W波段机电波导开关的设计

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(中国电子科技集团公司第四十一研究所，青岛，266555)

1 引言

W波段，因其频率处于毫米波大气窗口之中且同时兼有微波和红外的优点，如：绝对频带宽、波长短、波束窄等，是一段非常重要的电磁波波谱，在高分辨率雷达、高精度定位与制导以及高速通信等领域有着巨大的应用前景[1,2]，因此，对该频段的各种微波系统的研究引起了国内外的广泛关注。随着技术发展，W波段的应用日趋成熟，微波系统的功能日益强大、通道数目不断增加。为使信号在不同通道间转换，不可避免的需要使用微波开关。然而，在低频系统中最常用的同轴微波开关受自身结构特点和当下加工精度的限制尚无法应用到W波段。工作于W波段的PIN波导开关虽然已有报道[3]，但功率容量小、工作频带窄无法满足大功率、宽频带微波系统的需求，且PIN波导开关还存在插入损大、隔离度低、电压驻波比差的缺点。波导开关是微波电子设备中的常用器件，与其它微波开关相比机电微波波导开关具有电压驻波比低、插入损耗小、功率容量大的特点，在低频段已广泛应用于雷达、电子对抗等系统中[4,5]。为满足未来微波系统对W波段大功率容量、宽频带、高性能微波开关的需要，有必要开展该频段机电波导开关的研制。

2 工作原理

本文研制的是一种双刀双掷波导开关，在结构上由控制电路、有限转角电机、传动系统和微波系统四个部分构成，如图1所示。波导开关的微波系统包括微波转子和微波定子两个部分，微波定子具有4个波导窗，波导窗均匀分布在定子的四周；微波转子内部包含2条相背的90°弧形微波通道。波导开关的工作原理是：电路控制系统施加电信号，有限转角电机产生旋转力矩并带动微波转子在0°和90°两个位置间往复切换，实现不同波导窗之间的连接和切换，如图2所示。

图1 波导开关基本结构

图2 波导开关微波系统截面图

3 微波参数设计

3.1 设计目标

本产品微波参数具体设计目标如表1所示。从表1中可以看到产品具有宽频带、低驻波、小插损、高隔离的特点。

表1 微波系统设计目标

3.2 电压驻波比设计

在不考虑微波转子与微波定子间的断开间隙时，波导开关的微波通道由两端直波导和一段具有相同截面尺寸的90°弧形波导组成，其电压驻波比随弯曲波导半径的增加而变小，并可用等效电路理论进行定量计算[6]。用该理论计算得到的90°BJ900弧形波导的电压驻波比随其弯曲半径r的变化情况如图3所示。从图中可知，当弯曲半径r≥3mm时，直波导和弧形波导间可实现良好的匹配，但考虑加工制造的可行性，对于本产品选择r =5mm,此时最大电压驻波比为1.02，满足电压驻波比≤1.15的要求。

图3 弧形波导端口电压驻波比随弯曲半径的变化

3.3 插入损耗、隔离度设计

本文研制的波导开关是一种旋转式机电开关，依靠微波转子在微波定子中旋转实现微波通道的转换。为保证开关转换灵活性，微波定子和转子之间存在一定的间隙，下文我们称之为微波通道断开间隙。微波通道断开间隙形成一个封闭的环形微波信号泄漏通道。微波信号泄漏通道可以看作与波导开关微波通道并联的谐振腔，当传输信号与谐振腔的谐振频率一致时，将出现如图4所示的谐振现象，图中可以看到，在谐振频点附近波导开关的微波性能将急剧恶化。因此，为在更宽的频率范围内实现对微波信号的高质量传输，必须阻止信号的泄漏。

图4 无扼流槽时，波导开关微波参数仿真结果

为了消除谐振现象，减小插入损耗，提高隔离度，最有效的方法就是使直波导和弯曲波导的断开处实现电气接触，减小电磁波的泄漏。对于低频开关通常做法是在微波转子上设置竖向扼流槽[6]，可得到较为理想的效果。但对于W波段波导开关，频率高、波长段，仅采用加载竖向扼流槽的方式，阻止信号泄漏的效果不理想。为提高扼流效果，采用同时加载环形扼流槽和竖向扼流槽的方式。在微波通道断开处设置了环形扼流槽，实现电气接触；在微波转子的圆柱面上增加多个竖向扼流槽，进一步提高隔离度。

在考虑微波通道断开间隙和扼流槽后，波导开关微波信号传输通道变得更加复杂，其微波性能无法利用解析方式进行准确计算。为此，用HFSS软件对波导开关的微波系统进行建模仿真优化。优化完成后，波导开关微波系统的仿真结果如图5所示，在75GHz～110GHz频率范围内，电压驻波比小于1.02，插入损耗小于0.06dB,隔离度大于85dB，仿真结果达到设计目标要求，并有较大裕量。

图5 优化后，波导开关微波参数仿真结果

3.4 容差分析

容差分析的目的在于分析产品性能指标对结构参数的敏感性，寻找结构上的敏感参数和可接受的极限偏差，为产品公差配合设计提供支撑。

在实际生产时，微波通道断开间隙dr的大小、波导口错位程度、扼流槽深度受到零件加工误差和装配误差的影响，且波导开关的微波性能对其比较敏感，所以为更好的指导生产有必要对以上参数进行容差分析。在分析波导口错位时，波导口窄边的错位量用db表示，宽边的错位量用dΦ(微波转子偏离理想位置的角度)表示，扼流槽深度用dh表示。

波导开关微波性能随微波通道断开间隙dr的变化情况图6所示。从图中可以看到，在0～0.05mm的范围内，dr的变化对插入损耗的影响较小。高频端电压驻波比随dr的增大而恶化，但处于可接受的范围内。隔离度随着dr的增大迅速减小，根据以往研制经验，为实现≥70dB的隔离度指标应dr≤0.03mm。

图6 dr对微波性能的影响

波导口窄边错位对波导开关微波性能的影响情况如图7所示。从图中可以看到，在0～0.06mm的范围内，低频端的插入损耗随db增加而增大；在整个频率范围内电压驻波比和隔离度随db增加迅速恶化。为实现低驻波、高隔离指标db≤0.04mm。

图7 db对微波性能的影响

波导口宽边错位对波导开关微波性能的影响情况如图8所示，从图中可以看到，当dΦ在0deg～0.2deg的范围内变化时，对电压驻波比的影响较小。低频端插入损耗随dΦ的增加而增大，且低频端隔离度随dΦ的增加迅速恶化，为实现隔离度指标dΦ应≤0.2deg。

图8 dΦ对微波性能的影响

扼流槽深度dh对波导开关微波性能的影响情况如图9所示，从图中可以看到，当dh在0.75mm～0.85mm的范围内变化时，电压驻波比和插入损耗的影响很小，对隔离度的影响虽然比较明显，但仍处于可接受的范围内。故，扼流槽的深度范围为：0.75mm～0.85mm。

图9 dh对微波性能的影响

由容差分析结果表明，在微波系统结构设计时，断开间隙dr≤0.03mm、波导口窄边错位db≤0.04mm、波导口宽边错位dΦ应≤0.2deg、扼流槽深度应控制在：0.75mm～0.85mm。

4 实测结果

根据容差分析结果，为保证开关转动灵活并实现微波性能指标，在本产品的生产时将微波通道断开间隙dr控制在0.015mm～0.03mm的范围内，波导口窄边错位db控制在0mm～0.04mm的范围内，波导口宽边错位dΦ控制0deg～0.2deg的范围内，扼流槽深度dh控制在0.75mm～0.85mm范围内。产品照片和具体实测曲线如图10所示。由图可知，在75GHz～110GHz的频率范围内，波导开关的电压驻波比<1.08，插入损耗<0.35，隔离度>76dB，完全达到设计目标。

图10 产品测试结果和照片

5 结论

文章设计了一款工作于W波段的机电波导开关，用HFSS软件分析了微波通道断开间隙、波导口错位、扼流槽深度对波导开关微波性能的影响，在此基础上完成了产品的加工制造和实测。测试结果表明，在75GHz～110GHz的频率范围内，产品电压驻波比小于1.08，插入损耗小于0.35dB，隔离度大于76dB，均达到设计目标。产品电压驻波比指标和隔离度指标优于SMI公司的同系列产品，SMI公司产品的电压驻波比指标为≤1.2，插入损耗指标为≤0.4dB,隔离度指标为≥50dB。