空氣板線合成器腔體諧振抑制方法研究

王洪李，湯袁亮

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

在雷達固態發射機的設計中，為了得到較高的輸出功率，經常需要用到大功率合成器，其通常采用同軸線、空氣板線、波導等結構。空氣板線結構的合成器的腔體能夠屏蔽外部電磁場對合成器電性能的影響，還能起到機械保護、環境保護和電性能的作用，但也可能引起諧振效應，惡化合成器的電性能。文獻[1]比較詳細地介紹了微帶電路的屏蔽盒引起諧振時對電性能造成影響的機理及屏蔽盒尺寸的設計原則。文獻[2]對微帶電路的屏蔽盒中設置隔墻結構對電磁波傳輸的影響作了研究。文獻[3]研究了雙極化開槽天線陣列駐波畸點形成的原因和消除駐波畸點的方法。本文對腔體諧振機理和現有抑制方法進行分析，提出空氣板線合成器腔體諧振的抑制方法，仿真分析了該方法對空氣板線合成器電性能的影響，并給出設計原則和實例驗證結果。

1 腔體諧振機理及常規抑制方法分析

在理想的無耗諧振腔內，任何電磁擾動一旦發生就永不停歇。當擾動頻率恰使腔內的平均電能和平均磁能相等時便發生諧振。這個頻率即為諧振頻率。對于常見的矩形金屬屏蔽盒，可以將其看作兩端短路的波導，腔內的電磁場可以認為是波在腔壁上來回反射而形成的駐波場。當腔長等于某種模式的二分之一波導波長整數倍時，該模式發生諧振，稱為諧振模[4]。

當腔體發生諧振時，內部電路的電性能會受到明顯的影響。這是因為矩形金屬腔體本身也是一種傳輸線。當金屬腔體中按波導模式傳輸的波與內部電路傳輸的波的相速相同時，則會發生耦合，從而使傳輸線不再處于原來的工作模式，工作狀態被破壞。

根據腔體諧振產生的機理，通常采用下列3種抑制方法：

(1) 增大或減小腔體的有效尺寸，使諧振頻率偏離工作頻帶。該方法受限于空間和質量的限制。

(2) 在腔體內部加入吸波材料，將內部電路輻射的電磁波吸收掉，但會增加合成器的傳輸損耗。

(3) 在金屬腔體上設計具有高阻抗特性的電磁帶隙(EBG)結構。該結構在特定的頻帶內可使向傳輸線兩側傳輸的電磁波被抑制，從而避免在帶內出現腔體諧振效應。但是，該方法適用于工作頻率較高的封裝結構。

2 空氣板線合成器的隔離墻抑制諧振方法

根據腔體諧振的機理和常規抑制方法的分析，抑制空氣板線合成器腔體諧振比較有效的方法就是沿著板線兩側加隔離墻，使空氣板線結構逐漸向矩形同軸線結構變化。如圖1所示，在板線兩側加隔離墻后就將板線周圍的電磁場完全封閉在了隔離墻之間，大大壓縮了諧振腔的有效尺寸，提高了諧振頻率。

隔離墻不僅可以起到抑制腔體諧振的作用，同時還可以屏蔽兩條板線之間的相互耦合。當合成器的輸入端口靠的比較近時，需要隔離墻將板線隔開。因此，隔離墻有利于合成器的小型化。此外，隔離墻還可以起到結構支撐的作用，提高結構強度，因此有時也稱隔離墻為加強筋。

2.1 隔離墻對板線特性阻抗的影響

隔離墻逐漸靠近板線會影響其周圍電磁場的分布，導致板線的特性阻抗發生變化。當b/a≤0.5時，板線的特性阻抗可以利用厚度不為零的帶狀線的特性阻抗計算公式獲得；當b/a>0.5時，板線的特性阻抗可以用矩形同軸線的特性阻抗近似計算公式獲得[5]：

Z0=1/Cv

其中，C是矩形同軸線單位長度的近似分布電容，單位F/m；v是電磁波在自由空間中的傳播速度，單位m/s。

通過矩形同軸線特性阻抗公式、軟件仿真和查表[6]這3種方法得到的板線特性阻抗Z0如圖2所示。在h較大時，板線更接近帶狀線，所以用矩形同軸線公式計算的阻抗相比其他方法得到的阻抗偏小，此時電容近似值偏大。隨著h逐漸減小，電容近似值更加準確，3種方法計算的結果逐漸接近。隨著h的減小，Z0逐漸減小。當h小于9.25 mm(b/a=0.5)時，板線的特性阻抗開始快速下降。因此，隔離墻結構與板線的距離不能小于9.25 mm，以免影響板線特性阻抗，導致幅度分配不平衡。圖1中的其他尺寸為調試的S波段合成器的實際尺寸，具體為2b=8d=0.16λ0，2c=0.135λ0，λ0為波導波長。

2.2 隔離墻對板線功率容量的影響

空氣板線合成器的功率容量主要受空氣的擊穿電場強度制約。隔離墻結構會影響板線周圍電場強度的最大值Emax。利用軟件仿真(如圖2所示)，在b/a≤0.5時Emax基本不變，在b/a>0.5時Emax開始變大。不過，Emax仍維持在相同數量級上。所以，當b/a>0.5時，板線仍可承受峰值為幾百千瓦的輸入功率。利用電磁計算軟件對圖3所示的合成器進行仿真。在輸入峰值功率為20 kW的情況下，Emax=2.67×105V/m，在合成端口處的矩形同軸線棱角上，此時b/a>0.5，且h=0.02λ0。 另外， 對圖3所示的合成器進行大功率實驗，在輸入信號為峰值功率20 kW、平均功率2 kW的情況下，合成器未發生打火現象。綜上所述，隔離墻對板線的功率容量沒有太大影響。

2.3 隔離墻對傳輸線傳輸模式的影響

對于空氣板線結構，板線的寬度2c和腔體的高度2b均小于λmin/2即可滿足TEM主模傳輸的條件。而當隔離墻靠近板線形成矩形同軸線結構時，第一階高次模可能是TE10模或TE01模，當b/a=0.8時，即2b=0.16λ0，2a=0.2λ0，2c=0.135λ0，2d=0.064λ0，2g=0.12λ0時，查圖1[7]可得第一階高次模為TE01模，λc/2a=2.8，截止波長λc=0.56λ0，截止頻率fc=5.36 GHz。因此，當b/a≤0.8時，S波段合成器仍可實現主模傳輸。

2.4 隔離墻的設計原則

調試時，要求隔離墻高度為2b，沿著板線兩側等間距放置，且與板線的距離保持a≥2b。

值得注意的是，要保證隔離墻與蓋板之間良好的電接觸。為此，隔離墻與蓋板之間要通過均勻緊密排列的螺釘固定連接，避免出現縫隙，同時在隔離墻上表面距邊沿0.5 mm處開適當尺寸的槽以放入直徑2 mm左右的導電膠繩。這樣既能保證隔離墻與蓋板之間的電連接，又能起到一定的密封作用。

3 調試實例

為了驗證該方法的有效性，對圖3所示結構的S波段合成器進行了調試。

加工一些適當尺寸的金屬塊，尖角位置倒圓角，通過螺釘將其固定在腔體底板上，使諧振現象消失。圖3中黑色的區域即代表調試后加入的金屬塊。

如圖4和圖5所示，調試后，消除了駐波和傳輸系數曲線的畸點，電性指標有明顯改善。圖4所示是合成端口0的駐波曲線，此時輸入端口1～8均接同軸匹配負載。圖5所示是合成端口0到輸入端口1的傳輸系數曲線，此時其余輸入端口2～8均接同軸匹配負載。

4 結束語

針對空氣板線合成器腔體諧振引起工作頻帶內駐波和傳輸系數曲線出現若干畸點的問題，本文在分析了腔體諧振機理和現有抑制方法的基礎上，提出了在板線兩側加隔離墻的調試方法。利用電磁場仿真軟件詳細分析了該方法對空氣板線合成器電性能的影響，并給出了隔離墻的設計原則。最后通過對實物的調試，驗證了該方法的有效性。

參考文獻：

[1] 清華大學編寫組.微帶電路[M].北京：人民郵電出版社，1976：227-229.

[2] 殷曉星，俞翔，孫忠良.微帶腔體中隔墻結構對電磁波傳輸的影響研究[C]//全國電磁兼容學術會議.北京：人民郵電出版社，2008：143-148.

[3] 王中杰，任波，何炳發.雙極化開槽天線陣列駐波畸點的研究[C]//全國微波毫米波會議論文集.北京：電子工業出版社，2007：538-540.

[4] David M Pozar.微波工程[M]. 張肇儀，周樂柱，吳德明,等譯.1版.北京:電子工業出版社，2006：238-242.

[5] 林為干.微波理論與技術[M].北京：科學出版社，1979:367-387.

[6] 甘本祓.微波傳輸線設計手冊[M].北京：人民郵電出版社，1981:34-41.

[7] L Gruner.High Order Modes in Rectangu-larCoa-xial Waveguides [J]. IEEE Trans.on MTT, 1967(8):483-485.