微波均衡器中微调螺钉的作用研究

微波均衡器中微调螺钉的作用研究 微波均衡器中微调螺钉的作用研究 第34卷第l期 2006年2月 河南师范大学(自然科学版) -,0"rn0厂HenanNormalUniversity(NaturalScience) VoZ.34No.1 Feb.2006 文章编号:1000—2367(2006)01--0051—03 微波均衡器中微调螺钉的作用研究 杨明珊h.,张德伟.,周东方.,牛忠霞 (1.郑州大学信息工程学院,郑州450001;2.解放军信息工程大学信息工程学院,郑州450002) 摘要:微波幅度均衡器是由吸收型同轴谐振腔作为其基本结构单元多级级联实现,谐振频率主要通过改变 腔长和探针插人深度来调节,同时改变微调螺钉也能影响谐振频率.从理论上阐述了微调螺钉对同轴谐振腔谐 振频率的影响程度,在电场占优的地方,螺钉插人越深,降低谐振频率;反之,在磁场占优的地方,螺钉插人越深,增 大谐振频率.并利用HFSS软件仿真子结构谐振腔的电磁场分布,从而确定微调螺钉的位置.根据微调螺钉对谐振 同时,微频率影响的规律,采用补偿调试的还能减小温度对谐振频率的影响,调螺钉还能抑制寄生模的产生. 关键词:微波幅度均衡器;微调螺钉;同轴谐振腔;谐振频率;补偿调试 中图分类号:TP212.9文献标识码:A 大功率行波管等微波管是雷达等电子装备的核心部件,但是对于双模行波管实际工作中存在等激励条 件下各频点无法工作在最佳状态,输出功率波动较大的问题,尤其是大功率行波管 增益波动比较大,这对发 挥行波管的效能,保证行波管处于良好的工作状态及保持系统良好的传输特性都是非常不利的.在微波管激 励端增加微波幅度均衡器,它是一种无源器件,可以根据微波管的增益特性,调整均衡器的均衡曲线,使得微 波管的输入功率在各频点达到饱和状态,这样就能实现微波管在输出功率波动较小条件下的最大输出【l]. 行波管的输出功率曲线通常可认为由数个呈抛物线型曲线叠加而成,均衡这种曲线的方法是使用数个 可调的,抛物线型的(半正弦)均衡器.微波幅度均衡器就是采用结构简单,调节方便的吸收型同轴谐振腔作 为其基本结构单元,采用多级子结构级联的方法实现,由于每支行 波管的增益频率特性各不相同,需要根据每支行波管的最佳激励曲 线设计相应的均衡器,因此均衡器应要求可调范围大,研究均衡器 各调节因素具有重要的意义.图1是基于同轴传输线的均衡器单子 结构.谐振腔一端为可调短路活塞,另一端与主传输线相连,内导体 是可调探针,此结构是X/4型电容加载式同轴谐振腔.通过调节可 调活塞改变同轴谐振腔的腔长Lc,调节可调探针的插入深度Ls从 而改变耦合电容,谐振腔的频率主要由腔长和耦合电容确定0].外 导体侧壁放置一个或两个微调螺钉,可以微调谐振频率,同时还可 以形成吸收损耗. 1微扰理论分析微调螺钉对谐振频率的影响罔.微波均衡器单子结构 谐振腔的微扰理论,就是当谐振腔相对于原来发生很小的变 化,如在形状上稍有改变,或在腔中引入体积很小的介质或金属材料时,对腔体的电参数(如谐振频率,品质 因数等)所带来的微小扰动问题. 收稿日期:2005一O4—15 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60071031) 作者简介:杨明珊(1968一),女,江西南昌人,郑州大学副教授,解放军信息工程大学 博士研究生,主要从事微波均衡器的 研究. 河南师范大学(自然科学版) 假设谐振腔空气填充,腔壁为理想导体,微扰前,睹振频率为?,电磁场为叠.,疗.,苗.,.;引入微扰后, 电磁场为蔗,膏,五,,谐振频率的增量为,电磁场的增量为蔗,膏,自,,;.则 [(蔗.?5o--Eo?D'1)+(再?B—o一商?五)ld ,=—————————————————————————————————————————————————————————————————一 ?l[(蔗..+-H--+..Bo)] 其中,l[(壹..十一H..五)]d=4w 该式即为频率微扰.其左边示微扰引起的谐振频率的变化量,右边表示腔中储能的变化量. 设体积?V很小的介质引入腔中的情况,引入的介质参数为e,,,则 j[(e—E0)蔗?Eg-t-(一.)育?百]dV,9,===一——————————————一 叫W 论文讨论的微调螺钉是金属材料制成,属于良导体,故有e一..,一cx.,则 蕊,-『(e.I蔗.I.一I-H--+.1.)dV4W(3) 由公式3可看出,在电场占优的地方旋入微调螺钉时,谐振频率将降低,相当于腔体等效电容增大,此时 为容性微扰;同理,在磁场占优的地方旋入微调螺钉,谐振频率将升高,相当于感性微扰. 2HFSS仿真谐振腔电磁场分布 A同轴谐振腔,可以利用长为l,一端短路另一端开路的双线来等效.根据传输线理论,其输入阻抗为: Z一jzotg(4) 谐振时一..,谐振条件为:2ul=(2一1)号,z=(2一1)=l,2,…(5) 可见,腔长z一定时,每个对应一个谐振波长,即一个振荡模式.图2和图3分别为 =2,3时的谐振腔电 场分布图. HFSS(HighFrequencyStructureSimulator)软件是 利用电磁场三维有限元方法的高频结构仿真软件,对于 样品可以方便,快捷的进行仿真和优化,仿真结果和实际 微波均衡器性能通过网络分析仪测试结果相吻合,精度 较高.图2是HFSS仿真微波均衡器谐振腔电场分布图, 可见均衡器设计的工作频段内是:3的振荡模式.所 以,微调螺钉的位置一般确定在电场最大和磁场最大的 位置,可以根据需要选择使用微调螺钉的数量. 3补偿调试法减小温度频率漂移 体的变形受到限制,另外可调活塞的轴向变形很小可忽略,所以,温度对探针轴向的变形影响最大,温度升 高使得探针插入越深,负载电容增大,所以谐振频率降低.当温度变化时,根据频率漂移的方向,选择合适材 料的微调螺钉,在电场最强处或磁场最强处旋入或旋出,来抑制或补偿频率漂移的幅度,这就是微调螺钉材 料补偿的基本思想. 例如在高温环境下,由于探针插入深度和谐振腔腔长的变化,使谐振频率向低频端漂移.根据同轴谐振 第1期杨明珊等:微波均衡器中微调螺钉的作用研究 腔的金属螺钉微扰理论可知,微调螺钉加在磁场占优势的地方,属于感性微扰,随着微调螺钉旋人,使谐振频 率升高.此时可以考虑用线膨胀系数相对比较大的微调螺钉,如铝钉,铍青铜钉等,温度升高变形较大,对频 率漂移的补偿效果明显.反之,在低温环境下,微调螺钉可放置在电场占优的位置.在实验巾针.对某型号均衡 器,在一55?时的衰减曲线和常温曲线相比插入损耗最大减小量为2+2dB,使用微 调螺钉补偿调试之后,在 -- 55?的衰减曲线和常温相比插入损耗最大减小量为l_1dB. 4微调螺钉抑制寄生模的产生 X/4微波同轴谐振均衡器设计的工作模式是TEM波,但由于腔体结构或材料的不均匀性等原因,可能 产生寄生模,如果这些寄生模的谐振频率在工作频段范围内,将影响均衡器的工作性能.实践证明,这些寄 生模对微调螺钉比主模灵敏.所以,调节微调螺钉可以有效抑制寄生模的产生,在实际应用中时常被采用. 5结论 (1)微波幅度均衡器采用结构简单,调节方便的吸收型同轴谐振腔作为其基本结构单元,采用多级子结 构级联的方法实现,谐振腔的频率主要由腔长和探针插入深度确定,微调螺钉可以微调谐振频率. (2)在电场占优的地方旋入微调螺钉时,谐振频率将降低,相当于腔体等效电容增大,此时为容性微扰; 同理,在磁场占优的地方旋入微调螺钉,谐振频率将升高,相当于感性微扰. (3)微调螺钉材料补偿法可以有效减小温度对谐振频率的影响.当均衡器的工作温度发生改变时?根据 频率漂移的方向,选择合适材料的微调螺钉,在电场最强处或磁场最强处旋入或旋出,来抑制或补偿频率漂 移的幅度.同时,调节微调螺钉可以有效抑制寄生模的产生. 参考文献 [13BarbariaRG.CoaxialResonatorsPreciselyAdjustEqualizationCurves[J].Microwavea ndRF,1988?(5):184—192. 1-2]KunduAC,BroadbandTEM-modeplanar—rectangulardielectricwaveguidebandpassfilteranditsminiaturizationLJJ. IEEEMTT—SDigest,2002,(1):381—383. [3]王新稳,李萍.微波技术与天线[M].北京:电子工业出版社.2004.161—165. C43MakimotoM,YamashitaS.无线通信中的微波谐振器与滤波器[M].赵宏锦译.北 京:国防工业出版社,2002.22—26. [5]顾其诤.介质谐振器微波电路[M].北京;人民邮电出版社,1986.133—135, StudyontheEffectofTrimmerScrewintheMicrowaveEqualizer YANGMing-shan?,ZHANGDe—wei.,ZH0UDung—fang.,NIUZhong—xia. (1.CollegeofInformationEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450052,China; 2.CollegeofInformationEngineering,InformationEngineeringUniversityofPLA,Zhengzhou450052,China) Abstract:Themicrowaveequalizerisinterconnectedbyseveralsinglesubstructures,whichistheabsorptivecoaxial transmissionlinecoaxialcavityresonator.Thefrequencyofcavityresonantischangedmainlywiththelengthofcavityresonant andthedepthoftheprobe,andalsowiththetrimmerscrew.Thepapergivesthereasonableexplanationfromtheelectromag— netictheorv,thedifferentlocationoftrimmerscrewcangivethedifferentinfluenceofresonantfrequency,thatisdeepeningthe trimmercandecreasethefrequencywhenitisintheelectricalfielddominantposition.andviceversa.HFSS(HighFrequency StruCtUreSimulator)softwareisusedtOsimulatetheelectromagneticfielddistributionofthecavity,andthelocationoftrim— merscrewcanbedetermined.ThemethodoftrimmerscrewcompensationtuningcanbeusedtOdiminishtheeffectoftempera— tureonresonantfrequency,andtrimmerscrewcanrestrainparasiticmodeselectromagneticwavebirth. Keywords:microwaveequalizer~coaxialcavityresonator;trimmerscrew;resonantfrequency;compensationtuning