对称加载铁氧体波导差相移式高功率环行器的设计 |
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对称加载铁氧体波导差相移式高功率环行器的设计周雁翎 王小陆 钱 林 胡善祥（华东电子工程研究所，合肥 230031）
摘 要：提出了一种对称加载铁氧体波导差相移式四端环行器，利用HFSS软件的仿真分析和高功率实验研究的方法对该环行器进行了仿真设计和优化，并验证了预期的高功率设计指标。给出了仿真分析结果和实验数据，分析了波导中对称加载铁氧体样品对波导中电磁场分布的影响，并就该环行器的高功率设计考虑作了讨论。
关键词：环行器， 铁氧体， 高功率， 有限元
Design of High Power Waveguide Differential Phaseshift Circulator Symmetrically Loaded Ferrite Samples
Zhou Yanling, Wang Xiaolu, Qian Lin, Hu Shanxiang
（East China Research Institute of Electronic Engineering, Hefei 230031）
Abstract: A 4-port waveguide differential phaseshift circulator symmetrically loaded with ferrite samples is introduced The circulator is designed and optimized by using HFSS software and highpowerexperiment study The expected high power performances for the circulator are verified The results of the HFSS analysis and experiment are given The effects on electromagnetic field distributions in the waveguide due to ferrite samples symmetrically loaded are analyzed In addition, several problems about high power design are discussed
Key words: Circulator, Ferrite, Highpower, Finite element
引言
四端口差相移式环行器由于其功率容量大，插入损耗小、工作频率范围宽的特点，在雷达收发系统中应用非常普遍，除用作收发开关外，还常常在高功率微波系统中起级间隔离作用。
虽然有关差相移式环行器的理论分析和设计的文章很多［1，2］，但大多是基于低功率状态的设计，某些针对大功率的设计也主要是从铁氧体材料特性方面分析［3］，对于大功率特别是兆瓦级以上的超大功率差相移式环行器的结构设计和理论研究很少见到相关文献报道。与常规采用的四条铁氧体非对称加载的形式不同，出于功率容量和工艺实现方法考虑，本文提出了采用八条铁氧体样品对称加载的波导差相移器的设计方案，利用HFSS软件对对称加载铁氧体样品的波导环行器进行了仿真和优化设计，给出了相关仿真结果，并据此设计和制作了高功率波导环行器。最后从实用角度出发，对该环行器高功率设计及其工艺实现方面的相关考虑作了讨论，给出了实验结果。在S波段，采用BJ-26型波导，环行器能同时满足大功率和宽频带的要求，承受1.6MW的峰值功率，在流量为5l/min水冷却的条件下，能承受16kW的平均功率，高功率状态下插入损耗不超过0.3dB。在小功率时环行器指标为：正向损耗≤0.23dB，反向隔离度≥25dB，输入驻波比≤1.11，频带宽度16.7%。1 高功率环行器的仿真设计
四端口差相移式环行器为一种组合式结构，通常由3dB电桥、折叠双T和非互易铁氧体差相移器所组成。利用铁氧体的非互易特性，通过设计具有90°差相移的相移器，再结合3dB电桥和折叠双T的固有幅相特性，可实现微波信号①→②→③→④→①端口的环行传输，而反向却是隔离的。图1是四端口差相移式波导环行器的基本构成图。
在这种四端口差相移式波导环行器中，3dB电桥和折叠双T设计技术已相当成熟，采用高频结构仿真（HFSS）软件进行仿真和优化可获得很好的设计精度，为使其具有尽可能高的功率容量3dB电桥、折叠双T设计中宜采用容性匹配，对其具体的分析和仿真过程不作详述。根据统计，在高功率应用中，大多数差相移式波导环行器的击穿和烧毁都发生于铁氧体相移器，因此对于高功率设计而言，相移器的设计非常关键，这种设计包括选用的方案、工艺实现的方法等。通过对相移器铁氧体样品加载方式的选择及仿真优化，对环行器功率容量的提高非常有效。下面利用HFSS软件对非互易铁氧体差相移器进行仿真和优化。
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常见的非互易铁氧体差相移器几乎都采用如图2（a）所示的四条铁氧体样品加载的结构，但这种不对称加载铁氧体样品的结构会导致波导中场的分布不对称，且在局部过于集中，这对于极高功率容量的设计而言不是最好的方案选择。
为了获得兆瓦级的极高功率容量，我们设计了如图2（b）所示的八条铁氧体样品对称加载的相移器，与图2（a）相比，该结构的好处是：波导内场的分布更均匀对称，相同长度的相移器其样品可以更薄，与波导接触面积更大，从而对场的扰动较小，散热更好，平均功率容量更大。通过仿真还可看到后者在铁氧体处的场强比前者要弱，因而其峰值功率容量更大。
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HFSS软件是一种利用电磁场三维有限元方法的高频结构仿真软件，对于部分铁氧体样品填充的波导相移器，采用商用的HFSS仿真软件可以很方便、快捷地进行仿真分析和优化，且可获得较精确的设计结果。
图3、图4分别是对应于图2（b）（由于其对称性，只计算了图2（b）的一半）计算得到的驻波比和相移曲线。
图5（a）和图5（b）分别是图2（a）和图2（b）经仿真后得到的波幅点处波导截面上、下两块铁氧体之间的电场分布图。假定从波导口馈入的微波功率为1W，图中横坐标表示波导高度，即波导窄边的尺寸，单位为mm；纵坐标表示电场强度，单位为V/m。从图5中可以看出，图2（b）对称加载八条铁氧体样品的结构比图2（a）非对称加载四条铁氧体结构铁氧体样品中的场强要弱，大约只有后者的83%。
对图5的电场进行积分可得到波幅点上、下铁氧体之间的电压分别为20.7V和24.9V，由此可计算出其耐功率容量之比为1.45倍。图6（a）和图6（b）分别是图2（a）和图2（b）结构经仿真得到的波幅点处波导截面的电场分布图。通过比较可见，对称加载铁氧体样品结构的相移器比非对称加载铁氧体样品结构的相移器场分布更均匀，减少了场在局部的集中，因而可以承受更大的功率容量。2 高功率设计考虑及实验研究
根据上述仿真和优化，我们设计并制作了一个差相移式波导环行器，该环行器采用水冷却方式，波导口径为BJ26，经测试，环行器低功率损耗不大于0.23dB，隔离度不小于25dB，驻波比不大于1.11。环行器在低功率状态下的主要性能指标分别如图7-9所示，其中图7是环行器的正向插入损耗曲线，图8是环行器的反向隔离曲线，图9是环行器的输入端口驻波比曲线。
本环行器的设计重点是要使其具有极高的功率容量。目前对于高功率特别是兆瓦级的极高功率设计困难较大：缺乏有效的高功率理论分析或设计方法，也很少有可借鉴的设计先例。
通常，为改进铁氧体差相移器的高功率性能，其结构设计、铁氧体材料和差相移器工作点的选取应遵循以下原则：
（1）采用对称加载铁氧体样品的结构，使波导内部场分布更均匀，尽量减少场在局部的集中。
（2）提高铁氧体材料的自旋波线宽ΔHk，并降低其有效线宽ΔHeff。
因为器件峰值功率容量与铁氧体材料参数关系极大，根据高功率优值F的定义：
式中ΔHk、ΔHeff分别为铁氧体样品的自旋波线宽和有效线宽，hc为产生非线性效应的临界磁场，ω0工作角频率，Ms为材料的饱和磁矩，γ是旋磁比。由式（1）可知，ΔHk的提高和ΔHeff的降低会明显地提高器件峰值功率容量。虽然减小Ms也可提高器件的峰值功率容量，但Ms的减小会影响器件单位长度的差相移和工作频带，因此这种方法并不可取。通常是选择较大ΔHk和较小ΔHeff的材料。但这样选取材料，往往造成器件在低功率状态时损耗偏大。因此这也并非最好的方法。
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（3）器件峰值功率容量与器件工作磁场H0有关［5］。
在高功率状态下，铁氧体中会激起低于主谐振峰的附加谐振峰，附加谐振峰的出现，会导致非线性损耗的增加，这是由于材料中一致进动模与自旋波模相互耦合的结果。为了避免非线性损耗，第二种方法是通过合理选择外加偏置磁场H0，使得铁氧体在主谐振峰和附加谐振峰之间磁化工作。
外磁场H0可按下式选取［5］：
H0(0,0)=ωor/2γ+Nz·Ms，是附加谐振峰高端边缘处的磁场。
是主谐振峰低端边缘处的磁场。
ωor是共振频率，由Kittle方程决定，Nz是Z方向的退磁系数，ΔH是共振线宽，n为常数，对于铁氧体材料，一般取12。
为获得更好的平均功率容量，铁氧体差相移器的设计还必须具有：
（1）低的插入损耗和良好的匹配性能
环行器的耗散功率密度Pd与输入功率密度P0、插入损耗α及负载的反射系数Γ之间有如下关系［1］：
由此式可知，降低环行器的插入损耗α能显著地降低Pd，从而提高器件的平均功率容量。
（2）对铁氧体材料性能及铁氧体样品形状进行优化设计
器件耗散的微波功率转化成热能，温度必然会升高，且有［6］：
式（4）中ΔT为铁氧体的温升，σ为铁氧体的导热系数，S为铁氧体的散热面积，t为铁氧体的厚度。可以看出，在设计中应选取损耗小的材料，并尽量使用面积大、厚度薄的铁氧体样品，采用对称加载铁氧体样品的设计，在不增加器件的体积和重量的前提下，可有效地增加铁氧体样品的散热面积。我们设计的对称加载散热面积是非对称加载的1.39倍。我们使用的微波铁氧体材料为YGd柘榴石材料。在高功率铁氧体器件的选材中还必须注意到材料的温度稳定性，这一点非常重要，否则在高功率状态下易造成器件性能随着温度升高而出现恶性循环，材料配方中加入Gd即是起温度稳定性作用的。
（3） 良好的热传导设计
铁氧体与波导之间的连接方式直接关系到散热效果，从而影响平均功率容量。我们在实验过程中分别采用焊接、导电金属胶接以及有机胶接三种方法进行实验，实验结果证明采用焊接方法最能有效地改善散热性能，提高平均功率容量。
该环行器在S波段能承受1.6MW的峰值功率，在流量为5l/min水冷却的条件下，能承受16kW的平均功率，在高功率状态下，环行器的插入损耗不超过0.3dB，且环行器能长期正常、稳定工作。为了进行对比分析，我们并设计制作了四条铁氧体样品非对称加载的环行器并进行了高功率实验，其低功率测试性能与对称加载铁氧体样品的环行器性能基本类似，在进行高功率实验时达到1.2MW的峰值功率和12kW的平均功率。但当外界条件发生改变时，例如微波功率源输出存在杂波或谐波时，就会发生打火、铁氧体样品裂开、烧坏等现象。3 结论
本文对一种对称加载铁氧体样品的差相移式环行器进行了设计分析和实验，通过仿真分析和高功率实验研究可以发现：采用八条铁氧体样品对称加载比采用四条铁氧体样品非对称加载的环行器结构波导内部场的分布更加均匀，匹配效果更好，样品的散热面积更大，因而能承受更高的功率容量。环行器设计合理，理论与实验吻合较好，高、低功率状态下的损耗很小（小于0.3dB）。本文采用的对称加载铁氧体样品的设计思想在高功率设计上是有效的，而且具有实际应用价值。
参考文献
〔1〕蒋仁培，陈清河，佘显烨 微波铁氧体工程原理 雷达资料编译组，1975
〔2〕蒋仁培，魏克珠 微波铁氧体理论与技术 科学出版社，1984
〔3〕HeLszajn J， WaLker P N Operation of High Power Differential Phase Shift Circulators at Direct Magnetic Field Between Subsidiary and Main Resonances IEEE MTT，1978，26（9）：653～658
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