胡繼軍,石 俊,蔡 杰,李天明, 李 浩,胡 標,汪海洋,周翼鴻

(1.北京遙測技術(shù)研究所,北京100076;2.電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,成都610054)

高功率微波移相器能夠?qū)?dǎo)行波的相位進行調(diào)控,是高功率微波系統(tǒng)中實現(xiàn)功率合成和波束掃描功能的關(guān)鍵器件[1]。微波移相器按移相機理大致可分為機械式波導(dǎo)移相器和電控式數(shù)字移相器。其中,電控式數(shù)字移相器在功能實現(xiàn)上依賴于鐵氧體[2-3]、鐵電體[4-5]、半導(dǎo)體[6-7]、液晶[8-9]等介質(zhì)材料,在高功率下存在介質(zhì)擊穿問題,使電控式數(shù)字移相器不適合直接應(yīng)用于高功率微波系統(tǒng);機械式波導(dǎo)移相器因其空心金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)而具有兆瓦乃至吉瓦量級的功率容量,因此在高功率微波領(lǐng)域中常采用機械式波導(dǎo)移相器。

根據(jù)移相原理,近年來報道的機械式波導(dǎo)移相器主要可分為基于電長度可調(diào)原理及傳播系數(shù)可調(diào)原理的拉伸式移相器[10-14]和基于線-圓極化轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)式移相器[15-20]。其中,拉伸式移相器具有結(jié)構(gòu)簡單和易于驅(qū)動的優(yōu)勢,但直線移動的拉伸式活塞難以在緊湊化設(shè)計下實現(xiàn)大范圍、高精度的線性移相;基于線-圓極化轉(zhuǎn)換原理的旋轉(zhuǎn)式移相器具有移相精度高、移相范圍大的特點,但移相段的機械旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)較為龐雜且不易驅(qū)動。通過調(diào)研可知,現(xiàn)有的機械式波導(dǎo)移相器在結(jié)構(gòu)緊湊性、移相范圍、移相精度及驅(qū)動簡易度等方面難以做到統(tǒng)籌兼顧。因此本文的目的在于設(shè)計一款綜合性能優(yōu)秀的移相器。

本文基于電長度可調(diào)的移相原理,設(shè)計了一款新型旋轉(zhuǎn)式高功率微波移相器。該移相器將波導(dǎo)窄邊縫隙電橋與環(huán)形移相段相結(jié)合,并設(shè)計了具有扼流結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)式活塞,具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于驅(qū)動、移相范圍大、移相精度高及功率容量大的特點。

1 移相器的仿真設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)及功能

本文設(shè)計的旋轉(zhuǎn)式移相器主要由兩個折角彎波導(dǎo)、波導(dǎo)窄邊縫隙電橋及環(huán)形移相段構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)透視圖如圖1所示。其中：a為波導(dǎo)臂的寬邊長度;b為波導(dǎo)臂的窄邊長度。

圖1 旋轉(zhuǎn)式移相器的結(jié)構(gòu)透視圖

微波由波導(dǎo)窄邊縫隙電橋的一個彎波導(dǎo)端口輸入,經(jīng)過中央耦合區(qū)后傳輸至環(huán)形波導(dǎo)移相段的兩路微波傳輸通道,到達活塞的短路面后被反射,最終由波導(dǎo)窄邊縫隙電橋的另一個彎波導(dǎo)端口輸出。通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸改變活塞短路面的位置,改變微波在移相段內(nèi)的電長度,從而實現(xiàn)移相功能。

1.2 波導(dǎo)窄邊縫隙電橋的設(shè)計

旋轉(zhuǎn)式移相器的波導(dǎo)窄邊縫隙電橋由兩個具有公共窄邊的直波導(dǎo)構(gòu)成。圖2為波導(dǎo)窄邊縫隙電橋的平面結(jié)構(gòu)示意圖。其中：1,2,3,4為電橋的四個波導(dǎo)臂,即耦合區(qū)的四個端口;W為中央耦合區(qū)的寬度;L為中央耦合區(qū)的長度;h為隔片厚度。

圖2 波導(dǎo)窄邊縫隙電橋平面結(jié)構(gòu)示意圖

選擇合適的W值可使其內(nèi)部僅能傳輸TE10和TE20模式微波,選擇合適的L值可使兩個模式的微波通過耦合區(qū)后的相位差為π/2。若端口1作為輸入端,端口3和端口4未被短路時,微波將在耦合端口3和直通端口4平均輸出,端口2將被隔離;當端口3和端口4被短路并作為移相端時,波導(dǎo)窄邊縫隙電橋?qū)?gòu)成一個兩端口的移相器,端口1輸入的微波將由端口2輸出,此時改變短路面的位置,可以改變微波的電長度,從而實現(xiàn)移相的功能[11,21],該移相器的散射矩陣S可表示為

(1)

其中：β為傳播常數(shù);l為活塞移動距離。

由于L及寬度W會影響電橋的帶寬、傳輸系數(shù)和相移曲線線性度等指標,經(jīng)過CST Microwave Studio仿真優(yōu)化后,選取波導(dǎo)臂a為77.7 mm,b為36.52 mm,L為140 mm,隔片厚度h為4 mm。仿真得到工作頻率為2.8 GHz時,波導(dǎo)窄邊縫隙電橋的插入損耗S11及輸出相位φ隨活塞拉伸距離l的變化關(guān)系如圖3所示。由圖3可見,在將活塞拉伸100 mm的過程中,插入損耗小于0.125 dB,相移曲線具有良好的線性度。

(a)S11 vs. l

(b)φ vs. l

1.3 環(huán)形波導(dǎo)移相段的設(shè)計

為了解決拉伸式活塞移相器結(jié)構(gòu)不夠緊湊的問題,本文將傳統(tǒng)的直波導(dǎo)移相段彎曲成環(huán)形波導(dǎo)移相段。圖4為環(huán)形波導(dǎo)移相段的截面示意圖。由圖4可見,環(huán)形波導(dǎo)移相段為圓弧形側(cè)壁的柱狀空腔,圓弧的半徑R=r+b,腔壁中央開有軸孔用于裝設(shè)轉(zhuǎn)軸和短路活塞。由于環(huán)形波導(dǎo)移相段轉(zhuǎn)軸半徑r會影響移相段的功率容量、移相精度和結(jié)構(gòu)緊湊性,綜合考慮后,取r為20 mm。由上述參數(shù)可得相移量Δφ與活塞旋轉(zhuǎn)角度θ的關(guān)系為

(2)

其中,λ為真空中電磁波的波長。

圖4 環(huán)形波導(dǎo)移相段的截面示意圖

1.4 扼流結(jié)構(gòu)的設(shè)計

短路活塞分為接觸式和非接觸式兩種,接觸式活塞存在磨損和打火問題,在實際應(yīng)用中常采用基于四分之一波長阻抗變換原理的非接觸式活塞。因此設(shè)計了適配環(huán)形波導(dǎo)移相段的非接觸式扼流活塞,圖5為環(huán)形波導(dǎo)移相段扼流結(jié)構(gòu)的截剖面示意圖。該結(jié)構(gòu)包括扇形扼流活塞和軸面扼流結(jié)構(gòu)。由于扼流活塞與軸面扼流結(jié)構(gòu)的弧面、環(huán)形波導(dǎo)E面、環(huán)形波導(dǎo)H面之間均存在間隙,因此活塞在旋轉(zhuǎn)過程中不存在金屬接觸。

(a)Ring-shaped waveguide

(b)Choke structures

扼流活塞扇形部分的角度為θ1,扼流活塞結(jié)構(gòu)扇形部分的弧面半徑R2=R-d1,d1為扼流活塞與環(huán)形波導(dǎo)E面之間的間隙,活塞的扼流槽槽口寬度為w1,內(nèi)部槽深為h1,開槽角度為θ1,活塞兩側(cè)扇形端面與波導(dǎo)H面之間的間隙為d3;軸面扼流結(jié)構(gòu)的弧面半徑r2=r1+d2,d2為活塞的轉(zhuǎn)軸與軸面扼流結(jié)構(gòu)之間的間隙,軸面扼流結(jié)構(gòu)扼流槽的上表面與轉(zhuǎn)軸的水平中心線齊平,槽口寬度為w2,內(nèi)部槽寬為w3,內(nèi)部槽深為h2。經(jīng)CST仿真優(yōu)化后,取d1=d2=0.5 mm,d3=1 mm,w1=2 mm,w2=3 mm,h1=8 mm,h2=15 mm,θ1=30 °,θ2=15 °,w3=16 mm,扼流結(jié)構(gòu)金屬板最薄處為4 mm。將扼流結(jié)構(gòu)的扼流活塞旋轉(zhuǎn)至不同角度u時,環(huán)形移相段微波的駐波系數(shù)隨工作頻率的變化關(guān)系如圖6所示。由圖6可見,工作頻率為2.7～2.9 GHz,旋轉(zhuǎn)角度為0,60°,120°,180°時,駐波系數(shù)均大于104。

圖6 不同旋轉(zhuǎn)角度下微波的駐波系數(shù)隨工作頻率的變化關(guān)系

1.5 彎波導(dǎo)過渡段的設(shè)計

由于波導(dǎo)窄邊縫隙電橋的兩個端口過于靠近,難以設(shè)計法蘭接口,為了便于接入高功率微波系統(tǒng),設(shè)計了H面折角彎波導(dǎo),圖7為H面折角彎波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7 H面折角彎波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖

其中,輸入端矩形波導(dǎo)截面長a1為77.7 mm,寬b1為36.52 mm(與紙面垂直),過渡段長度為L;折角尺寸為x。輸入端經(jīng)過渡段轉(zhuǎn)換后形成BJ 32標準矩形波導(dǎo)。經(jīng)仿真優(yōu)化后,x=51 mm,L=30 mm,仿真結(jié)果如圖8所示,在2.7～2.8 GHz的頻率范圍內(nèi),回波損耗由于35 dB,高于99.96 %,VSWR 小于1.04。

(a)Return loss and insertion loss

(b)VSWR

2 整體仿真結(jié)果

確定了移相器各部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)后,對移相器整體進行仿真計算,微波由波導(dǎo)窄邊縫隙電橋的一個端口注入,將扼流活塞從初始位置旋轉(zhuǎn)至180 °,記錄旋轉(zhuǎn)過程中各角度對應(yīng)的回波損耗、插入損耗、輸出相位及最大電場強度。圖9和圖10為上述記錄中的部分結(jié)果。其中：圖9為工作頻率為2.8 GHz時,移相器的回波損耗、插入損耗和輸出相位隨活塞旋轉(zhuǎn)角度θ的變化關(guān)系;工作頻率為2.7 GHz時,取得不同相移量和取得最大電場強度時的電場分布如圖10所示。結(jié)合圖9、圖10及整體的仿真結(jié)果可得：在工作頻率為2.7～2.9 GHz范圍內(nèi),移相器的最大插入損耗為0.2 dB,移相范圍大于360°,中心頻率2.8 GHz處的最大插入損耗小于0.1 dB,扼流活塞每旋轉(zhuǎn)1°,輸出端相位改變3.29°;微波注入功率為0.5 W時,在目標頻段內(nèi)頻率為2.7 GHz,旋轉(zhuǎn)角度為94°時,取得電場強度最大值為1 500 V·m-1。

移相器的功率容量Pmax可通過下式進行估算

Pmax=Pinput×(Ethreshold/Emax)2

(3)

其中：Pinput為微波注入功率;Emax為仿真得到微波的最大電場強度;Et為真空中金屬表面擊穿電場強度,可由Kilpatrick準則[22]得到,表示為

(4)

其中,f為微波頻率。

在仿真過程中,當Pinput為0.5 W,f為2.7 GHz時,Emax為1 500 V·m-1,由式(4)可得Et為45 MV·m-1,將Et,Pinput,Emax代入式(3)可得功率容量Pmax理論值為450 MW。在得到最大電場強度的情況下,不改變頻率和活塞旋轉(zhuǎn)角度,可將0.5 W的輸入功率提高至450 MW,此時移相器內(nèi)部微波的最大電場強度為44.25 MV·m-1,低于該頻率下真空中金屬表面擊穿電場強度,因此該移相器在2.7～2.9 GHz頻段內(nèi)的功率容量至少為450 MW。

(a)Retum loss

(b)Insertion loss

(c)Output phase

(a) 0°

(b)90°

(c) 180°

(d) Maximum electric field intensity

3 結(jié)論

本文基于電長度可調(diào)原理結(jié)合仿真軟件,設(shè)計了一款S波段旋轉(zhuǎn)式高功率微波移相器。與傳統(tǒng)拉伸式移相器相比,該移相器具有結(jié)構(gòu)緊湊、驅(qū)動方式簡單、移相范圍大及移相精度高的優(yōu)勢。仿真結(jié)果表明：在2.7～2.9 GHz的工作頻段內(nèi),該移相器的移相范圍大于360 °,插入損耗小于0.2 dB,功率容量大于450 MW,在2.8 GHz處,輸出端相移量與活塞旋轉(zhuǎn)角度比值為3.29。本文所設(shè)計的緊湊型旋轉(zhuǎn)式移相器能夠滿足高功率微波系統(tǒng)的發(fā)展需要,可為下一步的研制和應(yīng)用提供參考。