基于間隙波導的小型化可插拔式無法蘭波導

陳翔,孫冬全,王小麗,崔萬照,賀永寧

(1.西安交通大學微電子學院,710049,西安;2.中國空間技術研究院西安分院空間微波技術重點實驗室,710100,西安;3.西安電子科技大學物理與光電工程學院,710071,西安)

波導傳輸線由于具有低損耗、高功率容量等優勢,是衛星有效載荷微波系統中最廣泛應用的傳輸線形式之一。波導法蘭是波導部件及系統中最常見的微波連接結構,在衛星有效載荷微波系統中大量應用。與此同時,大量的法蘭連接勢必造成體積和重量的額外大幅增加,不利于載荷系統的小型輕量化,且與波導本身相比,傳統法蘭需占用較大的空間,不利于系統的緊湊布局。針對此問題,當前在衛星工程應用中已逐漸開始采用無法蘭波導連接,以減小傳統波導法蘭的體積和質量,例如,2020年7月9日成功發射的我國首個全球高通量寬帶衛星系統首發星——亞太6D通信衛星中就大量采用了無法蘭波導[1]。圖1所示為目前衛星工程應用中所采用的焊接式無法蘭波導結構,主要包括套箍式焊接和直接對接焊接兩種,均是通過焊接工藝實現波導的無法蘭連接,其性能的好壞取決于焊接工藝的合格與否。如果焊接工藝的一致性難以保證,則焊接后的無法蘭波導的電磁傳輸性能難以預估和保證。焊接為不可逆過程,一旦焊接完成,波導結構和位置則無法改變,不利于系統中各部件的靈活拆卸組裝,不利于系統的整體設計和靈活布局。為獲得滿意可靠的性能,焊接式無法蘭波導所需的焊接工藝及檢驗過程十分復雜,導致較高的成本。

圖1 焊接式無法蘭波導

近年來,間隙波導(GW)理論及技術引起了國內外學者的廣泛關注,成為重要的熱點研究方向[2-5]。GW的核心本質為非接觸電磁帶隙原理[6-7]:當理想電導體(PEC)平面和理想磁導體(PMC)平面平行放置且不接觸,在一定尺寸參數條件下,即可形成非接觸電磁帶隙(EBG)結構,其內部不支持禁帶范圍內任何電磁場模式的傳播。自然界中不存在PMC平面,可通過特定的周期性結構設計,構造人工磁導體(AMC)平面代替。GW技術圍繞如何構建各類非接觸電磁帶隙結構實現無物理接觸條件下的電磁場屏蔽所展開,其獨有的非接觸特性在很多領域顯現出巨大的技術優勢,為微波毫米波電路、天線及封裝等應用提供了全新的方法和途徑[8-13]。新型波導連接是GW技術的重要應用之一,基于非接觸EBG原理,可以實現傳統方法很難或無法實現的新型波導連接結構。文獻[14]和[15]中提出基于間隙波導技術的非接觸法蘭結構,用于實現太赫茲系統的快速測試。孫冬全等相繼提出了基于圓柱面非接觸EBG結構的可彎折軟波導[16]以及基于級聯式空氣間隙波導結構的可實時旋轉扭波導[17]。此外,陳翔等將間隙波導技術與金屬接觸導致的無源互調(PIM)問題相結合,提出非接觸式低PIM設計技術,并研制了一種折疊結構的寬帶小型化非接觸式低PIM法蘭作為驗證[18],獲得了優秀的性能,此后,又基于間隙波導技術提出多種非接觸式的低PIM波導法蘭轉換結構[19-21]。

針對焊接式無法蘭波導所存在的問題,如果采用普通波導的直接插拔式設計,則由于機械加工誤差及粗糙度的存在,實際中不可能形成理想電接觸,插拔接觸表面間會存在空氣間隙,造成電磁泄露,影響波導的電磁傳輸性能。針對此問題,將間隙波導的非接觸電磁屏蔽特性與無法蘭波導需求相結合,提出新型的快速可插拔式無法蘭波導結構。通過構建電磁帶隙結構實現插拔式連接部位的電磁場屏蔽,將電磁信號束縛在波導內部,保證了正常的電磁傳輸性能。基于此提出兩種具體的無法蘭波導技術方案并完成了實物驗證,獲得了良好的性能。本文所提無法蘭波導可以大幅降低傳統法蘭連接的體積,同時可實現波導全帶寬內快速、靈活的插拔式連接,此外還具有良好的制造裝配容差性能,解決了已有焊接式無法蘭波導工藝復雜、裝配難度大、布局不靈活的問題,可廣泛應用于各種微波部件與系統中。

1 無法蘭波導技術方案

針對實際的無法蘭波導應用需求,提出兩種具體的無法蘭波導技術方案。

1.1 標準尺寸無法蘭波導

標準尺寸無法蘭波導基于標準波導實現,包括結構A與結構B兩部分,如圖2所示。在一個標準波導末端的外壁四周設計周期性的釘床結構,構成人工磁導體(AMC)平面,作為結構A。結構B為末端帶有屏蔽腔的另一標準波導,屏蔽腔的內腔壁作為理想電導體(PEC)平面,與釘床構成EBG結構。屏蔽腔深度大于等于釘床結構沿波導傳輸方向的長度,不同于文獻[18]中用于實現低PIM的非接觸式結構,本文中無法蘭波導為接觸式結構,屏蔽腔的內腔寬高尺寸設計值等于釘床結構的外部輪廓尺寸Wouter和Houter,即AMC平面和PEC平面間的空氣間隙理論值為0,根據非接觸電磁帶隙特性,此時可以大幅降低釘床尺寸,因而可以實現結構的小型化。實際加工制造時采取公差處理,當結構A插入結構B中時,AMC面和PEC面形成間隙配合,進而構成波導間的插拔式緊連接。可根據需要靈活設計額外的機械連接結構,機械連接結構無固定形式。

圖2 標準尺寸無法蘭波導結構示意圖

1.2 阻抗變換式緊湊型無法蘭波導

上述標準尺寸無法蘭波導需要在標準波導壁四周構建金屬釘床結構,在另一波導末端設計相應的屏蔽腔以實現插拔式連接,該結構相比標準波導本身,在插拔連接部位仍然會帶來體積的增大。為此,進一步提出一種緊湊型的無法蘭波導連接結構,如圖3所示,通過阻抗變換設計,將普通波導變換至減尺寸的非標波導結構,在非標波導部分運用非接觸電磁帶隙原理實現無法蘭的插拔式連接。

阻抗變換式無法蘭波導通過增加阻抗變換結構,可以進一步減小連接部位尺寸,更加有利于小型化設計和靈活布局,但是阻抗變換的引入會造成一定的帶寬和駐波性能損失,在實際應用中可以根據具體需求設計合適的阻抗變換結構。

2 無法蘭波導設計方法

當結構A插入結構B中時,由于機械加工公差、誤差、粗糙度的存在以及間隙配合的工藝需要,AMC平面與PEC平面間存在微小的空氣間隙。根據非接觸電磁帶隙原理,為了抑制電磁場從空氣間隙中泄露,需對AMC結構及尺寸參數進行特定的設計和計算,使得AMC平面和PEC平面共同構成EBG結構,形成覆蓋波導工作帶寬的電磁禁帶,將電磁場束縛在波導內部而不會從空氣間隙中泄露,進而保證波導正常的電磁傳輸性能。

無法蘭波導設計的關鍵在于確定其中所形成的EBG結構及相關尺寸參數,還需考慮實際中所存在的機械加工及裝配誤差,分析其主要的容差特性,以獲得滿足實際應用需求的性能。設計步驟如下。

(1)電磁禁帶設計。在電磁仿真程序中建立非接觸EBG結構的最小單元模型,在周期性邊界條件下通過本征模式求解獲得色散特性,根據色散特性確定電磁禁帶,調整EBG結構的各參數值,獲得滿足需求的電磁禁帶范圍。

(2)機械加工容差分析。根據實際機械加工及間隙配合工藝要求,設定AMC平面與PEC平面間的空氣間隙取值范圍,計算不同空氣間隙下的電磁禁帶。需保證在所設定的空氣間隙范圍內,電磁禁帶均可以覆蓋所需的波導工作帶寬,從而保證足夠的機械加工容差性能。

(3)電磁傳輸性能分析。根據獲得的尺寸參數建立無法蘭波導的整體電磁結構模型,將空氣間隙設定為典型值,仿真分析無法蘭波導的S參數特性,獲得滿足條件的電磁傳輸性能。

(4)裝配誤差容差分析。根據實際裝配誤差情況設定結構A與結構B波導端口間距的取值范圍。在所設定的間距范圍內分析無法蘭波導連接的電磁傳輸特性,獲得允許的裝配容差范圍。

(5)電磁屏蔽特性分析。將裝配誤差設定為所確定容差范圍的最大值,根據實際工作環境設置波導傳輸功率,仿真分析電磁場分布特性,根據場強分布選定釘床結構中周期性金屬單元的數量,以保證足夠的電磁屏蔽性能。

(6)最終結構參數確定。根據實際結構及具體情況可微調尺寸參數,獲得滿足條件的S參數特性,加工實物樣件,完成實驗測試驗證。

3 無法蘭波導樣件設計及實驗驗證

本文采用Ku頻段WR75(BJ120)標準波導對應的兩種無法蘭波導作為實物驗證。選擇標準尺寸無法蘭波導樣件為例做具體說明,阻抗變換式緊湊型無法蘭波導除增加阻抗變換結構外,其他設計過程與標準尺寸結構相同。

如圖4所示為無法蘭波導的關鍵結構尺寸示意圖,在波導末端的外壁四周設計釘床式AMC結構。釘床由相同尺寸的金屬凸體以周期性排列方式組成,釘床高度為hp,AMC表面與PEC表面間實際的微小空氣間隙為ha,釘床單元的長寬尺寸為w、t,橫向和縱向的間距分別為gw和gt。WR75波導的工作頻段為9.84～15 GHz,為實現WR75標準波導的無法蘭連接,需要設計合適的EBG結構尺寸,保證電磁禁帶覆蓋9.84～15 GHz頻段范圍。

電磁禁帶通過計算EBG結構的色散特性而獲得。在電磁仿真工具CST中建立非接觸EBG結構的最小單元仿真計算模型(如圖5中插圖所示),設置周期性邊界條件,采用本征求解模式,求解色散特性。通常的機械加工誤差約為±0.02 mm,為衡量機加誤差容差性能,在仿真模型中將空氣間隙ha設定為0.01～0.04 mm,以0.01 mm為步進,計算獲得的色散特性如圖5所示,其他尺寸參數值如表1所示。當空氣間隙為0.04 mm時,電磁禁帶范圍約為9.7～45.3 GHz,可完全覆蓋WR75波導的工作帶寬,且空氣間隙越小,電磁禁帶范圍越寬,可以實現尺寸小型化。在間隙配合工藝要求下,通常的機械加工誤差要求小于0.02 mm,因此尺寸參數設計合理,保證了較強的機械加工容差性能。

圖5 不同空氣間隙下的色散特性仿真結果

表1 無法蘭波導樣件主要尺寸參數值

將空氣間隙ha設置為典型值0.02 mm,在電磁仿真軟件HFSS中建立無法蘭波導連接的整體電磁仿真模型。當結構A插入結構B中時,裝配誤差會造成兩部分波導輸出端口間形成微小間隙d。圖6所示為端口間距d在0～0.5 mm之間以0.1 mm步進變化時的S參數仿真結果,可以看出,當端口間距在一定范圍變化時,傳輸性能均可滿足需求,說明該無法蘭波導具有較強的裝配容差能力。

圖6 裝配誤差范圍內的電磁傳輸特性仿真結果

將端口間距d設定為所設定取值區間的最大值,即0.5 mm,根據實際需求,設置波導輸入端口激勵功率為100 W,仿真獲得電場分布特性,如圖7所示。可以看出,電磁場被有效地束縛于波導內部正常傳輸。即使在最大裝配誤差情況下,選擇3排金屬凸體構成釘床結構即可保證足夠的電磁屏蔽性能,實際中可根據具體需求增加或減少金屬凸體數。

圖7 傳輸功率為100 W且d為0.5 mm時的電場分布

根據獲得的尺寸參數,加工制作了Ku頻段標準尺寸無法蘭波導樣件和阻抗變換式緊湊型無法蘭波導樣件,無法蘭連接后,整體波導長度均為100 mm。經測量,樣件中AMC平面與PEC平面間的實際空氣間隙約為0.015 mm,接近典型機械加工誤差0.02 mm。

無法蘭波導樣件的實測S參數如圖8和圖9所示,樣件性能符合預期設計。在WR75波導工作頻率9.84～15 GHz范圍內,標準尺寸無法蘭波導樣件實測插入損耗小于0.05 dB,回波損耗優于30 dB,阻抗變換式緊湊型無法蘭波導樣件實測插入損耗小于0.06 dB,回波損耗優于20 dB,獲得了良好的電磁傳輸性能。

圖8 Ku頻段WR75標準尺寸無法蘭波導樣件及實測S參數

圖9 Ku頻段WR75阻抗變換式緊湊型無法蘭波導樣件及實測S參數

圖10所示為傳統WR75波導法蘭與本文所實現的兩種無法蘭波導截面尺寸對比。采用無法蘭波導設計后,波導連接橫截面尺寸大幅縮減,相比傳統的WR75法蘭連接,標準尺寸無法蘭波導連接截面尺寸縮減60%以上,阻抗變換式緊湊型無法蘭波導連接截面尺寸縮減70%以上,實現了波導連接的小型化設計,且插拔式設計可實現更加方便、快速的裝配拆卸,更加有利于部件及系統的靈活布局。

圖10 傳統波導法蘭與無法蘭波導橫截面尺寸對比

4 結 論

針對衛星工程應用中的無法蘭波導技術需求,本文提出新型的小型化可插拔式無法蘭波導技術方案,基于非接觸電磁帶隙原理實現寬帶的電磁屏蔽,由此構建波導間快速、靈活的無法蘭插拔式連接結構,大幅縮減了傳統法蘭連接的體積和質量,同時具有寬帶工作特性和良好的容差性能。提出了兩種具體的無法蘭波導方案,完成了Ku頻段實物樣件驗證,獲得了預期性能。本文所提出的無法蘭波導設計方法簡單明確,對制造及裝配工藝要求低,快速插拔式設計有利于靈活的拆卸、組裝及結構布局,可廣泛應用于各種微波部件及系統中。