐵氧體材料，確定鐵氧體樣品尺寸及在波導中的位置，以期獲得足夠的差相移量及優良的微波性能；為提高功率容量，電橋及折疊雙T中的匹配柱高度不宜高，采用容性匹配，移相器中鐵氧體樣品的厚度不大于1mm，盡量薄且增大與波導壁的接觸面積，以利散熱；完成各部件的設計后，將各部件組合形成隔離器，根據需求設計確定各端口位置及形式。

2.2 材料設計

2.3 優化設計

據設計分析獲得的材料參數、結構形式及電訊尺寸初值在高頻仿真軟件(HFSS)中建模，對各個部件分別建模并優化設計，根據優化結果再對組合成的隔離器進行優化[5]。Ku頻段導波波長較短，對結構尺寸參數較敏感，給器件設計帶來一定困難，須仔細優化并考慮冗余容差設計，以期獲得良好結果。圖3-圖5分別給出了隔離器仿真模型及優化結果。仿真結果表明1GHz帶寬內輸入端口S11參數優于-25dB，S12參數優于-30dB，對于S21參數由于實際中材料損耗、系統連接損耗、波導傳輸損耗等多因素制約，仿真設計主要考慮避免系統中有不連續性引起的異常損耗峰。

圖3 隔離器模型圖

圖4 S11數據示意圖

圖5 S12數據示意圖

電橋及折疊雙T采用金屬圓柱匹配，電橋匹配柱直徑取5.8，高度不大于1.4；折疊雙T中H面T結匹配柱直徑取6.4，高度不大于1.1，E面T結匹配柱高度不大于0.8。鐵氧體材料設計為長方體，長度不大于105，寬度取5～6，高度不大于0.8。上述設計尺寸單位為mm。

2.4 結構設計

Ku頻段的隔離器使用頻率高，波導尺寸小，電訊尺寸敏感，結構設計時既要保證加工精度又要考慮可操作性，設計時除移相器外均使用整體加工的方法；移相器設計為剖分結構，以便鐵氧體材料在波導中焊接；隔離器裝配注意各部件法蘭盤密封設計；外磁場安裝設計為側面加凸臺支耳螺釘緊固的方式；為提高功率容量波導內部尖銳突變處均要考慮適當倒角。冷卻形式為自然風冷。

3 實驗及測試

結構件齊套后通過裝配及調試獲得了性能優良的隔離器，工作帶寬1GHz，駐波小于1.25，隔離大于20dB，插損小于0.50dB。隔離器在某微波系統中進行了功率實驗，通過峰值功率50kW，平均功率250W，散熱狀態為風冷。實際受限于發射機功率和系統安全裕度，未進一步做更高功率耐受實驗，通過液冷設計可進一步提高功率容量。圖6為隔離器測試圖。

圖6 隔離器測試

設計及優化時波導特性、部件連接、匹配狀態、鐵氧體材料特性及磁化狀態等參數均基于理想狀態，實際研制過程中加工精度、部件連接不連續性、鐵氧體材料參數、磁化狀態、外接負載匹配狀態及測試誤差均會導致實測結果和設計結果的偏差。總體來看，實測輸入端口駐波優于1.15，隔離度優于24dB，與設計預期基本相符。圖7給出了隔離器主要性能包括端口駐波、插損和隔離度的實測結果。

圖7 隔離器主要性能測試結果

4 結束語

文中闡述了一種Ku頻段四端差相移式隔離器的設計分析過程，給出了該隔離器設計中的關注點。在HFSS中完成了建模并對隔離器進行了設計優化，研制性能優良的Ku頻段隔離器。高功率性能已在某微波系統中得到驗證，通過峰值功率50kW，平均功率250W。該隔離器通過液冷散熱等措施可進一步提高功率容量。