W波段機(jī)電波導(dǎo)開關(guān)的設(shè)計(jì)

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(中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，青島，266555)

1 引言

W波段，因其頻率處于毫米波大氣窗口之中且同時(shí)兼有微波和紅外的優(yōu)點(diǎn)，如：絕對(duì)頻帶寬、波長短、波束窄等，是一段非常重要的電磁波波譜，在高分辨率雷達(dá)、高精度定位與制導(dǎo)以及高速通信等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景[1,2]，因此，對(duì)該頻段的各種微波系統(tǒng)的研究引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。隨著技術(shù)發(fā)展，W波段的應(yīng)用日趨成熟，微波系統(tǒng)的功能日益強(qiáng)大、通道數(shù)目不斷增加。為使信號(hào)在不同通道間轉(zhuǎn)換，不可避免的需要使用微波開關(guān)。然而，在低頻系統(tǒng)中最常用的同軸微波開關(guān)受自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和當(dāng)下加工精度的限制尚無法應(yīng)用到W波段。工作于W波段的PIN波導(dǎo)開關(guān)雖然已有報(bào)道[3]，但功率容量小、工作頻帶窄無法滿足大功率、寬頻帶微波系統(tǒng)的需求，且PIN波導(dǎo)開關(guān)還存在插入損大、隔離度低、電壓駐波比差的缺點(diǎn)。波導(dǎo)開關(guān)是微波電子設(shè)備中的常用器件，與其它微波開關(guān)相比機(jī)電微波波導(dǎo)開關(guān)具有電壓駐波比低、插入損耗小、功率容量大的特點(diǎn)，在低頻段已廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、電子對(duì)抗等系統(tǒng)中[4,5]。為滿足未來微波系統(tǒng)對(duì)W波段大功率容量、寬頻帶、高性能微波開關(guān)的需要，有必要開展該頻段機(jī)電波導(dǎo)開關(guān)的研制。

2 工作原理

本文研制的是一種雙刀雙擲波導(dǎo)開關(guān)，在結(jié)構(gòu)上由控制電路、有限轉(zhuǎn)角電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和微波系統(tǒng)四個(gè)部分構(gòu)成，如圖1所示。波導(dǎo)開關(guān)的微波系統(tǒng)包括微波轉(zhuǎn)子和微波定子兩個(gè)部分，微波定子具有4個(gè)波導(dǎo)窗，波導(dǎo)窗均勻分布在定子的四周；微波轉(zhuǎn)子內(nèi)部包含2條相背的90°弧形微波通道。波導(dǎo)開關(guān)的工作原理是：電路控制系統(tǒng)施加電信號(hào)，有限轉(zhuǎn)角電機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩并帶動(dòng)微波轉(zhuǎn)子在0°和90°兩個(gè)位置間往復(fù)切換，實(shí)現(xiàn)不同波導(dǎo)窗之間的連接和切換，如圖2所示。

圖1 波導(dǎo)開關(guān)基本結(jié)構(gòu)

圖2 波導(dǎo)開關(guān)微波系統(tǒng)截面圖

3 微波參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本產(chǎn)品微波參數(shù)具體設(shè)計(jì)目標(biāo)如表1所示。從表1中可以看到產(chǎn)品具有寬頻帶、低駐波、小插損、高隔離的特點(diǎn)。

表1 微波系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

3.2 電壓駐波比設(shè)計(jì)

在不考慮微波轉(zhuǎn)子與微波定子間的斷開間隙時(shí)，波導(dǎo)開關(guān)的微波通道由兩端直波導(dǎo)和一段具有相同截面尺寸的90°弧形波導(dǎo)組成，其電壓駐波比隨彎曲波導(dǎo)半徑的增加而變小，并可用等效電路理論進(jìn)行定量計(jì)算[6]。用該理論計(jì)算得到的90°BJ900弧形波導(dǎo)的電壓駐波比隨其彎曲半徑r的變化情況如圖3所示。從圖中可知，當(dāng)彎曲半徑r≥3mm時(shí)，直波導(dǎo)和弧形波導(dǎo)間可實(shí)現(xiàn)良好的匹配，但考慮加工制造的可行性，對(duì)于本產(chǎn)品選擇r =5mm,此時(shí)最大電壓駐波比為1.02，滿足電壓駐波比≤1.15的要求。

圖3 弧形波導(dǎo)端口電壓駐波比隨彎曲半徑的變化

3.3 插入損耗、隔離度設(shè)計(jì)

本文研制的波導(dǎo)開關(guān)是一種旋轉(zhuǎn)式機(jī)電開關(guān)，依靠微波轉(zhuǎn)子在微波定子中旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)微波通道的轉(zhuǎn)換。為保證開關(guān)轉(zhuǎn)換靈活性，微波定子和轉(zhuǎn)子之間存在一定的間隙，下文我們稱之為微波通道斷開間隙。微波通道斷開間隙形成一個(gè)封閉的環(huán)形微波信號(hào)泄漏通道。微波信號(hào)泄漏通道可以看作與波導(dǎo)開關(guān)微波通道并聯(lián)的諧振腔，當(dāng)傳輸信號(hào)與諧振腔的諧振頻率一致時(shí)，將出現(xiàn)如圖4所示的諧振現(xiàn)象，圖中可以看到，在諧振頻點(diǎn)附近波導(dǎo)開關(guān)的微波性能將急劇惡化。因此，為在更寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)微波信號(hào)的高質(zhì)量傳輸，必須阻止信號(hào)的泄漏。

圖4 無扼流槽時(shí)，波導(dǎo)開關(guān)微波參數(shù)仿真結(jié)果

為了消除諧振現(xiàn)象，減小插入損耗，提高隔離度，最有效的方法就是使直波導(dǎo)和彎曲波導(dǎo)的斷開處實(shí)現(xiàn)電氣接觸，減小電磁波的泄漏。對(duì)于低頻開關(guān)通常做法是在微波轉(zhuǎn)子上設(shè)置豎向扼流槽[6]，可得到較為理想的效果。但對(duì)于W波段波導(dǎo)開關(guān)，頻率高、波長段，僅采用加載豎向扼流槽的方式，阻止信號(hào)泄漏的效果不理想。為提高扼流效果，采用同時(shí)加載環(huán)形扼流槽和豎向扼流槽的方式。在微波通道斷開處設(shè)置了環(huán)形扼流槽，實(shí)現(xiàn)電氣接觸；在微波轉(zhuǎn)子的圓柱面上增加多個(gè)豎向扼流槽，進(jìn)一步提高隔離度。

在考慮微波通道斷開間隙和扼流槽后，波導(dǎo)開關(guān)微波信號(hào)傳輸通道變得更加復(fù)雜，其微波性能無法利用解析方式進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。為此，用HFSS軟件對(duì)波導(dǎo)開關(guān)的微波系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真優(yōu)化。優(yōu)化完成后，波導(dǎo)開關(guān)微波系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖5所示，在75GHz～110GHz頻率范圍內(nèi)，電壓駐波比小于1.02，插入損耗小于0.06dB,隔離度大于85dB，仿真結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，并有較大裕量。

圖5 優(yōu)化后，波導(dǎo)開關(guān)微波參數(shù)仿真結(jié)果

3.4 容差分析

容差分析的目的在于分析產(chǎn)品性能指標(biāo)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性，尋找結(jié)構(gòu)上的敏感參數(shù)和可接受的極限偏差，為產(chǎn)品公差配合設(shè)計(jì)提供支撐。

在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，微波通道斷開間隙dr的大小、波導(dǎo)口錯(cuò)位程度、扼流槽深度受到零件加工誤差和裝配誤差的影響，且波導(dǎo)開關(guān)的微波性能對(duì)其比較敏感，所以為更好的指導(dǎo)生產(chǎn)有必要對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行容差分析。在分析波導(dǎo)口錯(cuò)位時(shí)，波導(dǎo)口窄邊的錯(cuò)位量用db表示，寬邊的錯(cuò)位量用dΦ(微波轉(zhuǎn)子偏離理想位置的角度)表示，扼流槽深度用dh表示。

波導(dǎo)開關(guān)微波性能隨微波通道斷開間隙dr的變化情況圖6所示。從圖中可以看到，在0～0.05mm的范圍內(nèi)，dr的變化對(duì)插入損耗的影響較小。高頻端電壓駐波比隨dr的增大而惡化，但處于可接受的范圍內(nèi)。隔離度隨著dr的增大迅速減小，根據(jù)以往研制經(jīng)驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)≥70dB的隔離度指標(biāo)應(yīng)dr≤0.03mm。

圖6 dr對(duì)微波性能的影響

波導(dǎo)口窄邊錯(cuò)位對(duì)波導(dǎo)開關(guān)微波性能的影響情況如圖7所示。從圖中可以看到，在0～0.06mm的范圍內(nèi)，低頻端的插入損耗隨db增加而增大；在整個(gè)頻率范圍內(nèi)電壓駐波比和隔離度隨db增加迅速惡化。為實(shí)現(xiàn)低駐波、高隔離指標(biāo)db≤0.04mm。

圖7 db對(duì)微波性能的影響

波導(dǎo)口寬邊錯(cuò)位對(duì)波導(dǎo)開關(guān)微波性能的影響情況如圖8所示，從圖中可以看到，當(dāng)dΦ在0deg～0.2deg的范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)電壓駐波比的影響較小。低頻端插入損耗隨dΦ的增加而增大，且低頻端隔離度隨dΦ的增加迅速惡化，為實(shí)現(xiàn)隔離度指標(biāo)dΦ應(yīng)≤0.2deg。

圖8 dΦ對(duì)微波性能的影響

扼流槽深度dh對(duì)波導(dǎo)開關(guān)微波性能的影響情況如圖9所示，從圖中可以看到，當(dāng)dh在0.75mm～0.85mm的范圍內(nèi)變化時(shí)，電壓駐波比和插入損耗的影響很小，對(duì)隔離度的影響雖然比較明顯，但仍處于可接受的范圍內(nèi)。故，扼流槽的深度范圍為：0.75mm～0.85mm。

圖9 dh對(duì)微波性能的影響

由容差分析結(jié)果表明，在微波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，斷開間隙dr≤0.03mm、波導(dǎo)口窄邊錯(cuò)位db≤0.04mm、波導(dǎo)口寬邊錯(cuò)位dΦ應(yīng)≤0.2deg、扼流槽深度應(yīng)控制在：0.75mm～0.85mm。

4 實(shí)測結(jié)果

根據(jù)容差分析結(jié)果，為保證開關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活并實(shí)現(xiàn)微波性能指標(biāo)，在本產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)將微波通道斷開間隙dr控制在0.015mm～0.03mm的范圍內(nèi)，波導(dǎo)口窄邊錯(cuò)位db控制在0mm～0.04mm的范圍內(nèi)，波導(dǎo)口寬邊錯(cuò)位dΦ控制0deg～0.2deg的范圍內(nèi)，扼流槽深度dh控制在0.75mm～0.85mm范圍內(nèi)。產(chǎn)品照片和具體實(shí)測曲線如圖10所示。由圖可知，在75GHz～110GHz的頻率范圍內(nèi)，波導(dǎo)開關(guān)的電壓駐波比<1.08，插入損耗<0.35，隔離度>76dB，完全達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖10 產(chǎn)品測試結(jié)果和照片

5 結(jié)論

文章設(shè)計(jì)了一款工作于W波段的機(jī)電波導(dǎo)開關(guān)，用HFSS軟件分析了微波通道斷開間隙、波導(dǎo)口錯(cuò)位、扼流槽深度對(duì)波導(dǎo)開關(guān)微波性能的影響，在此基礎(chǔ)上完成了產(chǎn)品的加工制造和實(shí)測。測試結(jié)果表明，在75GHz～110GHz的頻率范圍內(nèi)，產(chǎn)品電壓駐波比小于1.08，插入損耗小于0.35dB，隔離度大于76dB，均達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。產(chǎn)品電壓駐波比指標(biāo)和隔離度指標(biāo)優(yōu)于SMI公司的同系列產(chǎn)品，SMI公司產(chǎn)品的電壓駐波比指標(biāo)為≤1.2，插入損耗指標(biāo)為≤0.4dB,隔離度指標(biāo)為≥50dB。