L波段隔离-耦合组件原理、结构与仿真设计.docx

1、L波段隔离-耦合组件原理、结构与仿真设计徐昌文'王奇'，李勇I,陈刚2,金明2,唐思源I(1.中电科技德清华莹电子有限公司，浙江德清313200；2.安徽博微长安电子有限公司，安徽六安237000)摘要：介绍了一款L波段隔离器和耦合器组件的原理、结构及仿真设计。通过将高功率带线双结隔离器和定向耦合器进行一体化组合设计实现射频功率隔离，同时通过耦合一路小功率信号实现对发射功率的监测功能。利用HFSS和AWR软件设计优化，实现组件主要技术指标：工作频段L波段，正向损耗a,=0.58dB(室温)，0.60dB(Y085C),平均承受功率>500W.反射功率>300W，峰值

2、功率3.5kW,耦合度40dB。实测结果与仿真分析结果一致，验证了设计方法的可行性。关键词：隔离-耦合组件：L波段：原理：结构；仿真中图分类号：TN627;TN622文献标识码：A文章编号：1001-3830(2021)03-0()35-05DOI:10.19594/ki.09.19701.2021.03.007著录格式：徐昌文，王奇，李勇，等.L波段隔离-耦合组件原理、结构与仿真设计J.磁性材料及器件,2021.52(3):35-39.Principle,structureandsimulationdesignofL-bandisolator-couplerassemblyXUChang-w

3、en',WANGQi1,LIYong)CHENGang2,JINMing2,TANGSi-yuan'/.CETCDeqingHuayingElectronicsCo,Ltd,Deqing313200,China:2.AnhuiBoweiChanganElectronicsCo,Ltd,Luan237000,ChinaAbstract:Theprinciple,structureandsimulationdesignofL-bandisolator-couplerassemblywereintroduced.Bycombinationdesignofahighpowerstrip

4、linedouble-junctionisolatorandacoupler,thefunctionofRFpowerisolation,signalcouplingandstructuresizereductionwererealized.UsingHFSSandAWRsoftwareforoptimization,theassemblywasfinallydevelopedfeaturingworkingbandofL-band.a+<0.58dB(roomtemperature).0.60dB(-40to85C),meanpowerhandling>500W,reflecti

5、onpowcr>300V,peakpower<3.5kW.andcouplingfactorof40dB.Testresultsarcinaccordancewiththesimulation,varilyingthefeasibilityofthisdesignmethod.Keywords:isolator-couplerassembly;L-band;principle;structure;simulation1引言随着雷达通信技术的发展，铁氧体隔离器作为微波射频电路中的重要器件，大功率的工作环境对微波铁氧体环行器/隔离器的使用提出了更高的要求，要求承受更高通过功率，同时承受

6、更大的反射功率。高功率弱耦合定向耦合器通常用来分离出高功率通道中极小一部分能量信号，用于监测发射频率（功率）。为了对发射端输出功率进行反向隔离，同时对发射功率和频率进行监测，我们将大功率隔离器和定向耦合器进行一体化设计，组成一个射频端组件。本文着重在降低器件插入损耗、增加隔离器负载功率容量、一体化耦合器结构设计等方面进行分析与探索，确保器件工作稳定可靠。为尽可能地满足低损耗、高功率的技术要求，本设计选择高场区工作微波铁氧体隔离器，选用易于进行温度补偿的高饱和磁化强度铁氧体材料，同时采用准集中参数方案对内导体进行仿真设计，优选提高耐受功率的设计方案。同时结合整机的设定结构进行一体化结构的耦合器设

7、计，以期实现比较理想的耦合度，实现通过耦合支路对主传输线发射功率的监测。2组件原理铁氧体隔离-耦合组件的工作原理如图1所示，收稿日期：2020-10-12修回日期：2020-11-20通讯作者：徐昌文E-mail:2010588189了端口导体尺寸，进行倒棱、表面抛光处理剔除毛刺及尖角，并通过在中心导体和接地板之间填充橡功放信号从隔离器端以1输入，经过隔离器端以2输出到耦合器的输入端口，再从耦合器输出端口输出到天线发射出去，同时从耦合端口再输出一路耦合信号用于检测。对于隔离器，反射信号如果从端口2输入，将会沿环行方向被端口3的负载电阻吸收，微波信号只能单方向(1一2)传输，从而实现发射机系统内

8、或功放组件内部放大器间去耦作用，达到级间隔离目的。耦合端口输出的信号可以对输出端的天线负载加载以及射频发射信号进行实时检测监控。图1隔离-耦合组件工作原理3隔离器仿真与设计铁氧体隔离器的剖面结构如图2所示，主体结构由中心内导体、旋磁铁氧体基片、永磁体和负载电阻构成。其中，永磁体提供稳定的偏置磁场，而旋磁铁氧体在偏磁场作用卜，利用磁导率为张量的特点实现信号通行的非互易性。图2隔离器剖面结构3.1旋磁铁氧体对应工作在2GHz以卜的功率带线环行器，为减小体积，一般都选择商场区工作2气设工作频率为£则铁氧体圆片的半径为:(I)式中，为常数，通常取为1.51.8；琮14,为铁氧体圆片的相对介电

9、常数；h=c/f为器件的工作波长,c为电磁波在真空中的传播速度；“为磁导率,=S+b)2_lb(P+(7)-I式中p为铁氧体的归一化饱和磁化强度，"为归一化磁场叫p=MW(o(3)ty=H-yla)(4)式中(为角频率，y为旋磁比，Hi为内磁场，Ms为饱和磁化强度。为降低器件的损耗，通常情况1.5V7V2,y取值2.8,选用M=(1.61.8)/4汗MA/m,由(1)式算得圆片直径为22mm,根据阻抗变换并考虑耐功率选择厚度为2mm。3.2电性能与功率隔离器的性能主要由内导体所决定。在功率设计中，圆盘状的内导体有利于提高功率容量，但频带窄且不利于缩小器件体积，故本设计选择一种新图3单

10、结隔离器内导体射频电路首先借助HFSS软件对器件的S参数进行仿真,从而给出内导体尺寸。然后在ANSYS软件中导入Maxwell方程，对静磁场进行仿真，由于考虑了电磁场的非均匀性，器件的实测性能和仿真性能接近致，大大提高了模拟的实用性。对于功率器件，内导体的厚度对功率容量有显著影响，在仿真时分别选择0.8mm>0.6mm、0.5mm、0.40.3mm的厚度进行仿真。结果表明，0.8mm和0.6mm厚度的电气性能达不到设计要求；对0.4mm和0.3mm厚度，虽然电气参数能满足要求，但是耐击穿功率不足。本设计确定内导体的厚度为0.5mm,单结电性能仿真结果如图4所示。通过三维电磁场仿真软件构建

11、大功率激励下环行器的内部电磁场分布模型，评估环行器耐功率情况，结果如图5所示。高场强在50Q端口。在高功率带线隔离器/环行器中，较高的峰值功率使得器件在工作状态时容易出现“打火”现象。本设计适当加大胶，以及在铁氧体圆片周围填充聚四氟乙烯硅介质图4对应内导体厚度为0.5mm的隔离器电特性仿真结果图6平行耦合带状线定向耦合器结构图一个电角度0。定向耦合器主要指标有耦合度、隔离度及方向性等。假设各端口都接50。阻抗，V2巧和Vt为各端口的输出电压，耦合度C、隔离度/、方向性D分别定义为冏：C=201g（Vi/V3）,/=201g（Vi/V4）D=201g（V3/V4）o耦合器可以用四端口网络来分析，

12、用奇偶模分析可分别将其等效为奇偶和偶模的两端口网络以便于定量分析，耦合线奇偶模阻抗分别为Z）。、耦合线奇模和偶模的电角度分别是。°、&，端口1输入电压V,设定为1V,端口2、端口3的输出电压分别为啊：图5功率状态下隔离器内部场分布：（a）电场，（b）磁场圆片等多个途径来提高耐压、抑制打火现象叫从而提高功率容量。为了最大限度地提高单结环行器反向耐受功率，在其一端接300W负载转换为隔离器，并在负载端增加散热器，提高功率容量。由于设计的器件要承受很高的功率（峰值3.5kW）,占空比15%,故采用双结环行器结构，第一结保持原单结器件的功率负载，第二结加300W负载，组合成双结隔离器

13、，大大提高了器件反向耐受功率。4定向耦合器仿真与设计4.1原理和网络分析微波定向耦合器的结构形式多种多样，有波导结构，同轴结构，带状线结构和微带线结构。图6是平行耦合带状线定向耦合器的原理示意图，当端口1有输入信号激励时，直通端口2及耦合端口3有输出，端口4为隔离端无输出，端口3输出方向与端口1相反，相位相同，直通端口2输出相位差1/_二乙.-27Zcos0+j(Z°+Z2)sin。0e0oOe0一Z*/2、刀=2Z7cos。+j(/2+Z2)sin0Oo0o(k>0ZZcosO+jZ2sin。32ZZcos6?+j(Z2+Z2)sin0c0oOc0Z&乙CQS4+jZ

14、jsip。g-2ZZcos。+j(Z"+Z，)sinH=S(k>0o(k>0Z2o=ZZ_sin6>-KZ；bsin6!,(5)(7)ocoo=Zsni9+ZSiiiOco0o对于TEM波，均匀介质中奇模和偶模的相速相等，即0o=0c=0,当0尸&=90。时，耦合度C有最大值，耦合器获得最大耦合输出，耦合线的几何长度取值为中心工作频率的四分之一波长，即输系数S2I、耦合度S3i可简化为&81：/=扁/4,传521=/J1-R2cos9+jsin。_isin。31Jl一炉cos9+jsinO(8)其中，A为电压耦合系数，盾奇模、偶模阻抗有关系:L_Z（

15、）oS9U8W58*90mmTsOSmmR»1N>n«=s$uei,k25S1«53LI-33MSU«2；W1图7定向耦合器电路拓扑奇模、偶模阻抗譬譬野有关系：)Oo0e0局，耦合器电路拓扑图设计如图7所示，主传输线带状线采用前节隔离器内导体的设计厚度0.5mm,由设定耦合度可以求得耦合器的电压耦合系数k,其与耦合度C(dB)的关系：七10-。20。由耦合系数R可以求得奇偶模阻抗，其和终端阻抗有关系：W居'4=4唇(12)微带线耦合线中传输的为准TEM波，由于介质的非均匀性，在弱耦合时，微带线耦合器的方向性会变差。而带状线耦合器可以近似于T

16、EM行波模式，设计中，可以根据设定指标的耦合度C、介质基片厚度8数值和耦合线长度/或0/4等，依据上面一系列公式计算出奇偶模阻抗值，再由其算出耦合器的儿何结构尺寸，即耦合器带状线线宽w、耦合缝隙$等参数【虬4.2电路仿真与设计为了对主传输回路大功率信号耦合出来的一路小信号进行监控测试，需要设计一款弱耦合定向耦合器，主要技术要求为，L波段，耦合度40dB,隔离度大于50dB,组件插损小于0.60dB,电压驻波比小于1.25。现在有很多微波器件设计软件，对集中参数、准集中参数和分布参数电路都能进行比较准确的仿真优化和设计。我们直接采用AWRMicrowaveOffice对平行耦合带状线定向耦合器进

17、行仿真优化和设计，根据与隔离器组合后组件的一体化结构布选用介电常数。尸2.65的聚四氟乙烯材料做介质基片，上下两层总厚度5mm。电参数仿真结果如图8所示，端口3耦合度531超40dB,端口4隔离度S4i超50dB：对应的耦合器结构尺寸为：耦合线平行部分长度"37.5mm,隔离器端耦合主线延长线优化值Ai=33.565mm,隔离器端耦合直通线总长为L+L1=71.065mm,线宽优化值h'i=2.583mm,耦合缝隙优化值5-5.25mm,实际设计时，耦合线直通线两端与双结隔离器的前后两节隔离器设计为一体化导体连接，耦合线直通线总长为L+Li，实际取值71.00mm,耦合线线宽

18、助取值2.58mm,耦合缝隙取值5.25mm,隔离端口4接50Q匹配负载。隔离耦合组件性能实测曲线如图9所示，实测值与设计值吻合较好，通带中心频率1300MHz处组件直通主线插损0.58dB,耦合端口耦合度40.17dB,隔离端口隔离度55.58dB,满足设计要求。5组件结构设计及测试将双结隔离器和平行耦合器组合，为减小组件体积并提高可靠性，采用了一体化多腔结构。同时为了适应已设计定型的整机内部结构，输入端、输出端和两个耦合输出端的布局，以及内部结构布局都进行了针对性的结构设计，一体化外形设计尺寸如图10所示，实物如图11所示。在工艺加工方面,为了使带状线定向耦合器接近理想状态的均匀介质图8耦

19、合器仿真电参数图图9隔离-耦合组件实测性能浸润，在下层介质板中加工出耦合导体尺寸的沟槽，将导体没入下层介质中，当上下两层介质密合时基本没有大面积的空气介质存在。对主传输线导体、耦合线导体采用倒角和去毛刺处理，消除了大功率打火的风险。对研制的组件在相关型号整机上进行了实际安装测试，组件在自然冷却的条件下在L波段频带内，承受峰值功率容信3500W,平均功率500W,并在传输输出端口全反射加持峰值功率，组件温度由25°C增高到75°C,半小时无损坏；耦合端口实时输出耦合信号对发射功率实现了监控测量。T0+85°C的条件下，其他电气参数保持较高的水平，满足了整机系统的发射功率隔离保护和耦合监测要求。通过仿真设计与实际测