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      高功率三階3 dB介質(zhì)定向耦合器的分析與設(shè)計

      2011-04-17 03:34:32覃基偉陳曉光朱繼宏
      電視技術(shù) 2011年13期
      關(guān)鍵詞:直通高功率三階

      覃基偉,陳曉光,朱繼宏

      (1.復(fù)旦大學(xué) 通信科學(xué)與工程系,上海 200433;2.上海明珠廣播電視科技有限公司,上海 200333)

      0 引言

      近年來,耦合器在廣播電視、移動通信等無線通信領(lǐng)域得到了更多應(yīng)用[1-3]。隨著應(yīng)用的增多,對耦合器的帶寬、功率、尺寸、集成度等指標(biāo)提出了更高的要求。本文在以空氣為介質(zhì)的三階定向耦合器的基礎(chǔ)上,通過增加具有高電壓擊穿特性的三氧化二鋁陶瓷片作為耦合介質(zhì),分析并設(shè)計了一款高功率三階3 dB介質(zhì)定向耦合器。此介質(zhì)耦合器在保證足夠帶寬的前提下,能夠提高耦合器的耐壓性能,從而實現(xiàn)了定向耦合器的高功率耦合。此類耦合器以其高耐壓性的優(yōu)勢,能應(yīng)用于廣播電視臺大功率(數(shù)十千瓦)發(fā)射機中。

      1 原理分析

      對于理想的3 dB耦合器,如圖1所示,輸入信號能量從端口1進入耦合器,耦合能量從耦合端口2輸出,其余能量從直通端口4輸出。但是由于耦合器的非理想性,在隔離端口3有部分能量輸出,且在輸入端口也有一部分能量被反射。

      其中,k為電壓耦合系數(shù),定義為

      通過級聯(lián)奇數(shù)個1/4波長的耦合段,反向耦合器能實現(xiàn)更好的性能,得到更寬的帶寬。下面求解圖2中三階定向耦合器耦合端和直通端的電壓[3]。

      耦合端口2和直通端口4的總電壓為

      由于對稱性,k1=k3,當(dāng)θ=π 2時,上面公式化簡為

      可以通過選擇耦合系數(shù)k1,k2,k3等來綜合所希望的耦合度響應(yīng)。

      2 高功率三階3 dB介質(zhì)耦合器的設(shè)計與測試

      如圖3和圖4所示,這是一個無介質(zhì)的三階定向耦合器,三階長度相等,均為76 mm。中間節(jié)上下板之間空氣的厚度為2d(變化范圍2~8 mm),中間節(jié)臺階高度為h(變化范圍6~20 mm)。此外,金屬板厚度為thi(變化范圍5~20 mm)。

      在實際的仿真優(yōu)化中還加入了6個銅質(zhì)螺釘(圖4中的b1~b6),通過調(diào)節(jié)螺釘長度,可以改善耦合器的平衡度、拓展帶寬以及優(yōu)化回波損耗與隔離度等。由于調(diào)節(jié)參數(shù)很多(d,h,thi,b1~b6),調(diào)試可大致分為粗調(diào)和微調(diào)兩部分。初始狀態(tài)為:d=1.5 mm,h=10 mm,thi=10 mm,b1=b2=b3=b4=b5=b6=0。HFSS軟件仿真的S參數(shù)曲線如圖5所示。

      圖5中,耦合器并沒有諧振,需要對b1~b6螺釘進行粗調(diào)以尋找諧振范圍,經(jīng)過粗調(diào)后S曲線如圖6所示。

      圖6中直通強于耦合,二者并未平衡,反射和隔離達到了10 dB以下,耦合器開始進入諧振狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上,對b1~b6進行微調(diào),并對d,h和thi進行相應(yīng)調(diào)節(jié),可得耦合器的S參數(shù)曲線如圖7所示。在優(yōu)化調(diào)節(jié)過程中,各參數(shù)對S曲線的影響如表1所示,“—”表示影響不大。

      表1 各參數(shù)對S曲線的影響

      圖7中,此耦合器在耦合與直通之間實現(xiàn)了很好的平衡,此外,回波和隔離度都能達到20 dB以下。

      通過實驗發(fā)現(xiàn),三階3 dB耦合器的中間節(jié),以空氣作為介質(zhì),即εr=1時,兩板間距小于6 mm。并且當(dāng)間距在2~3 mm時,耦合最強。這樣的間距,在功率很大(如應(yīng)用于廣播電視臺數(shù)十千瓦的發(fā)射機)時,兩板容易擊穿。為了防止擊穿,增加一塊絕緣介質(zhì)(如圖8和圖9所示),其相對介電常數(shù)εr=9.8。以三氧化二鋁為材料的介質(zhì)塊,長寬高分別為31 mm,130 mm,3 mm。在間距為3 mm的情況下,三氧化二鋁的擊穿電壓達到30 kV[5],可實現(xiàn)高功率輸入。此外,寬帶的三階3 dB耦合器的耐壓低,高功率的耦合器因此只能做成窄帶的,即在頻帶和功率兩個指標(biāo)中存在一個權(quán)衡問題。

      圖8和圖9中耦合器的中間節(jié)(第2節(jié))的長度θ2=30 mm,比第1節(jié)和第3階(76 mm)短,這是因為加介質(zhì)后,電磁波等效波長變短,如下式

      因此中間節(jié)的長度需相應(yīng)地縮短。將εr=9.8代入式(14)得到等效波長λ=0.319λ0。但是中間節(jié)長度并不能按此比例簡單地縮小到θ2=0.319θ1=0.319×76 mm=24.3 mm,因為介質(zhì)僅僅介于中間節(jié)上下兩板之間,并沒有完全覆蓋金屬,此處并不構(gòu)成線性關(guān)系。需要利用HFSS軟件對中間節(jié)長度進行優(yōu)化,在優(yōu)化時,可以用θ2=24.3 mm作為參考,因為通過定性分析,假設(shè)介質(zhì)能完全覆蓋金屬,則中間節(jié)長度為24.3 mm,沒有覆蓋時中間節(jié)長度應(yīng)當(dāng)大于此數(shù)值。事實上,通過HFSS優(yōu)化,中間節(jié)長度為30 mm。此介質(zhì)耦合器的參數(shù)b1~b6,d,h,thi的調(diào)試方法與前文無介質(zhì)耦合器的調(diào)試方法相似,此處主要闡述中間節(jié)長度θ2的優(yōu)化過程。圖10中顯示了中間節(jié)長度從24 mm增大到40 mm過程中各S參數(shù)的變化情況。

      從圖10可看出,中間節(jié)長度在27~33 mm范圍內(nèi),耦合器的平衡度、回波損耗、隔離度等參數(shù)較為理想,因此可以取中間節(jié)的長度為30 mm。

      通過HFSS仿真,分別得到無介質(zhì)耦合器和介質(zhì)耦合器兩板間的電場分布和最大場強,根據(jù)擊穿電壓分別計算兩種情況下耦合器的最大輸入功率。

      對于無介質(zhì)耦合器,中間節(jié)兩板間的最大電場強度為2 040.7 V/m(輸入1 W時得到的最大電場強度),空氣的擊穿電壓是3 000 000 V/m。由于兩塊傳輸板之間是空氣介質(zhì),所以得到最大允許輸入功率為(3 000 000÷2 040.7)W=1.47 kW。即當(dāng)輸入功率小于1.47 kW時,基本保證耦合板之間不被打火擊穿[6]。

      對于高功率3 dB介質(zhì)耦合器,中間節(jié)兩板間的最大電場強度約572.86 V/m(輸入1 W時得到的最大電場強度),由于兩塊傳輸板間三氧化二鋁介質(zhì)的擊穿電壓為10 000 000V/m[5],所以最大允許輸入功率為(10 000 000÷572.86)W=17.46 kW。即當(dāng)輸入功率小于17.46 kW時,基本保證耦合板之間不被打火擊穿[6]。需要說明的是,由于增加的介質(zhì)沒有完全覆蓋相應(yīng)金屬,并不構(gòu)成線性關(guān)系,因此此處得到的17.46 kW只是一個估算數(shù)值,但它能在一定程度上說明增加介質(zhì)后,耦合器的耐壓性能及最大輸入功率均得到了很好的改善。

      以上對比可以看出,三階3 dB耦合器的中間節(jié),以空氣作為介質(zhì),即εr=1時,由于最大輸入功率僅有1.47 kW,因此在輸入功率很大時,兩板容易擊穿。為了防止擊穿,增加一塊三氧化二鋁材料的絕緣介質(zhì),其相對介電常數(shù)εr=9.8。在間距為3 mm(即介質(zhì)厚度為3 mm)的情況下,此3 dB耦合器的輸入功率能夠增加到17.46 kW,從而實現(xiàn)高功率3 dB耦合。

      此高功率三階3 dB介質(zhì)耦合器的實物圖如圖11所示。

      使用安捷倫的網(wǎng)絡(luò)分析儀(見圖12)對其進行測量,型號為Agilent 8712ET 300 kHz~1 300 MHz RF Net?work Analyzer。經(jīng)過調(diào)試得到結(jié)果如圖13所示。從圖中可見,在800~900 MHz范圍內(nèi),此耦合器能達到較好的平衡度,除去網(wǎng)絡(luò)測試儀測量線損耗(約0.2 dB)的影響,直通S41和耦合S21均保持在-3.0~-3.2 dB范圍內(nèi)。隨著頻率升高,在900 MHz以上時,直通S41開始下降,耦合S21開始變強,兩者逐漸脫離平衡。對于隔離和回波反射,在810~912 MHz能保持在20 dB以下,并接近30 dB。網(wǎng)絡(luò)測試儀測量的實際結(jié)果與前文HFSS仿真的圖10c所述基本吻合。

      3 結(jié)論

      本文根據(jù)定向耦合器的工作原理及要求,利用HFSS軟件分析并設(shè)計了一款以空氣為介質(zhì)的三階3 dB定向耦合器,此耦合器能使耦合與直通實現(xiàn)較好的平衡,同時隔離端的輸出功率和輸入端的反射功率也得到了較好的控制,但以空氣為介質(zhì)的耦合器耐壓低,最大輸入功率只有1.47 kW。為了提高耦合器的耐壓性能和最大輸入功率,在前述定向耦合器的基礎(chǔ)上,使用具有高電壓擊穿特性的三氧化二鋁陶瓷片作為耦合介質(zhì),分析并設(shè)計了一款高功率三階3 dB介質(zhì)定向耦合器。此介質(zhì)耦合器在保證足夠帶寬的前提下,使耦合器的輸入功率由1.47 kW增加到了17.46 kW,從而可以應(yīng)用于廣播電視臺大功率(數(shù)十千瓦)發(fā)射機中。

      [1] COHN S B,LEVY R.History of microwave passive components with particular attention to directional couplers[J].IEEE Trans.Microwave Theory and Techniques,1984,32(9):1046-1054.

      [2] OLIVER B M.Directional electromagnetic couplers[EB/OL].[2010-08-20].http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=4051584.

      [3]POZAR D M.微波工程[M].張肇儀,周樂柱,吳德明,譯.3版.北京:電子工業(yè)出版社,2006.

      [4]WHITE J F.射頻與微波工程實踐導(dǎo)論[M].李秀萍,高建軍,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2009.

      [5] 尹衍升,張景德.氧化鋁陶瓷及其復(fù)合材料[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001.

      [6] 龍以水,陳曉光,朱繼宏.數(shù)字鄰頻雙工器中大功率三分貝耦合器設(shè)計與分析[J].電視技術(shù),2008,32(5):23-27.

      覃基偉(1983-),碩士生,主研無源濾波器件的設(shè)計、濾波器組;

      陳曉光(1964-),博士,副教授,主研無線通信、RF理論與技術(shù);

      朱繼宏(1952-),高級工程師,上海明珠廣播電視科技有限公司總經(jīng)理,主研廣播發(fā)射機、數(shù)字電視、天線、濾波器等。

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