一種P波段高功率隔離器的研制

黃 濤

(南京國(guó)睿微波器件有限公司 南京 210032)

0 引言

微波鐵氧體隔離器廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、精確制導(dǎo)導(dǎo)彈、電子對(duì)抗等領(lǐng)域，可以大大減少應(yīng)用系統(tǒng)的體積，提高導(dǎo)彈、衛(wèi)星的有效載荷[1-2]。隔離器技術(shù)已取得飛速發(fā)展，在可靠性前提下，寬頻帶、低插損、高隔離、高功率等特性是當(dāng)前隔離器的發(fā)展方向。

如今，對(duì)微波器件性能的要求越來(lái)越高，功率需求也越來(lái)越大，器件的性能與溫度密切相關(guān)。工作時(shí)，鐵氧體隔離器需要承受高峰值功率和高平均功率，其插入損耗絕大部分來(lái)自器件中鐵氧體基片產(chǎn)生的微波損耗，這些損耗將轉(zhuǎn)化為熱量，若得不到及時(shí)有效傳遞，鐵氧體基片的溫度就會(huì)隨之升高，超過(guò)一定值時(shí)，其性能就會(huì)逐漸變差，導(dǎo)致器件隔離度等重要指標(biāo)惡化，功能喪失。因此，有效解決器件的散熱問題對(duì)提高器件壽命至關(guān)重要[3]。

為此，本文介紹一種低頻段、大帶寬、高功率隔離器的研制過(guò)程和步驟，該隔離器在系統(tǒng)中可用于收發(fā)控制、發(fā)射機(jī)保護(hù)、收發(fā)信號(hào)隔離等。此類產(chǎn)品研究較少，具有較高的設(shè)計(jì)價(jià)值。本文通過(guò)結(jié)構(gòu)、耐功率設(shè)計(jì)及材料選型等，研究將器件在高功率工作下產(chǎn)生的熱量及時(shí)有效傳遞。經(jīng)仿真計(jì)算和樣機(jī)實(shí)測(cè)，該器件性能完全滿足指標(biāo)要求，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)過(guò)程的合理性，為以后此類高功率器件研制提供了一定借鑒和參考價(jià)值[4]。

1 原理分析

本文研制的隔離器，技術(shù)指標(biāo)需求如下：

1)各端口駐波：≤1.3；

2)損耗：≤0.5 dB；

3)隔離度：≥18 dB；

4)耐峰值功率：≥100 kW，耐平均功率≥10 kW；

5)外形尺寸：橫截面≤φ330×150 mm。

為在雷達(dá)系統(tǒng)中起到隔離收發(fā)信號(hào)、保護(hù)發(fā)射機(jī)等作用，該隔離器原理框圖如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)原理圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為同時(shí)滿足外形尺寸、散熱性及結(jié)構(gòu)可靠性要求，在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)考慮[5]：

1)隔離器外形尺寸盡量做到緊湊，同時(shí)為滿足電性能，上、下腔的設(shè)計(jì)間隙需要盡量大；

2)合理布局散熱齒利于散熱，盡量增大齒片傳熱面積，齒片布局與風(fēng)機(jī)風(fēng)向一致，保證風(fēng)道暢通；

3)提高上、下腔體板內(nèi)側(cè)平面度和粗糙度，利于鐵氧體與腔體板內(nèi)側(cè)的貼合，并用導(dǎo)熱硅膠利于降低熱源與腔體板之間熱阻；

4)避免上、下腔體板內(nèi)側(cè)有毛刺或雜物，同時(shí)在上、下腔體三側(cè)間隙處，安裝防塵隔網(wǎng)；

5)Y結(jié)中心導(dǎo)體三端安裝水平位置需盡量一致；

6)上、下腔體，磁路版和連接器等連接形式，采用螺釘連接，確保結(jié)構(gòu)緊固等。

經(jīng)分析和設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)方案見圖2所示，其主要包括上、下腔體板(散熱板)、磁路版、中心導(dǎo)體、鐵氧體基片、永磁體、勻磁片等部分組成。

圖2 高功率隔離器結(jié)構(gòu)示意圖

為滿足技術(shù)指標(biāo)和散熱需要，進(jìn)一步通過(guò)電性能仿真和耐功率設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，確定結(jié)構(gòu)方案的合理性和具體尺寸。

3 電性能仿真

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，經(jīng)簡(jiǎn)化后在多物理場(chǎng)耦合仿真軟件中建模，設(shè)置參數(shù)并進(jìn)行電性能仿真及迭代優(yōu)化，使得非互易傳輸和阻抗匹配性能優(yōu)良，駐波和損耗盡可能小[6]。

電性能設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留余量，經(jīng)仿真和優(yōu)化后，計(jì)算結(jié)果見圖3，在要求的工作帶寬范圍內(nèi)，隔離度>18 dB，損耗<0.5 dB，端口駐波<1.3，所以仿真結(jié)果是滿足技術(shù)指標(biāo)需求的。為了確保樣機(jī)性能，進(jìn)一步開展耐功率設(shè)計(jì)計(jì)算。

圖3 電性能計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果

4 耐功率設(shè)計(jì)

4.1 器件的峰值功率耐受設(shè)計(jì)

該隔離器工作功率較高，通過(guò)分析器件峰值功率耐受設(shè)計(jì)問題，對(duì)于減小或避免隔離器在實(shí)際工作中，發(fā)生功率擊穿和打火等情況具有重要意義。

在電性能仿真數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步在多物理場(chǎng)耦合仿真軟件中，加載100 kW峰值功率，仿真計(jì)算得到電場(chǎng)的分布圖見圖4。該隔離器的最高場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值為1.4×106V/m(位于內(nèi)導(dǎo)體、鐵氧體基片與腔體的貼合處)，遠(yuǎn)小于空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)3×106V/m，有一倍多功率余量，表明該隔離器在高功率下不會(huì)出現(xiàn)打火，該結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)是合理的，可以采用。

圖4 電場(chǎng)計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果

進(jìn)一步，在實(shí)際使用過(guò)程中，于腔體中加墊硅橡膠，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)為107V/m級(jí)別以上，可以進(jìn)一步有效地增大該隔離器功率容量。

4.2 材料選用

結(jié)構(gòu)方案確定后，材料的合理選用，對(duì)于隔離器電性能實(shí)現(xiàn)，和保證結(jié)構(gòu)可加工性，并獲得優(yōu)良的熱、力學(xué)性、降低重量，有著至關(guān)重要的作用。

鐵氧體材料選用方面，選擇工藝較為成熟、溫度穩(wěn)定性好、損耗低的石榴石鐵氧體材料，具體參數(shù)：磁矩為800 Gs，鐵磁共振線寬為50Oe。設(shè)計(jì)時(shí)，盡量使用大尺寸的鐵氧體基片，可減小單位體積熱容量，同時(shí)，在鐵氧體材料邊緣進(jìn)行倒角處理，可避免器件在實(shí)際使用中出現(xiàn)功率擊穿和打火現(xiàn)象。

上、下腔體(散熱板)材料選用方面，因需要考慮輕量化、低成本，且有利于鐵氧體產(chǎn)生的熱量在高功率工作時(shí)及時(shí)散出，保證器件性能穩(wěn)定性，且材料自身具有較好的剛度，綜合考慮選用鋁材3A21。為進(jìn)一步提高散熱性能，在使用過(guò)程中，腔體與鐵氧體之間加導(dǎo)熱硅膠，可以有效減少熱阻，保證散熱良好。

磁路板材料選用方面，通過(guò)仿真得出隔離器需要的偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，如果選用非鐵磁性材料，器件的偏置磁場(chǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了驅(qū)動(dòng)要求，出現(xiàn)的電磁泄露會(huì)影響器件性能，綜合選用磁屏蔽性能較高，材料可加工性優(yōu)良、剛度高、導(dǎo)熱性好，性能穩(wěn)定的ST12鋼材質(zhì)。同時(shí)，在ST12鋼表面鍍鋅，耐腐蝕性能可大幅度提高。

4.3 熱設(shè)計(jì)分析

熱設(shè)計(jì)分析是對(duì)器件散熱情況進(jìn)行分析和計(jì)算。熱源主要來(lái)自隔離器工作中功率損耗形成的熱量，直接作用在諧振結(jié)中并產(chǎn)生溫升，其中有鐵氧體基片、永磁體、中心導(dǎo)體、磁路版、上下腔體板等，如果鐵氧體基片溫升過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致隔離器功率承受能力降低，嚴(yán)重影響隔離器的性能[7]。

根據(jù)傳熱原理推導(dǎo)的計(jì)算公式有

Q=hcAeΔT

(1)

其中，Q為對(duì)流散熱量，單位W；hc為換熱系數(shù)，單位W/m2·℃；Ae為有效換熱面積，單位m2；

ΔT為換熱表面與流體的溫差，單位℃。

強(qiáng)迫對(duì)流的換熱系數(shù)為

(2)

式(2)中，J=0.023/Re0.2，Re為雷諾數(shù)；CP為定壓比熱容，CP=1.005×103J/(kg·℃)；G為通道的單位面積質(zhì)量流量，單位kg/(m·s)；PT為普朗特常數(shù)0.695。

而雷諾數(shù)為

(3)

式(3)中ρ為空氣密度，常壓下30℃時(shí)干燥空氣密度為1.16 kg/m3；v為流體流速，單位m/s；D為特征尺寸，單位m；u為流體動(dòng)力粘度，30℃時(shí)取18.5×10-6Pa·s。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，初設(shè)上、下腔體有效面積為Ae=40×4×10-6=26×10-4m2，特征尺寸D=0.024 m，風(fēng)道28個(gè)窗口。經(jīng)計(jì)算，得到風(fēng)速需為v=23.3 m/s。

簡(jiǎn)化隔離器模型，導(dǎo)入多物理場(chǎng)耦合仿真軟件，劃分網(wǎng)格后進(jìn)行熱仿真。該隔離器平均功率為10 kW，按照10%設(shè)計(jì)損耗，得到在上、下鐵氧體基片各加載功率500 W，環(huán)境溫度為30℃，設(shè)置邊界條件、加載強(qiáng)制風(fēng)冷(流速為23.3 m/s)和相應(yīng)參數(shù)后，進(jìn)行仿真并優(yōu)化后，得到溫度圖見圖5、圖6所示。

圖5 高功率隔離器溫度分布示意圖

圖6 高功率隔離器溫度等值線圖

由圖5、圖6可看出，在環(huán)境溫度30℃情況下，隔離器外表面最高溫度約為45℃；隔離器內(nèi)最高溫度位于鐵氧體基片，其溫度為70.9℃，溫升約40℃，鐵氧體基片工作在80～90℃內(nèi)工作均可保證性能穩(wěn)定。為了保證鐵氧體基片的工作性能，該隔離器可工作的最高環(huán)境溫度約為45℃。

從而證明，該隔離器結(jié)構(gòu)、耐功率和材料選用的設(shè)計(jì)思路是可行的，合理的。最終確定選用散熱板直徑為φ300 mm，散熱齒高度為40 mm，齒厚為3 mm，齒間距為8 mm，上下腔體之間間隙，與電性能協(xié)同考慮后，確定尺寸為21 mm。

綜上所述，經(jīng)設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果，可以進(jìn)行樣機(jī)的加工試制。

5 實(shí)測(cè)結(jié)果

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電性能計(jì)算及耐功率分析綜合結(jié)論，投產(chǎn)試制的P波段高功率隔離器樣機(jī)，如圖7所示，器件外形尺寸為φ325×145 mm。在加工制作時(shí)，隔離器的腔體內(nèi)側(cè)加工精度，及其表面平整度進(jìn)行了嚴(yán)格保證，去除毛刺，利于鐵氧體在腔體面的貼合度，提高器件性能；中心導(dǎo)體三個(gè)端口進(jìn)行安裝時(shí)，通過(guò)工裝保證水平位置一致等。

圖7 高功率隔離器實(shí)物圖

該隔離器的電性能實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見圖8，從圖8中可以看出，在工作頻帶范圍內(nèi)，該隔離器端口駐波<1.3，損耗<0.5 dB，隔離度>18 dB。樣機(jī)的實(shí)測(cè)結(jié)果與上述的電性能仿真數(shù)據(jù)基本一致，并且完全達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。

圖8 測(cè)試數(shù)據(jù)

同時(shí)，該隔離器已通過(guò)功率試驗(yàn)，在發(fā)射機(jī)輸出功率100 kW的情況下工作半小時(shí)，工作性能優(yōu)良穩(wěn)定，并且在峰值功率下器件工作運(yùn)行安全可靠，無(wú)擊穿現(xiàn)象發(fā)生。同時(shí)已成功通過(guò)振動(dòng)、高低溫等試驗(yàn)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，可以得出，該隔離器的研制思路和過(guò)程，是新穎的和合理的。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了一種低頻段(P波段)、大帶寬(帶寬大于22%)，高功率(峰值功率大于100 kW，平均功率大于10 kW)隔離器的設(shè)計(jì)思路，具體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電性能仿真、耐功率設(shè)計(jì)及材料選型等研究，性能指標(biāo)全部達(dá)標(biāo)，并制作實(shí)物樣機(jī)通過(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證。

在后續(xù)工作中，考慮進(jìn)一步開展更大帶寬和更高功率的器件研制工作，以及小型化的研究。該器件的設(shè)計(jì)成果及經(jīng)驗(yàn)，為今后該類器件的設(shè)計(jì)研發(fā)提供了一定借鑒和參考價(jià)值。