高功率铁氧体移相器的设计与实验研究

邓广健，黄文华，巴　涛，郭乐田，方文饶

(西北核技术研究所，西安710024; 高功率微波重点实验室，西安710024)



高功率铁氧体移相器的设计与实验研究

邓广健，黄文华，巴涛，郭乐田，方文饶

(西北核技术研究所，西安710024; 高功率微波重点实验室，西安710024)

采用双磁环结构，利用加载介质集中微波能量，提升移相器功率容量的方案，进行了移相器结构尺寸、铁氧体材料参数等的综合优化设计，并对研制加工的高功率移相器开展了实验测试。结果表明：X波段移相器峰值功率容量可达60 kW，插入损耗约0.5 dB，最大移相量可达320。理论分析了高功率移相器的实验现象，认为：铁氧体在高功率下的非线性效应制约移相器功率容量。当输入功率超过60 kW，移相器插入损耗随功率增大迅速增加，理论分析与实验结果相符。

移相器；铁氧体；高功率容量；非线性效应

铁氧体移相器是相控阵天线中的关键器件[1-3]，具有可靠性高、插入损耗低和功率容量大的优势[4]。自1957年Reggia-Spencer铁氧体移相器问世以来，出现了多种结构设计，改善了移相器特性[5-12]。例如，在铁氧体环缝中加载介质，可改善铁氧体中磁场的圆极化特性，提升移相量[5]。温俊鼎提出的背脊波导单环移相器，也可提升移相器的移相量，且该结构形式对工艺要求不高[6]。此外，采用双铁氧体磁环结构，在双环之间加载介质，可提高铁氧体移相器的移相量，并使移相器具备较高的功率容量[10-13]。

美国在20世纪60—70年代对移相器研究较多[14-16]，实现了C波段功率容量为115 kW的目标[14]。近年来，除文献[16]介绍的L波段2 MW移相器外，对高功率铁氧体移相器的研究较少，对铁氧体移相器在高功率微波下的实验现象以及机理的分析鲜有报道，但对铁氧体材料在高功率下的非线性效应则有大量报道。

我国对高功率铁氧体移相器的研究比较少，X波段的峰值功率容量最高仅为千瓦量级[17]。为探索高功率铁氧体移相器的应用，本文采用具备较高功率容量的双磁环结构，进行了高功率优化设计，研制加工了移相器，并对其进行了高功率实验，总结分析了移相器高功率实验现象。

1高功率铁氧体移相器设计

铁氧体移相器利用铁氧体材料的磁导率随外加磁场变化的特点，实现对电磁波传输相位的改变。波导锁式铁氧体移相器采用内部环形磁路设计，不需要持续电流激励，具有低驱动功率的优势，如图1(a)所示。该结构的缺点是激励线穿过波导中央场强最强位置，容易引起电场击穿。

为进行高功率容量设计，采用双矩形环结构，如图1(b)所示。将激励线移到两边，从而抑制电场击穿。此外，在双铁氧体磁环中间加载介质，使加载介质能集中微波能量，降低铁氧体环中场强，提高移相器功率容量。

(a)Single toroid phase shifter

(b)Dual-toroid phase shifter图1波导锁式铁氧体移相器结构Fig.1Structure of waveguide latching ferrite phase shifter

随着输入功率升高，当铁氧体材料中的磁场强度大于材料的临界磁场强度时，铁氧体中激发自旋波，引起移相器损耗剧增[14]。通常，铁氧体激发自旋波的不稳定阈值，限制移相器的峰值功率容量。

为实现高功率容量，需对移相器结构尺寸及材料参数进行综合优化设计。在材料方面，因为临界磁场强度与ΔHk/p成正比，其中，ΔHk表示铁氧体的自旋波线宽；p=γ4πMs/ω，表示归一化磁矩，γ为旋磁比，4πMs为材料的饱和磁化强度，ω为工作频率，所以，增大材料的自旋波线宽及减小归一化磁矩均可增加临界磁场强度，提高功率容量，但会导致铁氧体磁损耗增加及移相器移相量减小。因此，选用高功率铁氧体材料，会在一定程度上增大移相器的插入损耗。

本文以适当增加移相器损耗为代价，选择自旋波线宽ΔHk为1. 2kA·m-1，饱和磁化强度4πMs为113kA·m-1。在结构方面，波导的宽度a、高度b、铁氧体环厚度w1、加载介质宽度w2均将对移相器性能带来影响。选择加载介质相对介电常数εr为15.5，采用有限元方法，仿真模拟上述结构参数对输入功率1kW下铁氧体中的最大磁场强度H及移相器单位长度移相量ΔΦ的影响，结果如图2所示。

(a)Waveguide width

(b)Waveguide height

(c)Ferrite toroid thickness

(d)Loading ceramic width图2最大磁场强度及单位长度移相量随移相器结构尺寸变化曲线Fig.2Maximum magnetic strength and phase shift per length vs. structure size of phase shifter

由仿真模拟结果可知，增大波导宽度a，可降低磁场强度、增加移相器的移相量，但作用较小，如图2(a)所示。增大波导高度b，可明显降低磁场强度，并增大移相量，如图2(b)所示。增大铁氧体环厚度w1，移相器移相量增加，并存在极值点。调整w1，对磁场强度的影响比较小，如图2(c)所示。增大加载介质宽度w2，移相器ΔΦ的变化与增大w1的情况下相类似，均存在极值点。磁场强度随w2的增加逐渐减小，如图2(d)所示。

值得注意的是，由于铁氧体材料及加载介质介电常数较高，波导中除基模准LSE10模式外，也会存在其他高次模式。若移相器中激发了高次模式，移相器性能将会恶化，会出现较大的回波损耗及损耗尖峰。进行移相器优化设计，必须考虑对高次模式的抑制问题。

以降低铁氧体中磁场强度，实现适当的单位长度移相量，从而控制移相器插入损耗并抑制高次模式为目标进行优化设计，优化结果为：波导宽度a=12.7 mm、高度b=10.16 mm，铁氧体环厚度w1=1.00 mm，加载介质厚度w2=1.80 mm。

2移相器仿真与低功率测试结果

采用上述优化设计的结构参数，移相段长度L为120 mm。在移相段两端加入阻抗匹配结构，得到移相器结构模型如图3(a)所示，研制加工的移相器实物样件如图3(b) 所示。

(a)Model of phase shifter

(b)Prototype of phase shifter图3移相器整体结构Fig.3Overall structure of phase shifter

采用有限元方法对移相器模型进行仿真，并对移相器进行低功率测试，S参数及最大移相量ΔΦmax的仿真与测试结果对比分别如图4(a)、图4(b)所示。

(a)S parameter

(b)Maximum phase shift图4移相器仿真与测试结果对比Fig.4Simulation and test results of phase shifter

如图4所示，移相器在9.0～9.5 GHz内，反射系数S11均小于-20 dB，插入损耗在0.5 dB左右。在频率为9.3 GHz下，移相器最大移相量在320°左右，移相器仿真与测试结果较为一致。应该指出，通过增加移相段长度L，可实现360°的最大移相量，此时,移相量插入损耗将在0.6 dB左右。

3移相器仿真与高功率实验结果

3.1功率容量仿真结果

对移相器的功率容量进行仿真分析，在输入功率60 kW下，移相器中电场分布以及铁氧体中磁场分布分别如图5 (a)和图5(b)所示。

(a)Electric field distribution of phase shifter

(b)Magnetic field distribution of ferrite图5移相器内场分布Fig.5Field distributions of phase shifter

由电场分布结果可知，在60 kW下，移相器内最大电场强度约为9.9 kV·cm-1，远小于击穿阈值，不会引发电场击穿问题。分析铁氧体内的非线性效应可知，因为微波磁场与铁氧体磁矩相互作用方式的差异，所以铁氧体环中平行板与垂直板部分的自旋波激发阈值有所差别[18]。铁氧体垂直板中的自旋波激发由其中微波磁场强度的正圆极化分量决定[17,19]。由仿真结果可知，在60 kW下，铁氧体垂直板中微波磁场的正圆极化分量最大值为2.13 kA·m-1，其临界磁场强度为[17,19]2ΔHk/p= 7.28 kA·m-1，因而在此功率下，铁氧体垂直板中不会激发自旋波。铁氧体平行板中的最大磁场强度为3.77 kA·m-1，其临界磁场强度为[18]ΔHk/p= 3.64 kA·m-1，平行板中的微波磁场强度大于临界磁场强度。据此分析，当移相器输入功率达到60 kW，铁氧体平行板中将激发自旋波，引起移相器损耗迅速增加。

3.2功率容量测试结果

为进行移相器功率容量测试，建立了测试系统，如图6所示。采用速调管放大器作为微波源，源中心频率为9.3 GHz，输出峰值功率可达100 kW。通过测量入射波、反射波及透射波3路波形，可计算出入射功率、反射功率及透射功率，得到移相器在高功率下的反射系数和插入损耗，判断其功率容量。

图6移相器功率容量测试系统Fig.6Power capacity test system of phase shifter

采用上述测试系统对移相器进行功率容量测试，在重复频率100 Hz、脉宽920 ns条件下得到参数S及高功率测试波形，分别如图7和图8所示。

由图7和图8可见，输入功率从13 kW逐渐增大至60 kW，移相器插入损耗保持在0.5 dB左右，测试波形均为方波。输入功率超过60 kW，移相器透射波形发生畸变，插入损耗随输入功率增大迅速增加。因而，测试结果表明，移相器功率容量可达60 kW。

图7高功率测试得到的移相器S参数Fig.7S parameter of phase shifter at high power

(a)Test waveforms of 60 kW input power

(b)Test waveforms of 70 kW input power

(c)Test waveforms of 87 kW input power图8移相器高功率测试波形Fig.8Waveforms of phase shifter at high power

3.3测试与仿真结果对比分析

结合仿真结果对移相器高功率测试结果进行分析，当输入功率大于60 kW，移相器测试波形发生畸变。输入功率为70 kW和87 kW下的测试波形表明：随时间延续，波形幅度由峰值位置逐渐下降，最终趋于平缓；并且在每个功率点下重复测试，移相器测试波形相同，如图8 (b)和图8 (c)所示。在输入功率大于60 kW时，移相器测试波形稳定变化，未出现因击穿引发的脉冲缩短等不稳定波形，因而移相器的高功率实验现象并非击穿造成。此分析结果与移相器内最大电场强度远小于击穿阈值的仿真结果相符。

此外，仿真结果表明：当输入功率大于60 kW，铁氧体中将激发自旋波模式，消耗铁氧体内的微波能量，引起移相器透射波形畸变，幅度出现衰减，移相器损耗剧增。并且，随着输入功率增大，铁氧体中磁场强度超过自旋波激发临界磁场强度的区域随之增加，导致移相器的损耗随输入功率升高而迅速增加。由图7和图8可知，移相器高功率测试结果与理论分析结果一致，证实了铁氧体在高功率下激发自旋波引起的非线性效应，制约了移相器的功率容量。

3.4高功率移相实验

对移相器进行高功率移相实验，验证移相器在高功率下的移相能力。实验系统如图9所示，示波器通道1可检测输入功率。入射波与透射波经本振混频后变为10 MHz左右的低频信号，可通过示波器读取相位。在不同的置位状态下，测量通道2的入射波与通道3透射波的相位差即为移相器的插入相位。

图9高功率移相实验系统Fig.9High power phase shift experiment system of phase shifter

在输入功率60 kW下，对移相器的插入相位进行测量，得到高功率下的移相实验结果，如图10所示。可见，移相器依然可实现320°左右的最大移相量。各置位状态下移相器的相移量与小信号测量结果均能较好吻合，验证了移相器在高功率下具备移相能力。

图10高功率移相测试结果Fig.10Test results in high power phase shift experiment

4结论

本文采用双铁氧体磁环结构，优化设计了一种高功率移相器，并进行了高功率测试，结果表明：移相器的峰值功率容量可达60 kW，在9.0～9.5 GHz频率范围内，反射系数均小于-20 dB，插入损耗在0.5 dB左右，移相器的最大移相量可达320 °。

当输入功率超过60 kW，移相器的插入损耗随输入功率增大迅速增加，证实了铁氧体在高功率下的非线性效应制约移相器的功率容量。

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Design and Experiment of a High Power Ferrite Phase Shifter

DENG Guang-jian,HUANG Wen-hua,BA Tao,GUO Le-tian,FANG Wen-rao

(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China;Science and Technology on High Power Microwave Laboratory,Xi’an710024,China)

The high power ferrite phase shifter designed in this paper utilizes loading material to concentrate the microwave energy, and a dual toroidal structure is proposed to increase its power capacity. The structure size of the high power ferrite phase shifter and parameters of the ferrite are comprehensively optimized. A manufacture prototype of the high power ferrite phase shifter is fabricated and tested. The results indicate that the peak power capacity reaches 60 kW at X-band with an insertion loss of about 0.5 dB, and the maximum differential phase shift is 320. The high power experiment phenomena are theoretically analyzed. Conclusions are made that the nonlinear effect of the ferrite under high power limits power capacity. The insertion loss increases rapidly as the input power is raised beyond 60 kW. The theoretical analyses are in agreement with the experiment results.

phase shifter;ferrite;high power capacity;nonlinear effect

2016-06-03；

2016-07-21

邓广健(1990-)，男，吉林德惠人，研究实习员，硕士，主要从事电磁场与微波技术研究。

E-mail:dengguangjian@nint.ac.cn

TN61

A

2095-6223(2016)030501(6)