基于ANSYS的大功率合路器電熱固耦合優(yōu)化

周和平

摘要：為研制功率為300 W，頻段為1.2～1.4 GHz的大功率合路器，在傳統(tǒng)Wilkinson合路器的基礎(chǔ)上，基于ANSYS多物理場仿真，利用電磁場、熱特性和結(jié)構(gòu)耦合仿真，分析大功率合路器的熱量分布和結(jié)構(gòu)變形情況。對合路器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證在電氣性能不惡化的情況下減少熱量和變形，提高Wilkinson合路器的耐高功率性能。

關(guān)鍵詞：Wilkinson合路器； 多物理場； 熱量分布； 結(jié)構(gòu)變形； 優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TN957.52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：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

在現(xiàn)代雷達(dá)中，固態(tài)功放已經(jīng)全面替代傳統(tǒng)的真空管發(fā)射機(jī)，并依靠其特有的高可靠性和高性能，越來越多地發(fā)揮決定性作用。單路的固態(tài)功放無法滿足雷達(dá)對功率的需求，功率合成技術(shù)是提高雷達(dá)等通信系統(tǒng)輸出功率的有效手段，具有較高的研究價(jià)值。近年來，功率合成技術(shù)向功率更大、頻率更高、合成支路更多、帶寬更寬的方向發(fā)展。

目前，大功率合路器主要采用同軸結(jié)構(gòu)，小功率合路器采用微帶結(jié)構(gòu)。同軸結(jié)構(gòu)雖然功率容量大，但不能很好地集成在小體積、大功率的微波電路中；微帶電路通常較簡單，但其插入損耗大、功率容量小，不能應(yīng)用于大功率的合路器。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)4路大功率空氣介質(zhì)帶狀線Wilkinson合路器，其輸入、輸出特征阻抗為50 Ω，頻段為1.2～1.4 GHz，插入損耗小于6.3 dB，路間相位一致性為±5°。合路器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是功率容量和質(zhì)量，在保證電性指標(biāo)合格的前提下，額定功率應(yīng)大于280 W，質(zhì)量應(yīng)小于0.5 kg。由于功率容量需求越大，功率就越大，熱量就越大，器件的溫度也就越高，因此器件和機(jī)構(gòu)件的變形情況不能忽略。實(shí)現(xiàn)精確評估大功率的影響、設(shè)計(jì)優(yōu)化電路和結(jié)構(gòu)件是設(shè)計(jì)大功率合路器的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，電路設(shè)計(jì)可應(yīng)用的多物理場仿真軟件很少，其中同時(shí)包含電磁、熱和應(yīng)力模擬的更少，因此本文采用ANSYS多物理場仿真軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 合路器原理

Wilkinson合路器原理與Wilkinson功分器原理相似，對于基本的Wilkinson合路器，其輸入/輸出端口特征阻抗為Z0，

兩段輸入分支帶線的電長度均為λg/4。兩路相位相同實(shí)現(xiàn)功率合成的Wilkinson合路器示意見圖1，其輸線模型見圖2。由于傳統(tǒng)的Wilkinson微帶合路器的功率容量較小，因此本文采用空氣帶狀線Wilkinson合路器，帶狀線輸線模型見圖3。

帶狀線的特征阻抗為

式中：εr為介質(zhì)的介電常數(shù)；B為介質(zhì)的厚度；W為帶狀線的寬度；h為帶狀線中心導(dǎo)體的厚度。

2 空氣介質(zhì)合路器的功率容量設(shè)計(jì)

2.1 空氣擊穿現(xiàn)象限制

對于小間隙的均勻場和稍不均勻場，由于間隙擊穿放電的分散性很小，直流、工頻擊穿電壓與50%沖擊擊穿電壓相同。擊穿電壓和擊穿場強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)公式分別為

在直流狀態(tài)下，估算1 cm距離空氣耐壓為45.6 kV，可以計(jì)算擊穿場強(qiáng)Eb=4.56×10-7 V/m。

2.2 熱容量限制

當(dāng)信號(hào)流過金屬表面時(shí)，由于金屬不是理想導(dǎo)體，所以會(huì)產(chǎn)生熱量。在電流較大的情況下，熱量急速聚集，使中心導(dǎo)體和盒體溫度升高。溫度過高導(dǎo)致中心導(dǎo)體變形，致使合路器插入損耗變大，進(jìn)一步增大熱量從而導(dǎo)致合路器失效，因此要保證合路器處于常溫環(huán)境，工作溫度需在60 ℃以下。

在不考慮整體質(zhì)量的前提下，中心導(dǎo)體的厚度h取值越大，空氣高度H越大，功率容量越大，熱容量越小。通過傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)質(zhì)量小、電性能指標(biāo)合格、功率容量滿足要求的合路器比較困難。

多物理耦合特性轉(zhuǎn)換見圖4，溫度升高會(huì)導(dǎo)致電性能惡化和結(jié)構(gòu)變形加大，結(jié)構(gòu)變形會(huì)加劇電性能惡化，進(jìn)一步加劇溫度的升高。為設(shè)計(jì)最優(yōu)的電路和結(jié)構(gòu)，前期的軟件優(yōu)化采用ANSYS的電磁仿真軟件HFSS，熱設(shè)計(jì)仿真軟件Steady-State Thermal和固體仿真軟件Static Structural。多物理電路仿真流程見圖5。

3 仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化的目標(biāo)是合路器的最大電場強(qiáng)度遠(yuǎn)小于Eb。此處取Eb/10=4.56×10-6 V/m。4路合路器的插入損耗在1.2～1.4 GHz頻率范圍內(nèi)應(yīng)小于0.5 dB，合路器的4路輸入之間的相位差在±2°以內(nèi)，盒體及內(nèi)部最高溫度應(yīng)小于60 ℃。由于溫度導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形小于0.1 mm，質(zhì)量小于0.5 kg，經(jīng)過軟件優(yōu)化及仿真，取h=1 mm，H=3 mm。

合路器4路合成一路，接口為SMA形式。為減輕質(zhì)量，合路器設(shè)計(jì)為不規(guī)則的盒體，其結(jié)構(gòu)見圖6，中心導(dǎo)體在合路器的合路端進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。

電性能仿真結(jié)果見圖7。平均輸入功率為320 W時(shí)4路合路器插入損耗最大（6.2 dB），頻率約為1.35 GHz，相位一致性較好。電性能越好，有用信號(hào)的轉(zhuǎn)換效率越高，轉(zhuǎn)成熱耗越小，溫度越低。

合路器的電場強(qiáng)度分布見圖8，最大電場強(qiáng)度為3.24×10-5 V/m，遠(yuǎn)小于4.56×10-6 V/m，位置在合路器的輸出端附近。

合路器的帶狀線金屬層的表面熱流密度分布見圖9，其最大表面熱流密度為5.43×10-4 W/m-2。通過表面熱流密度對表面的積分可以得到熱量為2.82 W。

運(yùn)用Steady-State Thermal模塊對盒體的內(nèi)導(dǎo)體以及盒體的傳熱和熱輻射進(jìn)行設(shè)置，得到最終穩(wěn)態(tài)的溫度分布，見圖10。

最高溫度在合路器的合路端為58.5 ℃左右，小于最高溫度限制60 ℃。溫度分布與內(nèi)導(dǎo)體的流過功率分布一致。

溫度變化使合路器內(nèi)部各部分產(chǎn)生變形和偏移，見圖11。最大變形量為9.12×10--2 mm，滿足電性能要求。可以通過Static Structural計(jì)算不同輸入功率和溫度時(shí)的結(jié)構(gòu)變形，見表1。

對仿真結(jié)果進(jìn)行分析可知：合路器在正常大氣壓下能承受320 W的平均功率和占空比為10%的3 200 W峰值功率。合路器實(shí)物照片見圖12。

4 結(jié)束語

通過電-熱-固耦合一體化仿真，設(shè)計(jì)優(yōu)化超大功率合路器，比其他估算方法更精確、更可靠，可以大幅度提高大功率合路器的設(shè)計(jì)效率。

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（編輯 付宇靚）