短波大功率寬帶并聯諧振腔巴倫的研究與設計

楊逸飛 ,張小林 ,王 杰 ,高火濤 ,張云華

(1.武漢大學 電子信息學院,湖北 武漢 430072;2.中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽 合肥 230088)

盡管衛星通信高速發展,但是在面對地形復雜和距離遠的無線通信需求時,短波通信具有不受網絡樞紐和有源中繼體的制約、覆蓋范圍廣、運行成本低等優點。所以,短波通信仍然是一種很重要的通信模式。大功率短波廣播發射天線一般為對稱籠形天線或對稱折合振子天線,而發射機的輸出端口一般為同軸型。為此,在天線和發射機之間必須設計一個短波大功率的不平衡-平衡變換器(巴倫)。巴倫可以有效改善天線的性能。一方面,巴倫可以消除不平衡饋電對天線輻射造成的不利影響。通過消除不平衡,減少輻射損耗,改善方向圖,修正最大輻射方向。另一方面,巴倫可以解決天線輸入阻抗與饋線特性阻抗不匹配的問題。巴倫通常分為集總參數巴倫和分布參數巴倫。近年來,很多研究利用鐵氧體磁芯和傳輸線設計巴倫[1-3]。文獻[3]提出一種超寬帶傳輸線巴倫。利用鐵氧體磁芯和傳輸線,設計了三個變換器。第一個變換器實現不平衡-平衡轉換后,分別級聯兩個相同的變換器實現阻抗變換。該巴倫帶寬較寬,設計簡便,成本低,但是承受功率小。分布參數巴倫可以按照傳輸線的類型分為:平面傳輸線巴倫和同軸傳輸線巴倫[4-9]。平面傳輸線巴倫主要應用于微波和毫米波波段的小功率天線系統。對于同軸傳輸線巴倫,文獻[8]介紹了一種串并聯同軸短截線巴倫。該巴倫制造簡單,但是帶寬較窄。文獻[9]根據等效電路的理論分析,進行巴倫的研究與設計,但是無法得到精確的性能結果,也沒有較好的優化方法。大功率短波天線要求巴倫具有寬帶、低損耗、可承受大功率等性能特點。因此,本文提出了一種短波大功率寬帶并聯諧振腔巴倫,通過等效電路理論分析與數值仿真結果進行對比,該巴倫在工作帶寬、電壓駐波比(VSWR)、插入損耗和平衡性能等方面都獲得了較好的結果。此外,巴倫的場分布情況以及計算的理論擊穿輸入功率表明,所提出的巴倫具有低損耗和承受功率大的特點。

1 理論分析

由圖1 可知,短波大功率寬帶并聯諧振腔巴倫的主體部分是一個長方體諧振腔,橫截面為正方形。其中,一段同軸傳輸線位于諧振腔內部。它的內導體與諧振腔底部相接,外導體分別與輸入同軸傳輸線的內導體和諧振腔頂部連接。另一段同軸傳輸線與諧振腔左側相切。它的內導體與輸入同軸線的內導體連接,外導體與諧振腔側壁相切,同時與諧振腔頂部連接。不平衡輸入端口的同軸傳輸線在諧振腔的底部,并且位于兩段同軸傳輸線中點。兩段同軸傳輸線的內導體在諧振腔頂部組成平行雙線,形成平衡輸出端口。

圖1 并聯諧振腔巴倫的結構圖。(a)三維模型圖;(b)三視圖Fig.1 Structure of parallel resonant cavity balun.(a) 3D model;(b) Three-view drawing

圖2 是并聯諧振腔巴倫的等效電路。其中,兩段同軸傳輸線與長方體諧振腔形成并聯結構。Zin是不平衡端的輸入阻抗,Ra和Rb分別是兩段同軸傳輸線的特性阻抗,Zc是長方體諧振腔的輸入阻抗,且阻抗值為純虛數。

圖2 并聯諧振腔巴倫的等效電路Fig.2 Equivalent circuit of parallel resonant cavity balun

根據圖2,可以得到:式中:D為諧振腔正方形橫截面的邊長;d為同軸傳輸線外導體的邊長;Ze為諧振腔縱向傳輸特性阻抗;f為工作頻率;f0為中心頻率。將公式(2)代入公式(1)得到:

其中,

式中,Zl是平衡輸出端口的特性阻抗。Zin歸一化,得Zn為:

電壓反射系數Γ為:

VSWR 為:

因此,通過對并聯諧振腔巴倫的等效電路進行理論分析,可以計算得到VSWR 的理論值。

對于大功率系統,確保能夠承受大功率是至關重要的。在常溫、空氣干燥的情況下,微波頻率下空氣擊穿場強閾值的理論值為22.7 kV·cm-1。與空氣干燥的情況相比,在相對濕度為50%的情況下,擊穿場強閾值會減小2.5%[10]。另外,VSWR 對擊穿場強閾值Eth的影響由下式給出:

式中:E′th是VSWR=1 時的擊穿場強閾值;T是電壓傳輸系數。

理論擊穿輸入功率Pth為:

式中:Esimrms是工作頻率范圍內最大的電場強度;P是輸入功率。

2 設計與仿真優化

根據大功率短波廣播發射天饋線系統的要求,不平衡輸入端是特性阻抗為25 Ω 的同軸傳輸線,平衡輸出端是特性阻抗為100 Ω 的平行雙線。因此,設計了一種具有1 ∶4 阻抗變換的并聯諧振腔巴倫。所以,兩段同軸傳輸線的特性阻抗為50 Ω。由于本文設計的巴倫需應用于大功率短波系統,同軸傳輸線的材料和尺寸與常見的同軸線不同。為了達到工程要求,兩段50 Ω 同軸傳輸線采用0.1 m 的圓形銅管作為內導體,方形銅導體作為外導體。25 Ω 輸入同軸傳輸線的內導體和外導體都是矩形銅導體。同樣,為了承受大功率,輸出端的100 Ω 平行雙線加了方形屏蔽。

按照大功率短波系統的要求,工作頻帶為5～26.1 MHz(相對帶寬為135.7%),阻抗變換比為1 ∶4,VSWR 低于1.5,插入損耗低于0.5 dB,相位不平衡小于5°,幅值不平衡小于0.8 dB,承受功率為500 kW。以此進行巴倫的結構設計。首先,利用特殊同軸線和平行雙線的阻抗理論公式,分別計算得到25 Ω 輸入同軸傳輸線、兩段50 Ω 同軸傳輸線和100 Ω 輸出平行雙線的結構參數理論值。表1 是短波大功率寬帶并聯諧振腔巴倫結構參數的初始理論值。然后,通過基于時域有限積分法的電磁軟件CST 仿真,分別對同軸傳輸線和平行雙線的結構參數進行精確優化。最后,依據等效電路的理論分析和優化后的結構參數,完成短波大功率寬帶并聯諧振腔巴倫的整體結構設計。優化后的結構參數如表2 所示。

表1 結構參數的初始值Tab.1 Initial value of structural parameters

表2 優化后的結構參數Tab.2 Optimized value of structural parameters

為了減小諧振腔的尺寸,將與諧振腔相切的同軸傳輸線置于諧振腔外部,巴倫的性能結果沒有發生惡化。但是,調節兩段同軸傳輸線的間距,會對輸出端口的平衡性能產生影響。由圖3 可知,在工作頻率范圍內的高頻部分,輸出端口的相位和幅度不平衡都會隨著W2變大而惡化。在W2=0.813 m 時,幅度不平衡最大達到了0.86 dB,相位不平衡最大達到了2.8°,而在W2=0.613 m 時,最大幅度不平衡是0.45 dB,最大相位不平衡是1.7°。因此,為了使巴倫獲得更好的平衡性能,W2應該盡可能小。

圖3 W2對平衡性能的影響Fig.3 The influence of W2 on performance of balance

將優化后的結構參數代入理論分析中,通過公式(7),計算得到巴倫的VSWR 理論結果。由圖4 可知,工作頻帶為5～26.1 MHz(相對帶寬為135.7%),帶寬達到了5 個倍頻程。在工作頻率范圍內,VSWR 均低于1.5。VSWR 和頻帶寬度的仿真結果與理論分析結果相吻合,驗證了該巴倫具有良好的阻抗匹配性能和寬帶特性。由圖4 的|S21| 仿真結果可知,在工作頻帶內,插入損耗均小于0.2 dB,證明了該巴倫的低損耗特性。圖5 是工作頻率為15 MHz 時,巴倫的功率流動分布。在功率傳輸過程中,功率主要分布于輸入端口、輸出端口和兩段同軸傳輸線。VSWR 和插入損耗的仿真結果和功率分布情況表明了該短波大功率寬帶并聯諧振腔巴倫具有良好的傳輸性能。

圖4 VSWR 和|S21| 的仿真結果和VSWR 的計算結果Fig.4 Simulated VSWR,|S21| and calculated VSWR

圖5 巴倫的功率流動Fig.5 Power flow of the balun

當工作頻率為15 MHz 時,巴倫的電流和電場分布如圖6 所示。由圖6(a)可知,電流主要分布于同軸傳輸線,諧振腔內表面的電流很小。由圖6(c)可知,電場與電流分布相似,主要分布于同軸傳輸線,最大電場強度出現在同軸傳輸線內。除了同軸傳輸線,其他部分的電場強度都很小,同軸傳輸線內的電場強度比諧振腔內的電場強度大幾個數量級。由圖6(b)和圖6(d)可知,諧振腔外表面的電流和電場都為零。因此,諧振腔不輻射能量,符合理論預期。巴倫的電流和電場分布與插入損耗的結果驗證了理論分析,表明該巴倫具有低損耗性能。

圖6 巴倫的電流和電場分布。(a) 內部電流分布;(b) 外表面電流分布;(c) 內部電場分布;(d) 外部電場分布Fig.6 Distribution of electric current and electric field on balun.(a) Current distribution on the inner;(b) Current distribution on the outer shield;(c) E-field distribution on the inner;(d) E-field distribution on the outer shield

圖7 是輸出端口平衡性能的仿真結果。在5～26.1 MHz,輸出端口的相位不平衡均小于2°,幅值不平衡均小于0.5 dB,平衡性能結果都明顯優于設計要求。本文設計的巴倫與其他文獻所提出的巴倫主要性能指標比較結果如表3 所示。對比可知,短波大功率寬帶并聯諧振腔巴倫在插入損耗、平衡端口幅度不平衡和相位不平衡方面都具有較好的結果。

圖7 相位和幅值不平衡Fig.7 Phase imbalance and magnitude imbalance

表3 本文設計的巴倫與其他巴倫的比較Tab.3 Comparison of the proposed balun with others

為了保證短波大功率寬帶并聯諧振腔巴倫能夠承受500 kW 以上的大功率,在主要性能指標不出現明顯惡化的情況下,適當調整各個部件的尺寸。例如:兩段同軸傳輸線的內導體選擇的是0.1 m 的銅管。同時,并聯諧振腔巴倫的低損耗性能以及不需要考慮器件發熱、散熱問題的優點,為承受大功率提供了結構保障。

當輸入功率為500 kW 時,不同頻率下的最大電場強度如表4 所示。將圖5 的|S21| 結果換算為電壓傳播系數T,與VSWR 結果一起代入公式(8)。將表4中的最大電場強度代入公式(9)。計算擊穿場強閾值和輸入功率的理論值,結果如表4 所示。擊穿場強閾值最小為17.87 kV·cm-1,理論擊穿輸入功率最小為26.17 MW,遠遠高于設計要求。因此,短波大功率寬帶并聯諧振腔巴倫足以承受500 kW 的功率。

表4 最大電場強度與擊穿場強和擊穿輸入功率的理論值Tab.4 Maximum electric field strength with theoretical value of breakdown electric field strength and input power

3 結論

通過理論分析和全波電磁仿真的相互驗證優化,設計了一種短波大功率寬帶并聯諧振腔巴倫。在工作頻率范圍內,具有良好的平衡性能,以及1 ∶4 的阻抗變換。通過對電流和電場的分布情況以及傳輸性能指標結果的分析,該巴倫具有低輻射損耗和高傳輸效率,符合理論預期。計算得到的擊穿場強閾值和理論擊穿輸入功率,驗證了該巴倫足以承受大功率。在大功率短波廣播天線以及對海觀測雷達等領域,短波大功率寬帶并聯諧振腔巴倫具有很大的應用潛力。