毫米波宽带高功率环行器研制

华 韡

(南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

随着雷达技术的发展，环行器的应用越来越广泛，使用频段覆盖范围越来越宽。为适应雷达收发组件技术的发展，微带、带线器件不断向易集成、小型化的方向发展，但在某些高平均功率应用系统中，波导高功率环行器仍有着不可替代的作用，波导高功率环行器分为波导结高功率环行器、四端口波导差相移式环行器。相比较而言，四端口波导差相移式环行器平均功率容量更高，只是受体积和重量的限制。对此类环行器提出的新课题适用于高频化和宽带化。本文介绍的毫米波波导高功率环行器的应用背景是结合雷达工作频段及使用条件，最终确定采用四端口波导差相移式环行器的方案。

1 理论及原理分析

1.1 理论说明及设计思路

四端口差相移式环行器实现方式多样，根据需求可由铁氧体移相器及3 dB电桥组合完成环行器功能。本方案选择的是由分支波导、3 dB电桥、90°差相移移相器及折叠双T组成环行器，其工作原理示意图如图1所示［1］。其中，90°差相移移相器是环行器的核心，由并联波导放置横向磁化铁氧体片构成，截面示意图如图2所示。

图1 环行器工作原理示意图

图2 90°差相移移相器截面示意图

这种磁化铁氧体片使波导中两个相反传播方向的微波信号产生90°的相移差，即

结合折叠T和3 dB电桥的特性，结果使信号产生1→4→2→3→1 的环行，网络表示如图 3 所示［2］。

图3 四端口差相移环行器网络

90°差相移移相器的设计需根据耐功率要求来选择铁氧体的磁参数和几何尺寸，器件采用H面结构，铁氧体薄片平整地粘贴在波导宽边上，厚度根据热传导方程进行计算，使铁氧体由于损耗产生的热量能及时传导出去，避免因升温太高而引起磁参数的变化，破坏器件性能，散热措施有强迫风冷或水冷，为了提高峰功率容量，器件可采用密封充气等措施［3］。应特别指出，当高功率微波信号超过一定阀值时，铁氧体会产生非线性效应，激发自旋波，使器件损耗增大，性能变坏。因此，为了提高器件的高功率阀值，差相移环行器通常选取较小的饱和磁化强度及较大的自旋波线宽，归一化p值为0.3～0.5。

功能上可实现微波信号从1口输入，经电桥、移相器及折叠双T后，在2口输出，并且损耗很小，通常，损耗可做到小于0.4 dB，有特殊需求经优化设计后可达到小于0.2 dB，甚至更小。依次类推，信号2口入则3口出，3口入则4口出，4口入则1口出，形成信号环行［4］。

1.2 压缩波导3 dB电桥设计［5］

3 dB短缝电桥的缝宽是这样确定的:在短缝处能同时传输TE10模和TE20模，而TE30模及其他高次模均需截止，因此，短缝的宽度a＇为

根据工作频率和选取的波导口径，需要对3 dB电桥短缝处的波导宽度进行压缩，压缩的原则是使之在短缝处不出现TE30高次模。

短缝长度L的确定:需要满足短缝处TE20波的相位超前TE10波的相位90°，即

式中:λg10和 λg20分别为 TE10模和 TE20模对应的波导波长。

由式(3)、式(4)可以给出半高波导3 dB电桥的基本设计参数，当然，在短缝中间需要增加调配螺钉对缝隙端部进行匹配，基本设计完成后可以利用软件对其进行优化仿真，仿真模型如图4所示，仿真结果如图5所示。从图中可以看出，在15%的带宽内3 dB电桥的驻波接近30 dB，功率分配比起伏在±0.15 dB以内。

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图4 压缩波导3 dB电桥H面90°弯曲仿真模型

图5 压缩波导3 dB电桥仿真结果

1.3 压缩波导折叠双T设计［6］

为了增加带宽，避免高次模的影响，我们采取适当压缩并联双端口的宽边尺寸，而其余两独立端口采用标准口径，通常，选择并联双端口宽边尺寸为0.692 λ0(λ0为中心频率工作波长)。图6为压缩波导折叠双T仿真模型。

为了匹配1端口所在波导与大波导的连接，可在二者之间加一个1/4波长阻抗变换器，该阻抗变换器的设计，不能像普通1/4波长阻抗变换器那样，因为现在E臂的开槽将影响波导阻抗值的计算，阻抗变换器的长度为

一般，将E臂的位置定在1端口波导与1/4波长阻抗变换器交界处，E臂的匹配一般采用电感销钉或电容块匹配，也可采用由压缩波导经过1/4波长阻抗变换器渐变到标准波导。

通常情况下，电感销钉圆心距离并联端口隔板0.55 λ0～0.63 λ0;圆心距离E 臂(1 端口波导与1/4 波长阻抗变换器交界处)0.34 λ0～0.42 λ0，可根据实际性能做微调。电感销钉形状一般为圆柱状，圆边倒角或者为半球状。圆柱或者圆球直径一般为λ0/4，圆柱高或球高多根据实验来确定。仿真结果如图7所示，从图中可以看出在15%的带宽内折叠双T各端口驻波基本接近30 dB，功率分配比起伏在±0.01 dB以内。

图7 压缩波导折叠双T仿真结果

1.4 压缩波导铁氧体移相器设计

图8为铁氧体移相器的仿真模型。通常，铁氧体片的宽边中心位于波导宽边的1/4处，铁氧体片的厚度根据器件损耗、功率容量、频率响应以及长度要求决定，为了驻波性能更加理想，铁氧体片的两端可磨成斜劈状。

图8 压缩波导铁氧体移相器仿真模型

通过仿真计算大致确定铁氧体片的厚度和长度，仿真结果如图9所示，从图中可以看出，在20%的带宽内，铁氧体移相器驻波基本接近30 dB，相移差在90°左右，频率响应起伏不超过3°。

图9 压缩波导铁氧体移相器仿真结果

1.5 环行器整体性能仿真结果

图10 四端口差相移式环行器仿真模型

图11 四端口差相移式环行器仿真结果

2 研制和实验结果

通过初始理论计算以及之后的软件仿真优化计算设计，本文得出了压缩波导3 dB电桥和压缩波导折叠双T的各个参数值，按这些参数值投产加工出来的压缩波导3 dB电桥和压缩波导折叠双T结构通过电性能测试，能够满足所需频带内的技术指标要求。

不同厚度的铁氧体片对铁氧体移相器性能的影响。按照仿真计算得出的铁氧体片厚度为0.3 mm，通过测试发现铁氧体移相器的相移差与要求的90°还有一定距离，于是，将铁氧体片厚度改为0.4 mm，通过测试发现铁氧体移相器的相移差要高出90°一些，且频率响应不太理想，最终，将铁氧体片厚度改为0.35 mm，通过测试发现铁氧体移相器的相移差可以达到90°。且整个频带的频率响应较理想。

按预期技术指标要求研制出了毫米波频段波导高功率环行器样件，图12为研制出的环行器样件。

图12 实际研制出的毫米波四端口相移差式环行器软件

图13为测试出的该器件的性能，可以看出在毫米波频段，相对带宽11.5%范围内，正向损耗最大值为0.49 dB，反向隔离最小值为27 dB，各端口电压驻波比均小于1.2。

图13 毫米波四端口相移差式环行器样件实际测试结果

在这种四端口差相移式波导环行器中，区别于传统做法，即环行器内外部波导端口口径均一致，铁氧体移相器、3 dB电桥和折叠双T在环行器内部的波导端口均采用压缩波导宽度进行设计，这样能够避免在高频端时易出现的高次模，有效增加带宽，以往研制的毫米波四端口波导差相移式环行器带宽一般在6%～8%，而该环行器实验测试带宽可以达到15%左右。而且压缩波导宽度也可以减小整个环行器的体积和重量。

在毫米波频段，各个元件的误差对于环行器的隔离和损耗影响巨大。有研究表明，假设3 dB电桥和折叠双T是理想的，铁氧体移相器引起的相移差误差在11.4°时，环行器隔离性能将会下降5 dB，损耗性能会增加0.06 dB，而且，并未考虑铁氧体移相器本身的损耗［5］。所以，该毫米波四端口波导差相移式环行器对于各个元件的公差控制必须非常严格，特别是铁氧体差相移段内的铁氧体尺寸和位置。我们在控制好铁氧体加工尺寸精度的同时，设计了精密简便的工装夹具对铁氧体在波导内进行准确定位胶接。

以前的毫米波四端口波导差相移式环行器中铁氧体移相器内的铁氧体厚度一般为0.5 mm～0.6 mm，我们将铁氧体厚度继续取薄至0.3 mm～0.4 mm，这样的优势在于使铁氧体移相器自身损耗减小;外加磁场相应减小，横磁场尺寸和重量能大幅减小;更重要的是能改善散热条件，提高平均功率容量。但是，对于铁氧体加工工艺提出了更高的要求，同时，需要结合实验判断差相移频响和误差等。

3 结束语

本文从工程应用出发，论述和验证了毫米波频段宽带高功率差相移式环行器的设计思路，通过理论计算、软件仿真并结合实验，研制出的毫米波宽带高功率差相移环行器性能优良，具有实际应用价值。

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