基于ANSYS的大功率合路器电热固耦合优化

周和平

摘要：为研制功率为300 W，频段为1.2～1.4 GHz的大功率合路器，在传统Wilkinson合路器的基础上，基于ANSYS多物理场仿真，利用电磁场、热特性和结构耦合仿真，分析大功率合路器的热量分布和结构变形情况。对合路器进行结构优化，保证在电气性能不恶化的情况下减少热量和变形，提高Wilkinson合路器的耐高功率性能。

关键词：Wilkinson合路器； 多物理场； 热量分布； 结构变形； 优化

中图分类号：TN957.52

文献标志码：B

文章编号：1006-0871（2018）01-0066-04

Abstract： In order to develop a 300 W high power combiner working in 1.2～1.4 GHz band， the heat distribution and structure deformation of a high power combiner are analyzed based on ANSYS multi physics field simulation. The combiner is based on the traditional Wilkinson combiner. The electromagnetic field， the thermal characteristics， and the structure coupling simulation are used in the analysis. The combiner structure is optimized. The electrical performance is not deteriorated. The heat and deformation of the combiner can be reduced. The high power tolerance of the Wilkinson combiner is improved.

Key words： Wilkinson combiner； multi physics field； heat distribution； structure deformation； optimization

0 引 言

在现代雷达中，固态功放已经全面替代传统的真空管发射机，并依靠其特有的高可靠性和高性能，越来越多地发挥决定性作用。单路的固态功放无法满足雷达对功率的需求，功率合成技术是提高雷达等通信系统输出功率的有效手段，具有较高的研究价值。近年来，功率合成技术向功率更大、频率更高、合成支路更多、带宽更宽的方向发展。

目前，大功率合路器主要采用同轴结构，小功率合路器采用微带结构。同轴结构虽然功率容量大，但不能很好地集成在小体积、大功率的微波电路中；微带电路通常较简单，但其插入损耗大、功率容量小，不能应用于大功率的合路器。

根据实际应用要求，设计4路大功率空气介质带状线Wilkinson合路器，其输入、输出特征阻抗为50 Ω，频段为1.2～1.4 GHz，插入损耗小于6.3 dB，路间相位一致性为±5°。合路器的设计重点是功率容量和质量，在保证电性指标合格的前提下，额定功率应大于280 W，质量应小于0.5 kg。由于功率容量需求越大，功率就越大，热量就越大，器件的温度也就越高，因此器件和机构件的变形情况不能忽略。实现精确评估大功率的影响、设计优化电路和结构件是设计大功率合路器的重点和难点。目前，电路设计可应用的多物理场仿真软件很少，其中同时包含电磁、热和应力模拟的更少，因此本文采用ANSYS多物理场仿真软件进行设计。

1 合路器原理

Wilkinson合路器原理與Wilkinson功分器原理相似，对于基本的Wilkinson合路器，其输入/输出端口特征阻抗为Z0，

两段输入分支带线的电长度均为λg/4。两路相位相同实现功率合成的Wilkinson合路器示意见图1，其输线模型见图2。由于传统的Wilkinson微带合路器的功率容量较小，因此本文采用空气带状线Wilkinson合路器，带状线输线模型见图3。

带状线的特征阻抗为

式中：εr为介质的介电常数；B为介质的厚度；W为带状线的宽度；h为带状线中心导体的厚度。

2 空气介质合路器的功率容量设计

2.1 空气击穿现象限制

对于小间隙的均匀场和稍不均匀场，由于间隙击穿放电的分散性很小，直流、工频击穿电压与50%冲击击穿电压相同。击穿电压和击穿场强的经验公式分别为

在直流状态下，估算1 cm距离空气耐压为45.6 kV，可以计算击穿场强Eb=4.56×10-7 V/m。

2.2 热容量限制

当信号流过金属表面时，由于金属不是理想导体，所以会产生热量。在电流较大的情况下，热量急速聚集，使中心导体和盒体温度升高。温度过高导致中心导体变形，致使合路器插入损耗变大，进一步增大热量从而导致合路器失效，因此要保证合路器处于常温环境，工作温度需在60 ℃以下。

在不考虑整体质量的前提下，中心导体的厚度h取值越大，空气高度H越大，功率容量越大，热容量越小。通过传统方式设计质量小、电性能指标合格、功率容量满足要求的合路器比较困难。

多物理耦合特性转换见图4，温度升高会导致电性能恶化和结构变形加大，结构变形会加剧电性能恶化，进一步加剧温度的升高。为设计最优的电路和结构，前期的软件优化采用ANSYS的电磁仿真软件HFSS，热设计仿真软件Steady-State Thermal和固体仿真软件Static Structural。多物理电路仿真流程见图5。

3 仿真优化设计

优化的目标是合路器的最大电场强度远小于Eb。此处取Eb/10=4.56×10-6 V/m。4路合路器的插入损耗在1.2～1.4 GHz频率范围内应小于0.5 dB，合路器的4路输入之间的相位差在±2°以内，盒体及内部最高温度应小于60 ℃。由于温度导致的结构变形小于0.1 mm，质量小于0.5 kg，经过软件优化及仿真，取h=1 mm，H=3 mm。

合路器4路合成一路，接口为SMA形式。为减轻质量，合路器设计为不规则的盒体，其结构见图6，中心导体在合路器的合路端进行匹配设计。

电性能仿真结果见图7。平均输入功率为320 W时4路合路器插入损耗最大（6.2 dB），频率约为1.35 GHz，相位一致性较好。电性能越好，有用信号的转换效率越高，转成热耗越小，温度越低。

合路器的電场强度分布见图8，最大电场强度为3.24×10-5 V/m，远小于4.56×10-6 V/m，位置在合路器的输出端附近。

合路器的带状线金属层的表面热流密度分布见图9，其最大表面热流密度为5.43×10-4 W/m-2。通过表面热流密度对表面的积分可以得到热量为2.82 W。

运用Steady-State Thermal模块对盒体的内导体以及盒体的传热和热辐射进行设置，得到最终稳态的温度分布，见图10。

最高温度在合路器的合路端为58.5 ℃左右，小于最高温度限制60 ℃。温度分布与内导体的流过功率分布一致。

温度变化使合路器内部各部分产生变形和偏移，见图11。最大变形量为9.12×10--2 mm，满足电性能要求。可以通过Static Structural计算不同输入功率和温度时的结构变形，见表1。

对仿真结果进行分析可知：合路器在正常大气压下能承受320 W的平均功率和占空比为10%的3 200 W峰值功率。合路器实物照片见图12。

4 结束语

通过电-热-固耦合一体化仿真，设计优化超大功率合路器，比其他估算方法更精确、更可靠，可以大幅度提高大功率合路器的设计效率。

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（编辑 付宇靓）