C 波段波導同軸轉換器設計及其微放電功率閾值

李繼超，陳瀟杰，劉長軍，白鶴，崔萬照

1. 四川大學 電子信息學院，四川 成都 610064

2. 中國空間技術研究院西安分院 空間微波技術重點實驗室，陜西 西安 710100

微放電是微波器件在空間應用時出現的一種二次電子諧振倍增現象[1-2]。在空間應用中，會造成信號惡化和系統噪聲增加，反射系數增加并引起功率損耗，嚴重時破壞器件表面[3-10]。通過對微放電產生機理的研究，逐漸提出了一些抑制微放電的方法，如提高工藝、避免表面凸起等[6]。設計中應盡量增加間距，減小電場強度。另一種有效的辦法是在敏感區域選擇低二次電子發射率(secondary electron yield，SEY)特性的材料[5-7]，或使用低SEY 材料對器件表面處理，例如TiN 薄膜。文獻[8]中通過磁控濺射沉積涂層技術制備了不同鈦氮原子比和不同厚度的TiN薄膜，降低材料SEY。因此，可通過分析微波器件內微放電敏感區域，優化器件結構或者材料處理來提高微放電閾值。

波導同軸轉換是微波系統的一個重要轉接器，底饋結構通常比側饋結構功率容量更高。本文針對空間微波系統提高微放電功率容量的迫切需求，設計了一款改進型后饋式C 波段的波同轉換器。基于微放電敏感區域分析，改進了同軸內導體與波導過渡的方式，提高了其微放電功率容量。實驗測量微放電閾值突破7 kW。

1 微放電現象和分析方法

微放電現象本質為電子在微波場中的諧振運動，二次電子在電場的加速下撞擊到材料表面，產生多個二次電子再次被電場加速，出現倍增過程[1,11-12]。文獻[11]用平板模型描述該現象，并探索抑制微放電的關鍵因素，如圖1 所示，平板間距為d。

圖1 平板模型微放電過程

設微波電場為

式中：f為頻率；φ 為相角；ex為x方向的單位矢量。

設電子的質量為m，電荷為e，則電子運動方程為

式中：n為半周期個數；k為金屬表面比例系數，與二次電子發射系數δ有關[13]。

從式(1)～(3)可以看出，當工作頻率確定后，影響微放電閾值的主要因素是器件結構和材料屬性。間距越大，材料SEY 越低，則微放電閾值越高。在微波器件設計中，器件結構復雜，很難進行整體結構的微放電分析。從結構表面間距著手，用全波電磁仿真比較不同表面間距處的峰值電場強度，確定表面間距小且電場強度大的區域為敏感區域，對該區域分析微放電現象，進行結構改進或者材料處理，提高器件的微放電功率閾值并保持良好的傳輸性能。

2 波同轉換器設計

工程上常用的波同轉換器有后饋式與側饋式[13]。側饋式為探針結構，后饋式為過渡結構，后饋式功率容量通常較高。本文進行后饋式波同轉換設計，考慮到空間應用器件重量的限制，材料采用鋁。文獻[14]給出了后饋式波導同軸轉換器中的階梯阻抗變換的三端口等效電路模型，如圖2所示。

圖2 階梯結構等效電路模型

圖中X1、X2、XTE分別為輸入、輸出、TE11端口的等效電抗，B為階梯結構引入的電納，N為阻抗變換系數。

本文基于BJ40 波導采用三級階梯做阻抗變換，波導的寬邊和窄邊分別為58.2 和29.1 mm，結構示意圖如圖3 所示。通過電磁場全波仿真分析，以功率容量和帶寬為目標進行結構設計。發現圖3 中區域1、2 和3 間距小、電場強度高，為微放電敏感區域。

圖3 波同轉換器剖面

1)針對區域1，選用50 Ω 的L29 同軸接頭，增加內外導體間距。內外導體半徑Rin和Rout分別為3.5 和8.0 mm。

2)針對區域2 和3，提出將同軸內導體與階梯塊的連接結構換成矩形塊，實現良好阻抗匹配，并提高功率容量。

通過仿真計算進行結構優化，確定階梯的寬度為12.0 mm，L1=17.0 mm，H1=5.0 mm，L2=14.0 mm，H2=7.0 mm，L3=7.0 mm，H3=9.0 mm。階梯距離波導底部Lt=4.5 mm，整體位于寬邊中心。同軸圓心距波導窄邊的距離為D1=29.1 mm，距波導寬邊的距離D2=14.55 mm，過渡段橫截面為正方形，邊長Wt=7.5 mm。

中心頻率為4 GHz 波同轉換器仿真性能對比如圖4 所示。傳統結構在頻率為2.8～5.0 GHz 時，回波損耗均大于15 dB，相對帶寬達到55%，插入損耗小于0.1 dB。將過渡段橫截面換成本文提出的矩形結構后，得到回波損耗高于15 dB 的阻抗帶寬可達到77.5%，在頻率為3～5.4 GHz 時，回波損耗均大于20 dB。敏感區域中結構間距也得到了增加。

圖4 波同轉換器散射參數仿真結果

3 波同轉換器微放電分析

本文采用全波仿真軟件和歐空局微放電仿真軟件Multipactor Calculator(MC)進行微放電閾值分析。由仿真物理模型可知，按從小到大的原則標注出該波同轉換器表面間距較小的3 塊區域如圖3 所示，分別在此3 處內導體表面設置電場探針，比較特定輸入功率時的峰值電場強度。仿真結果如表1 所示，位置1 處(L29 同軸)表面間距最小且電場場強最高，是微放電發生最敏感區域；位置3 處的表面間距與L29 同軸處相同，但由于處于短路面處，有效場強最小不易發生微放電。

表1 有效功率為1 W 時電場分布

在仿真設置中，金屬鋁的二次電子發射模型為Vaughan 模型，其δmax設置為2.41，且對應的能量Emax=310 eV。微波為4.0 GHz 正弦信號，網格剖分精度為每波長至少離散20 網格。微放電分析的重點在L29 部分，結果通過粒子數與時間的關系呈現。

歐空局微放電仿真軟件MC 能夠快速分析典型微波部件如波導、同軸結構以及平板縫隙的微放電敏感曲線和微放電閾值功率或者電壓，支持金、銀、鋁等5 種表面材料分析。在該軟件中設置自定義同軸L29，計算其微放電敏感曲線和微放電功率閾值。如圖5 所示，MC 預測波同轉換器的微放電閾值為5 184 W。

圖5 L29 同軸微放電敏感曲線

采用全波仿真軟件模型，計算不同微波功率下粒子數與時間關系曲線，如圖6 所示。當輸入功率超過8 400 W，100 ns 后粒子數已呈現增長趨勢，預測該波同轉換器的微放電閾值功率約為8 400 W。

圖6 微放電閾值仿真結果

4 實驗測試

使用矢量網絡分析儀測量波同轉換器的散射參數。加工實物圖及測量系統如圖7(a)所示。將2 個波同轉換器以“背靠背”方式(波導端法蘭螺紋連接為一體)連接進行測試，測試結果如圖7(b)所示，與仿真曲線吻合。由于測試端口引入2 個轉接頭，插入損耗增大。在4.0 GHz 頻率點反射系數為-18.7 dB，插入損耗為0.3 dB。

圖7 波導同軸轉換器測量

微放電測試系統如圖8 所示，波同轉換器是在一個高真空室中完成的，前端為信號源，頻率為4 GHz，信號脈寬100 μs。波同轉換器后端接濾波器，并用頻譜儀檢測輸出信號。

圖8 微放電測試平臺

第1 次測得波同轉換器微放電閾值為7 kW，再次抽真空測量后僅為2 kW。更換L29 同軸內導體后，第3 次測量結果恢復為7 kW。說明微放電位置確實在L29 同軸處，且該波同轉換的微放電功率閾值達到了7 kW，與仿真結果進行比較如表2 所示。實驗結果表明，對于該波同轉換器的微放電發生區域分析方法正確，通過結構改進提高了微放電功率容量。

表2 波同轉換器微放電功率閾值測試結果

5 結論

本文針對高功率微波系統設計了一種后饋式波導同軸轉換器，并進行微放電分析和測試。

1)在階梯阻抗變換設計的基礎上，改進同軸內導體與階梯塊的過渡區域，增加了其功率容量。“背靠背”測量結果并與仿真結果吻合，傳輸性能良好。

2)提出了以器件結構為基礎，從表面間距以及峰值電場強度分析復雜微波器件微放電敏感區域的方法，有助于定位微放電位置，并抑制微放電現象的產生。

3)測量得到波同轉換器的微放電閾值功率突破7 kW，驗證了方法的可行性，為其空間應用打下基礎。