CN114374066B - 一种超宽带高功率星用环行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带高功率星用环行器，属于微波元器件领域，本发明本发明通过在波导窄边方向设置至少两阶匹配台阶，并在所述腔体内部采用至少两层匹配调谐圆台、在所述差相位段采用非标准矩形波导尺寸、在所述3dB电桥宽边方向加载三阶以上的阻抗匹配，并在所述3dB电桥腔体内部引入单脊波导的传输模式、在所述差相位段的腔体内，所述铁氧体基片上下非对称设置、在所述铁氧体基片表面涂覆一层非金属材料工艺，解决了超宽带高功率器件的宽带设计技术和星用器件的高微放电阈值问题，能够满足30%以上的相对带宽以及15kW量级的微放电功率需求，为后续高功率器件国产化替代提供技术支撑，具有较大的经济和军事效应。

Description

一种超宽带高功率星用环行器

技术领域

本发明涉及微波元器件领域，尤其涉及一种超宽带高功率星用环行器。

背景技术

近来随着国内航天技术不断发展，越来越多的系统向宽带化与高功率发展，超宽带高功率产品提出了更高的要求。在一定程度上超宽带是提升卫星分辨率的关键指标，高功率决定了卫星的轨道高度，因此可以看出超宽带高功率器件是卫星系统的关键元器件之一。

目前超宽带高微放电结型环行器的设计方法为：在普通高功率宽带波导环行器的设计基础上，于中心面上增加一个很大的非金属隔板，通过非金属隔板阻挡电子运动，避免电子产生二次倍增而提升器件微放电阈值，其结构如图1 所示，包括腔体A，腔体A内壁设置金属匹配台阶B，金属匹配台阶B表面设置铁氧体基片1，在两边的铁氧体基片1之间，设置非金属隔板C；

该类器件虽然能满足较宽的设计，但该类宽带器件的最高功率约为5200W (X波段)的微放电功率，平均功率为380W，很难达到10kW以上微放电功率需求，同时该类宽带器件的铁氧体基片较小，直径约10mm左右，难以同时承受1kW连续波的需求。

常规四端环行器虽然功率容量能基本满足要求，是普通结型宽带环行的 2～3倍左右，但普通四端环行器的工作带宽约为10～15％左右，虽然在《一种新型宽带大功率星用环行器研制》中提出了20％的相对工作带宽，带也完全不能满足30％以上的相对带宽的需求。

该方法主要是在普通波导四端环行器的设计基础上，增加了折叠双T、差相位段和3dB电桥段宽带匹配设计，从而实现器件的宽带(相对带宽20％)，如图2所示，从左至右依次包括折叠双T段、差相位段和3dB电桥段，在折叠双T段腔体上设置有折叠双T阻抗匹配台阶2，在折叠双T段腔体内设置折叠双T 调谐匹配台3，在差相位段腔体4的内部设置铁氧体基片1，在3dB电桥段腔体上设置3dB电桥阻抗匹配台阶5，在3dB电桥段腔体内设置3dB电桥调谐匹配台6；由于为四端环行器，该类器件具有较高的微放电阈值，是普通结型宽带环行的2～3倍左右。

虽然这类宽带四端环行器设计能解决20％带宽以内的工作需求，但针对30％以上的相对工作带宽，该设计是完全达不到的，同时也不能兼顾高功率和高微放电阈值要求。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种超宽带高功率星用环行器，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种超宽带高功率四端环行器，依次包括折叠双T段、差相位段和3dB电桥段，所述差相位段腔体内设置有铁氧体基片，在所述折叠双T段的波导窄边方向设置至少两阶阻抗匹配台阶，并在所述折叠双T段的腔体内部采用多个至少两层调谐匹配台。

作为优选的技术方案：在所述差相位段采用非标准矩形波导尺寸。

作为优选的技术方案：在所述3dB电桥段的宽边方向加载三阶及以上的阻抗匹配，并在所述3dB电桥段的腔体内部引入单脊波导的传输模式。

作为进一步优选的技术方案：所述上下非对称设置为斜对角设置或单片基片设置。

作为优选的技术方案：在所述铁氧体基片表面涂覆一层非金属材料。

作为进一步优选的技术方案：所述涂覆的方法为厚膜、薄膜或高温烧结。

为了实现超宽带(带宽30％及以上)，本发明采用的改进方案包括：

1、在折叠双T段，采用压缩波导，避免高次模产生，同时采用多个调谐匹配柱和多阶阻抗匹配过渡台阶实现了折叠双T宽带设计；

2、在差相位段，利用截止频率的色散效益作用，在差相位段中采用非标波导，让器件工作在靠近截止频率处，从而实现较高差相位平坦度的要求，满足四端环行器宽带隔离度的需求；

3.在三分贝(3dB)电桥段，在宽边方向加载了三阶以上的阻抗匹配，同时在电桥腔体内部引入单脊波导的传输模式，通过多级阻抗变换实现器件的宽带匹配设计。

然后，为了实现超高功率(15kW量级的微放电功率)，主要对铁氧体基片进行改进设计，采用的改进方案包括：

1、在差相位段，铁氧体基片上下非对称设计(斜对角设计或单片基片设计)增大了腔体间隙提升了微放电阈值；

2、为了提升器件微放电阈值，降低铁氧体表面的电子被激发，在铁氧体表面涂覆(厚膜，薄膜，高温烧结等)一层非金属材料(不易激发电子)制约铁氧体表面的电子被激发，提升大功率微波铁氧体器件的微放电阈值；

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明解决了超宽带高功率器件的宽带设计技术和星用器件的高功率高微放电阈值问题，能够满足30％以上的相对带宽的需求，以及15kW量级的微放电功率需求，为后续高功率器件国产化替代提供技术支撑，具有较大的经济和军事效应。

附图说明

图1为现有宽带高微放电结型环行器结构示意图；

图2为现有宽带大功率四端环行器的结构示意图；

图3为现有常规的折叠双T段仿真结构图；

图4为实施例1的折叠双T段仿真结构图；

图5为图4的剖视图；

图6为图4另一方向的剖视图

图7为反向损耗与差相位段相位差关系示意图；

图8为非标波导(靠近波导截止频率)仿真结构图；

图9为标准波导口仿真结构图；

图10为3dB电桥单脊谐振耦合上腔体结构示意图；

图11为3dB电桥单脊谐振耦合下腔体结构示意图；

图12为3dB电桥单脊谐振耦合仿真结构图；

图13为常规3dB耦合电桥仿真结构图；

图14为四段环行器的仿真结构图

图15为超宽带四端环行器电性能测试结果；

图16为本发明实施例2的差相位段斜对角铁氧体基片仿真图；

图17为本发明实施例2的差相位段腔体内铁氧体基片结构图；

图18为本发明实施例3铁氧体基片表面涂覆非金属材料结构图；

图中：1、铁氧体基片；2、折叠双T阻抗匹配台阶；3、折叠双T调谐匹配台；4、差相位段腔体；5、3dB电桥阻抗匹配台阶；6、3dB电桥调谐匹配台； 7、折叠双T段腔体；8、3dB电桥宽边方向多阶匹配台阶；9、3dB电桥窄边方向单脊多阶匹配台阶；10、3dB电桥腔体；11、非金属涂覆层；12、电子；13、腔体壁；A、腔体；B、金属匹配台阶；C、非金属隔板；a、是标准矩形波导宽边；a1、靠近器件截止工作频率的宽边距离(非标准矩形波导尺寸)；b、标准矩形波导窄边；b1、压缩高度；b2、矩形波导的标准高度；c、常规对称设计微放电距离；d、本实施例的非对称设计微放电距离。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种超宽带大功率四端环行器，依次包括折叠双T段、差相位段和3dB电桥段，所述差相位段腔体4内设置有铁氧体基片1，

在所述折叠双T段的波导窄边方向设置至少两阶阻抗匹配台阶，一方面压缩折叠双T段腔体高度可以抑制微波信号在腔体内部的谐振，避免激发高次模对宽带性能的影响，有利于宽带匹配设计，另一方面采用两阶以上的过渡匹配，可以减少反射驻波，实现宽带匹配；

并在所述折叠双T段的腔体内部采用至少两层调谐匹配台；在折叠双T的超宽带设计中需要尽可能提高压缩高度b1，提升b1高度可以提高折叠双T的微放电阈值；

本实施例中，参见图4、图5和图6，折叠双T段腔体7上的折叠双T阻抗匹配台阶2为二阶阶梯，折叠双T调谐匹配台3为两层圆形台阶；相应的，传统的折叠双T段的匹配台阶如图3所示，均为一阶；采用本实施例的折叠双 T段阻抗匹配和调谐匹配结构后的仿真结果以及传统的匹配结构的仿真结果分别如表1和表2所示，

表1

表2

从表1和表2仿真数据可以看出，采用本实施例的新型折叠双T后，带宽达到了3.6GHz，而传统的工作带宽仅为2.1GHz左右；

差相位段的低相频误差设计是四端环行器的关键部件之一，从四端环行器的理论中可以得出射频信号在不论通过折叠双T还是3dB电桥都是需要将射频信号先进行功分，然后通过差相位段进行相位抵消平衡，最后对信号进行合成输出。通过理论技术可以推算出四端环行器的反向损耗(隔离度)和移相段相位差的关系如下公式：

L(dB)＝10log(cos²θ) (1)

其中θ为移相段的差相位，从理论上可以看出，相位差好等于90°时，器件的隔离度是无穷大，当相位差满足90°±8°的情况下，隔离度将下降至≤ -17.1dB左右；因此理论下只要相差满足上述关系那么即可满足环行器的设计要求，通过计算给出了相位段的相差与反向损耗的关系，如图7所示，

从图7看出，此种反向损耗(隔离度)曲线在实际工程中，若器件温升必定会带来频漂，从而不能满足工程应用的需求，因此根据长期的工程经验总结出相频误差控制在90°±3°的范围内(理论反向损耗≥25dB)，即有足够的余量解决工况下温升带来的频漂问题。此外在四端环行器中射频信号会在折叠双T和三分贝电桥之间进行合成，那么相位的一致性较差将会影响器件的损耗，所以显而易见在四端环行器中，反向损耗和正向损耗成反比关系的，即反向损耗越大正向损耗约小，因此可以看出宽带低损相频误差设计不仅影响了器件的正向损耗，还与器件的低损耗设计有不可分割的关系。

在波导传输中，相位的传输与器件的工作频率有很大关系，因此要在宽带频带范围内实现90°相差匹配是一个技术难点。而在设计中需要使器件的工作频率尽可能接近截止频率，即波导内部色散更强，利用色散与波长在移相段内传输的相互抵消，从而实现移相段的宽带的低相频误差。

因此，在差相位段低相频误差设计中，根据器件工作频率调整矩形波导口宽边a的尺寸，使器件的尽可能工作在截止频率附近，从而满足宽带低相频误差的设计,本实施例的非标波导(靠近波导截止频率)仿真结构图如图8所示，其差相位仿真数据如表3所示；

表3

而常规的标准波导口仿真结构图如图9所示，其差相位仿真数据如表4所示，

表4

从表3和表4中可以看出，器件工作在截止频率后，90±3°的差相位带宽达到了3.6GHz，而原来标准波导口的差相位的工作带宽仅2GHz。

本实施例中，为了进一步实现宽带化，在所述3dB电桥段的宽边方向加载三阶以上的阻抗匹配，并在所述3dB电桥段的腔体内部引入单脊波导的传输模式，使波导内部的TE10模更加集中在脊上，便于实现3dB电桥的宽带匹配。

本实施例在3dB电桥段的阻抗匹配采用三阶和加脊的方式，具体见图10 和11的结构图，以及图12的仿真图，其仿真数据见表5，

表5

而常规的阻抗匹配结构见图13，仿真数据见表6，

表6

通过3dB电桥单脊谐振耦合的设计，器件各端口相对工作带宽由最初15％提升到33.5％,，3dB功分比也由原来的3±1dB提升到3±0.5dB，提高了电桥的三分贝幅度一致性，提升器件内部的合成效率，从而降低了器件的传输损耗。

对于上述宽带化的改进，采用HFSS软件将折叠双T、差相位段和3dB电桥进行联合进行仿真分析，四端环行器的仿真结构如图14所示，产品仿真数据表7，电性能实测曲线如图15所示；

表7

从仿真结果和测试结果可以看出，在8.3～11.9GHz的工作频带内，本实施例的产品的驻波≤1.3，隔离度≥18dB。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上，进一步针对微放电阈值的性能进行改进，具体方案为：

在所述差相位段腔体7内，所述铁氧体基片1上下非对称设置，所述的非对称设置，可以是斜对角设置或单片基片设置，

如图16所示，本实施例是以斜对角设置为例，即如图17中，将常规对称设置的其中一个铁氧体基片1从常规的位置e平移至本实施例的位置f的非对称位置，图17中，常规对称设置的两个铁氧体基片1的微放电距离为c，而采用本实施例的非对称设置的两个铁氧体基片的微放电距离为d，从图17中可以看出，d的距离明显大于c。根据微放电机理，微放电阈值与f×d相关(f为工作频率，d为两极板间间距)，因此在工作频率既定的情况下，增大两极板之间的间距，可有效提升微放电阈值。以X波段为例，通过Multipactor Calculator软件计算，采用基片斜对角设计后，器件的微放电功率至少能提升 1500W以上。

实施例3：

微放电效应材料表面的二次电子倍增效应，因此想要提升器件的微放电功率，需在大功率微波部件中抑制电子激发，避免电子在大功率场中加速，撞击微波部件表面产生二次电子而形成。而对于微波铁氧体器件，除了金属腔体易激发二次电子外，铁氧体材料也易激发二次电子，而在金属腔体中通常采用表面处理工艺如铬酸盐氧化，镀银，镀金等工艺可以有效的降低金属表面的二次电子被激发，从而提升大功率器件的微放电功率，

而本实施例提出了一种新的解决思路，基于铁氧体基片易激发二次电子，所以在铁氧体表面进行处理，

具体而言，本实施例在实施例2的基础上，如图18所示，铁氧体基片1 位于腔体壁15上，在铁氧体基片1表面涂覆(可以采用现有的厚膜，薄膜，高温烧结等工艺)一层非金属涂覆层11(不易产生电子)从而有效地制约铁氧体基片1表面的电子12被加速，同时铁氧体基片对面加速的电子在铁氧体非金属膜层上难以产生倍增效应，可有效的提升大功率微波铁氧体器件的微放电阈值，其中，非金属涂覆层的材料可以选择陶瓷或者玻璃。通过该工艺实现，通过试验研制在X波段产品的微放电功率从8kW提升到12kW。

Claims (4)

1.一种超宽带高功率星用环行器，依次包括折叠双T段、差相位段和3dB电桥段，所述差相位段腔体内设置有铁氧体基片，其特征在于：在所述折叠双T段的波导窄边方向设置至少两阶阻抗匹配台阶，并在所述折叠双T段的腔体内部采用至少两个多层调谐匹配台；在所述差相位段采用非标准矩形波导尺寸；在所述差相位段的腔体内，所述铁氧体基片上下非对称设置，所述上下非对称设置为斜对角设置，上下两个铁氧体在垂直方向的投影不重叠。

2.根据权利要求1所述的超宽带高功率星用环行器，其特征在于：在所述3dB电桥段宽边方向加载三阶及以上的阻抗匹配，并在所述3dB电桥段的腔体内部引入单脊波导的传输模式。

3.根据权利要求1所述的超宽带高功率星用环行器，其特征在于：在所述铁氧体基片表面涂覆一层非金属材料。

4.根据权利要求3所述的超宽带高功率星用环行器，其特征在于：所述涂覆的方法为厚膜、薄膜或高温烧结。

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