高功率波导隔直器的设计

江,红1 ,张军1

1.零八一电子集团四川力源电子有限公司，广元　 628017

摘要：为了解决波导传输线系统中直流电压阻断的问题，设计了一种在传输高功率微波信号的同时可阻断3000V高压直流的波导隔直器。仿真和测试结果表明，在满足阻断3KV高压直流的要求下，该隔直器的微波传输电压驻波比小于1.05，插入损耗小于0.05dB。同时该隔直器具有功率容量大、安全性好、结构简单、尺寸精巧等特点，满足高功率微波传输系统应用要求。

关键词：高功率，高压直流，阻断高压，隔直器

0引 言

隔直器在微波电路系统中有着广泛的应用，常用隔直器可以阻断直流，耦合交流，保护放大器或混频器等器件。常规的隔直器采用双导体结构，因此通常采用内导体隔直或者外导体隔直。本文设计的隔直器属于波导结构，它具有驻波小、插损低、功率高、耐高压、安全性好、结构简单、尺寸精巧、便于系统连接等特点。

同轴线隔直器或带状线隔直器是较常见的隔直器类型，目前国内已有多家厂商研制和生产。同轴线隔直器例如：Anritsu公司生产的隔直器频带带宽可从50KHz到65GHz，此类隔直器使用频带较宽、驻波较小，但是损耗较大，承受功率较低，可承受的直流电压小于100V。带状线隔直器已有相关报道，例如电子科技大学申报的“一种微波带状线隔直器”的发明专利(CN1933236A)，该类隔直器一般是在屏蔽盒内放置微波电路板，通过转换接头与外界系统相连接。该类隔直器工作带宽较宽、损耗较低，但承受功率较低。目前微波馈线系统中需要一种驻波小、插损低、耐高压且可以长时间承受高功率的隔直器。

本论文介绍了一种高功率波导隔直器，该隔直器工作在S频段，包括外波导和内波导，外波导和内波导之间设计有扼流槽、绝缘介质、密封圈。通过绝缘介质可以隔离直流电压，隔直电压远远大于3KV；通过密封圈可以保证产品承受2个大气压，波导结构的隔直器确保了500kW的连续波功率传输，也保证了0.05dB的低损耗传输。隔直器总长为130mm，结构紧凑，可靠性好，利于整个馈线系统的安装连接。

1设计原理分析

隔直器采用BJ32矩形波导传输线，从而保证了产品的高功率传输和低损耗传输。

1.1低损耗的分析

传输线的损耗，一般来说，有辐射损耗、介质损耗和电阻损耗三种。辐射损耗是设计开放式传输线必须考虑的问题。介质损耗对空心传输线而言是可以忽略的，但是对于填充介质的同轴线电缆和微带线而言就不容忽视了。电阻损耗是所有传输线所共有的。

计算电阻损耗，必须考虑交变电场电磁场的集肤效应。在任何情况下，无论用什么良导体，或是充什么样的介质，总会存在电磁的损耗，从而造成电磁波的衰减。

的计算，按相关资料，有下式（1-1）。

＝                      （1-1）

对于矩形波导TE10波：磁场只有。

                          （1-2）

                               （1-3）

   =2+2       （1-4）

经代入上式得：

＝ab                  （1-5）

同理：

所以：＝＝    （1-6）

＝8.66                   （1-7）

公式（1-7）中，RS是选用传输线内壁金属或者镀层的表面电阻，a为矩形波导的宽边72.14mm，b为矩形波导的窄边34.04mm，λ为中心频率的波导波长。通过计算得出：

=0.016dB/m

波导隔直器设计的长度为130mm，所以隔直器的理论损耗如下。

=0.016dB/m×0.13 m＝0.002 dB

1.2设计及仿真分析

波导隔直器的核心参数是要求直流电压≥3000V，并且在保证直流电压隔离的同时，微波信号的传输损耗要尽可能小。波导隔直器仿真模型及外形结构图分别为图1及图2。

图1波导隔直器仿真图

图2波导隔直器外形结构图

波导隔直器设计中选用模片形介质材料，其击穿电压为C≈30KV/mm、损耗正切角tgδ≈0.0004，也就是万分之四，在达到直流电压隔离效果的同时兼顾了高频微波信号的传输性能。

在波导内部的传输过程中，高频微波信号从波导内腔传输，考虑到隔直性、微波传输性、空间的热传导性以及电磁场边界条件，通过对其进行计算机的优化设计，模片的厚度最终采用0.5mm，计算出来隔直电压达到15KV，具有5倍的设计保险系数，绝缘介质模片平面图为图3。

图3 介质平面图

模片的圆方程为，                    （1-8）

椭圆的方程为：                     （1-9）

上述主要从理论上分析了隔直性和微波传输性能，通过三维电磁场软件CST仿真结果如下图4和图5所示。

图4隔直器电压驻波比仿真曲线

图5隔直器插入损耗仿真曲线

仿真设计结论：

从电压驻波比仿曲线真可以看出，从3600MHz到3800MHz的频率范围内，电压驻波比不大于1.025

。

从插入损耗仿真曲线可以看出：从3600MHz到3800MHz的频率范围内，损耗不大于0.0008 dB。

1.3 功率容量的分析

TE10模空气矩形波导的脉冲功率容量为表达式（1-10）及1-11）。

 Pbr＝2 （MW）                   （1-10）

                                              （1-11）

其中，mm/s，f单位为Hz，通过计算得出BJ32矩形波导的功率容量Pbr=12.2MW。

该隔直器是在矩形波导的内腔增加了阻断直流电压的绝缘介质及扼流槽，因此功率容量比光壁矩形波导大大降低了。对脉冲功率进行计算，影响波导隔直器实际功率容量的因素非常复杂，我们通过CST软件计算模型中的最大场强来帮助我们计算隔直器的峰值功率。利用 CST软件对该隔直器建模仿真，矩形波导管的材料为铜，内部的介质为干燥空气，干燥空气的电场强度一般E0=2.9×106V/m，通过对器件最大场强的分析计算，耦合器在3.8GHz处的电场场强如图1所示，Emax= 1224V/m，P0=1W。该波导隔直器的电场场强仿真计算如图6所示，峰值功率Pmax的表达式如式（1-12）所示。

图6  波导隔直器电场场强图

Pmax=     （1-12）                 

由式（1-12）可以计算该波导隔直器的峰值功率为 6MW。在实际测试中，可能存在电场不均匀或是反射的问题，所以最终能安全传输的峰值功率一般如式（1-13）。

) Pmax（1-13）

即使按照最小值来计算，P取Pmax 的五分之一，波导隔直器的峰值功率为1.2MW。波导部件的击穿功率近似地与气压的平方成正比，这在零点几至几个大气压的范围内是正确的，馈线系统可充入2～3个大气压的干燥空气来提高功率容量。为了进一步提高功率容量可以充SF6气体，可以比空气提高约20倍。因此该隔直器的功率容量设计满足500kW的连续波功率。

2隔直器结构分析

隔直器的内部结构如图7所示，由外波导和内波导组成，外波导和内波导之间设计环形扼流槽，满足高功率传输。外波导端面设计有带环座的凹式阶梯座，内波导端面设计有带环肩的凸式阶梯座，凹式阶梯座与凸式阶梯座相匹配，环座与环肩分别设计相互对应的螺钉孔，外波导与内波导通过螺钉装配连接。外波导与内波导之间装配椭圆孔介质、密封圈、螺帽绝缘介质套，隔直器内部结构如图7所示。

图7波导隔直器内部结构

3隔直器电参数测试

3.1隔直电压试验

按GB3883.1-200015条电气强度试验方法进行，试验过程如下表1。

表1 电压试验数据表

直流电压（KV）	泄漏电流(mA)	时间(S)	次数	结论
3	0.16	5	10	无击穿
6	0.23	5	10	无击穿
9	0.28	1	1	击穿

通过隔直电压试验，电压为3KV时，波导隔直器满足设计要求。

3.2电压驻波比及插入损耗测试

电压驻波比VSWR及插入损耗测试结果如图8所示，将测试结果与仿真数据对比，两者吻合较好。

图8　波导隔直器电参数测试曲线

4结论

本论文设计了一种高功率波导隔直器，经过理论计算和仿真优化进行了产品设计，最后加工了实物进行验证，测试结果与仿真数据吻合良好，最终获得了3.6GHz-3.8GHz频段内，电压驻波比≤1.05，插损≤0.03dB，连续功率容量≥500KW的波导隔直器，很好的完成了设计指标，广泛应用于高功率微波通信领域。

参考文献：

[1]廖承恩，微波技术基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004：143.

[2]谢处方，绕克谨.电磁场与电磁波[M].北京：高等教育出版社，2004：04.

[3]曾正明，机械工程材料手册第5版[M].北京：机械工业出版社，1999.10.

作者简介

江红，女，1982年 7月出生，毕业于东北大学通信工程专业，现就职于零八一电子集团四川力源电子有限公司，工程师，主要研究方向为微波无源器件的研究与设计。

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张军，男，1982年 10月出生，毕业于成都工业学院工业设计专业，现就职于零八一电子集团四川力源电子有限公司，工程师，主要研究方向为微波无源器件加工工艺的研究。

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