L波段隔離-耦合組件原理、結(jié)構(gòu)與仿真設計.docx

1、L波段隔離-耦合組件原理、結(jié)構(gòu)與仿真設計徐昌文'王奇'，李勇I,陳剛2,金明2,唐思源I(1.中電科技德清華瑩電子有限公司，浙江德清313200；2.安徽博微長安電子有限公司，安徽六安237000)摘要：介紹了一款L波段隔離器和耦合器組件的原理、結(jié)構(gòu)及仿真設計。通過將高功率帶線雙結(jié)隔離器和定向耦合器進行一體化組合設計實現(xiàn)射頻功率隔離，同時通過耦合一路小功率信號實現(xiàn)對發(fā)射功率的監(jiān)測功能。利用HFSS和AWR軟件設計優(yōu)化，實現(xiàn)組件主要技術指標：工作頻段L波段，正向損耗a,=0.58dB(室溫)，0.60dB(Y085C),平均承受功率>500W.反射功率>300W，峰值

2、功率3.5kW,耦合度40dB。實測結(jié)果與仿真分析結(jié)果一致，驗證了設計方法的可行性。關鍵詞：隔離-耦合組件：L波段：原理：結(jié)構(gòu)；仿真中圖分類號：TN627;TN622文獻標識碼：A文章編號：1001-3830(2021)03-0()35-05DOI:10.19594/ki.09.19701.2021.03.007著錄格式：徐昌文，王奇，李勇，等.L波段隔離-耦合組件原理、結(jié)構(gòu)與仿真設計J.磁性材料及器件,2021.52(3):35-39.Principle,structureandsimulationdesignofL-bandisolator-couplerassemblyXUChang-w

3、en',WANGQi1,LIYong)CHENGang2,JINMing2,TANGSi-yuan'/.CETCDeqingHuayingElectronicsCo,Ltd,Deqing313200,China:2.AnhuiBoweiChanganElectronicsCo,Ltd,Luan237000,ChinaAbstract:Theprinciple,structureandsimulationdesignofL-bandisolator-couplerassemblywereintroduced.Bycombinationdesignofahighpowerstrip

4、linedouble-junctionisolatorandacoupler,thefunctionofRFpowerisolation,signalcouplingandstructuresizereductionwererealized.UsingHFSSandAWRsoftwareforoptimization,theassemblywasfinallydevelopedfeaturingworkingbandofL-band.a+<0.58dB(roomtemperature).0.60dB(-40to85C),meanpowerhandling>500W,reflecti

5、onpowcr>300V,peakpower<3.5kW.andcouplingfactorof40dB.Testresultsarcinaccordancewiththesimulation,varilyingthefeasibilityofthisdesignmethod.Keywords:isolator-couplerassembly;L-band;principle;structure;simulation1引言隨著雷達通信技術的發(fā)展，鐵氧體隔離器作為微波射頻電路中的重要器件，大功率的工作環(huán)境對微波鐵氧體環(huán)行器/隔離器的使用提出了更高的要求，要求承受更高通過功率，同時承受

6、更大的反射功率。高功率弱耦合定向耦合器通常用來分離出高功率通道中極小一部分能量信號，用于監(jiān)測發(fā)射頻率（功率）。為了對發(fā)射端輸出功率進行反向隔離，同時對發(fā)射功率和頻率進行監(jiān)測，我們將大功率隔離器和定向耦合器進行一體化設計，組成一個射頻端組件。本文著重在降低器件插入損耗、增加隔離器負載功率容量、一體化耦合器結(jié)構(gòu)設計等方面進行分析與探索，確保器件工作穩(wěn)定可靠。為盡可能地滿足低損耗、高功率的技術要求，本設計選擇高場區(qū)工作微波鐵氧體隔離器，選用易于進行溫度補償?shù)母唢柡痛呕瘡姸辱F氧體材料，同時采用準集中參數(shù)方案對內(nèi)導體進行仿真設計，優(yōu)選提高耐受功率的設計方案。同時結(jié)合整機的設定結(jié)構(gòu)進行一體化結(jié)構(gòu)的耦合器設

7、計，以期實現(xiàn)比較理想的耦合度，實現(xiàn)通過耦合支路對主傳輸線發(fā)射功率的監(jiān)測。2組件原理鐵氧體隔離-耦合組件的工作原理如圖1所示，收稿日期：2020-10-12修回日期：2020-11-20通訊作者：徐昌文E-mail:2010588189了端口導體尺寸，進行倒棱、表面拋光處理剔除毛刺及尖角，并通過在中心導體和接地板之間填充橡功放信號從隔離器端以1輸入，經(jīng)過隔離器端以2輸出到耦合器的輸入端口，再從耦合器輸出端口輸出到天線發(fā)射出去，同時從耦合端口再輸出一路耦合信號用于檢測。對于隔離器，反射信號如果從端口2輸入，將會沿環(huán)行方向被端口3的負載電阻吸收，微波信號只能單方向(1一2)傳輸，從而實現(xiàn)發(fā)射機系統(tǒng)內(nèi)

8、或功放組件內(nèi)部放大器間去耦作用，達到級間隔離目的。耦合端口輸出的信號可以對輸出端的天線負載加載以及射頻發(fā)射信號進行實時檢測監(jiān)控。圖1隔離-耦合組件工作原理3隔離器仿真與設計鐵氧體隔離器的剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示，主體結(jié)構(gòu)由中心內(nèi)導體、旋磁鐵氧體基片、永磁體和負載電阻構(gòu)成。其中，永磁體提供穩(wěn)定的偏置磁場，而旋磁鐵氧體在偏磁場作用卜，利用磁導率為張量的特點實現(xiàn)信號通行的非互易性。圖2隔離器剖面結(jié)構(gòu)3.1旋磁鐵氧體對應工作在2GHz以卜的功率帶線環(huán)行器，為減小體積，一般都選擇商場區(qū)工作2氣設工作頻率為£則鐵氧體圓片的半徑為:(I)式中，為常數(shù)，通常取為1.51.8；琮14,為鐵氧體圓片的相對介電

9、常數(shù)；h=c/f為器件的工作波長,c為電磁波在真空中的傳播速度；“為磁導率,=S+b)2_lb(P+(7)-I式中p為鐵氧體的歸一化飽和磁化強度，"為歸一化磁場叫p=MW(o(3)ty=H-yla)(4)式中(為角頻率，y為旋磁比，Hi為內(nèi)磁場，Ms為飽和磁化強度。為降低器件的損耗，通常情況1.5V7V2,y取值2.8,選用M=(1.61.8)/4汗MA/m,由(1)式算得圓片直徑為22mm,根據(jù)阻抗變換并考慮耐功率選擇厚度為2mm。3.2電性能與功率隔離器的性能主要由內(nèi)導體所決定。在功率設計中，圓盤狀的內(nèi)導體有利于提高功率容量，但頻帶窄且不利于縮小器件體積，故本設計選擇一種新圖3單

10、結(jié)隔離器內(nèi)導體射頻電路首先借助HFSS軟件對器件的S參數(shù)進行仿真,從而給出內(nèi)導體尺寸。然后在ANSYS軟件中導入Maxwell方程，對靜磁場進行仿真，由于考慮了電磁場的非均勻性，器件的實測性能和仿真性能接近致，大大提高了模擬的實用性。對于功率器件，內(nèi)導體的厚度對功率容量有顯著影響，在仿真時分別選擇0.8mm>0.6mm、0.5mm、0.40.3mm的厚度進行仿真。結(jié)果表明，0.8mm和0.6mm厚度的電氣性能達不到設計要求；對0.4mm和0.3mm厚度，雖然電氣參數(shù)能滿足要求，但是耐擊穿功率不足。本設計確定內(nèi)導體的厚度為0.5mm,單結(jié)電性能仿真結(jié)果如圖4所示。通過三維電磁場仿真軟件構(gòu)建

11、大功率激勵下環(huán)行器的內(nèi)部電磁場分布模型，評估環(huán)行器耐功率情況，結(jié)果如圖5所示。高場強在50Q端口。在高功率帶線隔離器/環(huán)行器中，較高的峰值功率使得器件在工作狀態(tài)時容易出現(xiàn)“打火”現(xiàn)象。本設計適當加大膠，以及在鐵氧體圓片周圍填充聚四氟乙烯硅介質(zhì)圖4對應內(nèi)導體厚度為0.5mm的隔離器電特性仿真結(jié)果圖6平行耦合帶狀線定向耦合器結(jié)構(gòu)圖一個電角度0。定向耦合器主要指標有耦合度、隔離度及方向性等。假設各端口都接50。阻抗，V2巧和Vt為各端口的輸出電壓，耦合度C、隔離度/、方向性D分別定義為冏：C=201g（Vi/V3）,/=201g（Vi/V4）D=201g（V3/V4）o耦合器可以用四端口網(wǎng)絡來分析，

12、用奇偶模分析可分別將其等效為奇偶和偶模的兩端口網(wǎng)絡以便于定量分析，耦合線奇偶模阻抗分別為Z）。、耦合線奇模和偶模的電角度分別是。°、&，端口1輸入電壓V,設定為1V,端口2、端口3的輸出電壓分別為?。簣D5功率狀態(tài)下隔離器內(nèi)部場分布：（a）電場，（b）磁場圓片等多個途徑來提高耐壓、抑制打火現(xiàn)象叫從而提高功率容量。為了最大限度地提高單結(jié)環(huán)行器反向耐受功率，在其一端接300W負載轉(zhuǎn)換為隔離器，并在負載端增加散熱器，提高功率容量。由于設計的器件要承受很高的功率（峰值3.5kW）,占空比15%,故采用雙結(jié)環(huán)行器結(jié)構(gòu)，第一結(jié)保持原單結(jié)器件的功率負載，第二結(jié)加300W負載，組合成雙結(jié)隔離器

13、，大大提高了器件反向耐受功率。4定向耦合器仿真與設計4.1原理和網(wǎng)絡分析微波定向耦合器的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，有波導結(jié)構(gòu)，同軸結(jié)構(gòu)，帶狀線結(jié)構(gòu)和微帶線結(jié)構(gòu)。圖6是平行耦合帶狀線定向耦合器的原理示意圖，當端口1有輸入信號激勵時，直通端口2及耦合端口3有輸出，端口4為隔離端無輸出，端口3輸出方向與端口1相反，相位相同，直通端口2輸出相位差1/_二乙.-27Zcos0+j(Z°+Z2)sin。0e0oOe0一Z*/2、刀=2Z7cos。+j(/2+Z2)sin0Oo0o(k>0ZZcosO+jZ2sin。32ZZcos6?+j(Z2+Z2)sin0c0oOc0Z&乙CQS4+jZ

14、jsip。g-2ZZcos。+j(Z"+Z，)sinH=S(k>0o(k>0Z2o=ZZ_sin6>-KZ；bsin6!,(5)(7)ocoo=Zsni9+ZSiiiOco0o對于TEM波，均勻介質(zhì)中奇模和偶模的相速相等，即0o=0c=0,當0尸&=90。時，耦合度C有最大值，耦合器獲得最大耦合輸出，耦合線的幾何長度取值為中心工作頻率的四分之一波長，即輸系數(shù)S2I、耦合度S3i可簡化為&81：/=扁/4,傳521=/J1-R2cos9+jsin。_isin。31Jl一爐cos9+jsinO(8)其中，A為電壓耦合系數(shù)，盾奇模、偶模阻抗有關系:L_Z（

15、）oS9U8W58*90mmTsOSmmR»1N>n«=s$uei,k25S1«53LI-33MSU«2；W1圖7定向耦合器電路拓撲奇模、偶模阻抗譬譬野有關系：)Oo0e0局，耦合器電路拓撲圖設計如圖7所示，主傳輸線帶狀線采用前節(jié)隔離器內(nèi)導體的設計厚度0.5mm,由設定耦合度可以求得耦合器的電壓耦合系數(shù)k,其與耦合度C(dB)的關系：七10-。20。由耦合系數(shù)R可以求得奇偶模阻抗，其和終端阻抗有關系：W居'4=4唇(12)微帶線耦合線中傳輸?shù)臑闇蔜EM波，由于介質(zhì)的非均勻性，在弱耦合時，微帶線耦合器的方向性會變差。而帶狀線耦合器可以近似于T

16、EM行波模式，設計中，可以根據(jù)設定指標的耦合度C、介質(zhì)基片厚度8數(shù)值和耦合線長度/或0/4等，依據(jù)上面一系列公式計算出奇偶模阻抗值，再由其算出耦合器的兒何結(jié)構(gòu)尺寸，即耦合器帶狀線線寬w、耦合縫隙$等參數(shù)【虬4.2電路仿真與設計為了對主傳輸回路大功率信號耦合出來的一路小信號進行監(jiān)控測試，需要設計一款弱耦合定向耦合器，主要技術要求為，L波段，耦合度40dB,隔離度大于50dB,組件插損小于0.60dB,電壓駐波比小于1.25。現(xiàn)在有很多微波器件設計軟件，對集中參數(shù)、準集中參數(shù)和分布參數(shù)電路都能進行比較準確的仿真優(yōu)化和設計。我們直接采用AWRMicrowaveOffice對平行耦合帶狀線定向耦合器進

17、行仿真優(yōu)化和設計，根據(jù)與隔離器組合后組件的一體化結(jié)構(gòu)布選用介電常數(shù)。尸2.65的聚四氟乙烯材料做介質(zhì)基片，上下兩層總厚度5mm。電參數(shù)仿真結(jié)果如圖8所示，端口3耦合度531超40dB,端口4隔離度S4i超50dB：對應的耦合器結(jié)構(gòu)尺寸為：耦合線平行部分長度"37.5mm,隔離器端耦合主線延長線優(yōu)化值Ai=33.565mm,隔離器端耦合直通線總長為L+L1=71.065mm,線寬優(yōu)化值h'i=2.583mm,耦合縫隙優(yōu)化值5-5.25mm,實際設計時，耦合線直通線兩端與雙結(jié)隔離器的前后兩節(jié)隔離器設計為一體化導體連接，耦合線直通線總長為L+Li，實際取值71.00mm,耦合線線寬

18、助取值2.58mm,耦合縫隙取值5.25mm,隔離端口4接50Q匹配負載。隔離耦合組件性能實測曲線如圖9所示，實測值與設計值吻合較好，通帶中心頻率1300MHz處組件直通主線插損0.58dB,耦合端口耦合度40.17dB,隔離端口隔離度55.58dB,滿足設計要求。5組件結(jié)構(gòu)設計及測試將雙結(jié)隔離器和平行耦合器組合，為減小組件體積并提高可靠性，采用了一體化多腔結(jié)構(gòu)。同時為了適應已設計定型的整機內(nèi)部結(jié)構(gòu)，輸入端、輸出端和兩個耦合輸出端的布局，以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局都進行了針對性的結(jié)構(gòu)設計，一體化外形設計尺寸如圖10所示，實物如圖11所示。在工藝加工方面,為了使帶狀線定向耦合器接近理想狀態(tài)的均勻介質(zhì)圖8耦

19、合器仿真電參數(shù)圖圖9隔離-耦合組件實測性能浸潤，在下層介質(zhì)板中加工出耦合導體尺寸的溝槽，將導體沒入下層介質(zhì)中，當上下兩層介質(zhì)密合時基本沒有大面積的空氣介質(zhì)存在。對主傳輸線導體、耦合線導體采用倒角和去毛刺處理，消除了大功率打火的風險。對研制的組件在相關型號整機上進行了實際安裝測試，組件在自然冷卻的條件下在L波段頻帶內(nèi)，承受峰值功率容信3500W,平均功率500W,并在傳輸輸出端口全反射加持峰值功率，組件溫度由25°C增高到75°C,半小時無損壞；耦合端口實時輸出耦合信號對發(fā)射功率實現(xiàn)了監(jiān)控測量。T0+85°C的條件下，其他電氣參數(shù)保持較高的水平，滿足了整機系統(tǒng)的發(fā)射功率隔離保護和耦合監(jiān)測要求。通過仿真設計與實際測