微波铁氧体环行器相位调节方法与高相位一致性实现_徐榆鸿.pdf

资源描述

1、磁性材料及器件第 54 卷第 3 期 2023 年 5 月 86 微波铁氧体环行器相位调节方法与高相位一致性实现徐榆鸿，刘涛，王磊(中国电子科技集团公司第九研究所，四川绵阳 621000)摘要：针对应用于P、L、S波段相控阵雷达的铁氧体环行器高相位一致性的严格要求，分析了其相位一致性的影响因素，找到了高相位一致性控制的调测手段，提出采用子母盖板的形式来调节环行器的工作点磁场强弱，从而调整环行器的相位值，实测与仿真分析结果表明二者符合甚好，实测结果表明，10个器件的相位一致性控制在1以内，采用这种方式可方便、有效地调整环行器的相位，实现高的相位一致性，很好地满足了新一代相控阵雷达的应用要求

2、。关键词：相控阵雷达；铁氧体环行器；相位一致性；调节中图分类号：TN621文献标识码：A文章编号：1001-3830(2023)03-0086-04DOI:10.19594/ki.09.19701.2023.03.014著录格式：徐榆鸿,刘涛,王磊.微波铁氧体环行器相位调节方法与高相位一致性实现J.磁性材料及器件,2023,54(3):86-89./XU Yu-hong,LIU Tao,WANG Lei.Adjustment method of phase and implement of high phase consistency for microwave ferrite circula

3、tor J.Journal of Magnetic Materials and Devices,2023,54(3):86-89.Adjustment method of phase and implement of high phase consistency for microwave ferrite circulatorXU Yu-hong,LIU Tao,WANG LeiNinth Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Mianyang 621000,ChinaAbstract:In view of the s

4、trict requirements for high phase consistency of ferrite circulators used in P,L and S band phased array radars,this paper analyzes the factors affecting the phase consistency,finds the means of adjusting and measuring the high phase consistency control,and proposes to adjust the magnetic field stre

5、ngth of the working point of the circulator in the form of a mother and child cover plate,so as to adjust the phase value of the circulator.The actual measurement and simulation analysis results show that the two are in good agreement.The actual measurement results show that the phase consistency of

6、 the 10 devices is controlled within 1.This method can easily and effectively adjust the phase of the circulator to achieve high phase consistency,which well meets the application requirements of the new generation of phased array radar.Key words:phased array radar;ferrite circulator;phase consisten

7、cy;adjustment1 引言相控阵雷达是通过相位控制电子扫描阵列雷达，其快速而精确转换波束的能力使其能够在极短的时间内完成全空域的扫描。雷达内部是由大量相同的辐射单元组成的雷达阵面，每个辐射单元在相位和幅度上受波控和移相器独立控制，能得到精确可预测的辐射方向图和波束指向1-3。高相位一致性环行器由于其独特的传输特性和高幅相一致性，应用于相控阵雷达中，在系统辐射单元中起到收发双工的重要作用。早期雷达系统采用的技术体制不同，环行器用量较少，通常提出高功率、宽带宽、小型化、高双工性能等要求，而对其传输相位关注不多，对其研究甚少。然而随着有源相控阵技术的出现及发展，大型有源相控阵雷达中动辄成千上

8、万只环行器被应用到辐射单元中，其传输相位的一致性对雷达系统战术性能的影响就成了一个突出问题，需对相位一致性的影响因素及控制方式加以研究。收稿日期：2022-07-15 修回日期：2022-10-26通讯作者：徐榆鸿 E-mail:徐榆鸿等：微波铁氧体环行器相位调节方法与高相位一致性实现 87 本文从环行器的工作原理入手，分析影响环行器相位一致性的主要因素，通过HFSS对环行器相位进行仿真，了解环行器相位随内场的变化规律，从而探索提高批次环行器高相位一致性的方法，最后根据此方法设计制作了环行器样件，通过对10只样件相位一致性进行调测，批次环行器高相位一致性控制达到设计预期。2 环行器相位及其影响

9、因素与仿真2.1 相位影响因素分析根据工程经验，P、L、S波段工作的相控阵雷达中，由于工作频率较低、工作功率较高，通常采用高场模式设计4-5，高场环行器性能参数尤其是传输相位对偏置磁场的变化极为敏感，导致该频段环行器相位一致性较难控制。理论上，环行器的结构和材料完全相同的话，那么批次性不同器件传输相位应该是一致的，但实际上由于单只间所用的原材料的物理尺寸或材料参数不可能完全一致，导致每个环行器插入相位的不同。因此需要通过环行器的场理论4-5来研究环行器传输相位与其他常规参数间的关系。以带线圆结环行器为例，其非互易结构如图1所示。根据散射矩阵的方法对非互易结进行唯象描述，得出环行器相位与输入阻抗

11、efln(W1+HW1+t)(11)式中R、W1、H、t为圆盘结环行器中心导体的物理尺寸，k、为铁氧体基片的张量磁导率分量。通过上式可以看出由于旋磁材料磁导率的张量特性，环行器内部电路特性阻抗不仅与材料介电常数、物理尺寸相关，还与k、值有关。而k、值又与工作点磁场及饱和磁化强度密切相关6-9。根据(1)式环行器相位与输入阻抗的关系，可知影响环行器相位的因素主要包括材料介电常数、物理尺寸、工作点磁场和旋磁材料饱磁化强度等。本文着重研究工作点磁场强弱对环行器相位的影响。2.2 磁路设计改进本文主要针对工作点磁场对相位的影响来进行磁路设计，以实现微波铁氧体环行器高相位一致性。磁路设计遵循如下定律10

12、：在磁路的任一结点处，进入该处的磁通与离开该处的磁通的代数和为零，即基尔霍夫第一定律：=0(12)作用在任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁位降的代数和，即基尔霍夫第二定律：NI=k=1nHkLk(13)图1 带线结环行器非互易结磁性材料及器件第 54 卷第 3 期 2023 年 5 月 88 以S波段带线环行器为例，通常其组成结构主要包括腔体、上下基片、上下磁体、均磁片、垫片、中心导体和单一螺纹盖板，单一螺纹盖板通腔体构成闭合磁路，如图2所示。单一螺纹盖板与腔体构成闭合磁路，由于磁体的尺寸和性能不变，磁路中的磁动势不变，根据磁路“欧姆”定律，无法对内部磁场进行调整。为实现环行器内部工作

13、点磁场的微调，将单一螺纹盖板设计成子母螺纹盖板，子母螺纹盖板与腔体构成闭合磁路，子盖板厚度低于母盖板，子盖板通过螺纹与母盖板连接可以上下旋进，如图3所示。通过调节子盖板上下移动，磁路中的磁阻发生变化，子盖板向上移动，磁路磁阻增大，磁通量减小，旋磁基片工作点磁场也减小，反之亦然。MAXWELL磁路仿真结果如图4所示，磁场强弱变化仿真结果与理论分析一致。因此通过调节子盖板的上下移动，就可以对旋磁基片工作点磁场的强弱进行精确的调试，进而可对环行器相位进行调控，满足高相位一致性要求。3 仿真与试验验证以S波段带线环行器为例，通过HFSS建立电路仿真模型并制作环行器，结果如图 5 所示。利用MAXWEL

14、L与HFSS联合仿真获得子盖板相对母盖板移动不同位置时(高度自下而上)环行器的传输相位值，并与实测值对比，结果如图6所示，可以看出二者符合甚好。按上述设计制作10只环行器样品，通过子母盖板调节环行器的相位值，结果如图7所示，表明通过子母盖板相位调试手段，环行器批次间相位一致性可以控制在1以内，很好地满足相控阵雷达系统的实际应用要求。图4 对应子盖板向上移动不同距离的环行器磁路仿真结果：(a)0.2 mm，(b)0.4 mm，(c)0.6 mm，(d)0.8 mm(a)剖视图(b)俯视图图2 单一螺纹盖板的环行器(a)剖视图(b)俯视图图3 具有子母螺纹盖板的环行器徐榆鸿等：微波铁氧体环行器相位

15、调节方法与高相位一致性实现 89 4 结论结合对微波铁氧体环行器高相位一致性的要求，分析了其相位一致性的影响因素，提出采用子母盖板的形式来调节环行器磁路磁阻，调整工作点磁场，从而实现环行器相位的调控，实现环行器批次间高相位一致性。测试结果表明，通这种调节方法，相位一致性可以控制在1以内，满足新一代相控阵雷达的应用要求。参考文献：1夏光滨,方勇,赵伟东.基于PIC单片机串行轮询通信的相控阵雷达发射机监控设计J.科技创新导报,2016,13(17):74-75.2唐晓雷,王索建.阵面机械轴误差对相控阵雷达测角精度影响分析与验证J.电讯技术,2022,62(3):323-329.3蒋伟,盛文,王挺,

16、等.相控阵雷达T/R组件的效费比随机Petri网维修模型J.电讯技术,2019,59(12):1481-1487.4Wu Y,Ku W H,Erickson J E.A study of nonlinearities and intermodulation characteristics of 3-port distributed circulators J.IEEE Trans Microw Theory Techn,2003,24(2):69-77.5王家礼,朱满坐,路宏敏.电磁场与电磁波M.西安:西安电子科技大学出版社,2001.258-261.6Milano V,Saunders J

17、H,Davix L A.Y-junction stripline circulator J.IRE Trans MTT,1960,8(5):346-351.7Bosma H.On stripline Y-circulator at UHF J.IEEE Trans MTT,1964,12(1):61-72.8Helszajn J.Operation of tracking circulators J.IEEE Trans MTT,1981,29(7):700-707.9魏克珠,李士根,蒋仁培.微波铁氧体新器件M.北京:国防工业出版社,1995.60-184.10 戴道生,钱坤明.铁磁学M.北京:科学出版社,2017.20-400.作者简介：徐榆鸿(1981)，男，大学本科，高级工程师，研究方向为微波铁氧体器件。图5 S波段环行器的(a)HFSS电路仿真模型及(b)实物照片0.00.20.40.60.81.060708090100 相位值/()h/mm 实测值仿真值图6 环行器相位随子盖板移动距离的变化：仿真值与实测值对比1234567891078798081828384 相位值/()相位值下限样品相位值相位值上限环行器样品批次图7 环行器样品批次相位实测值

展开阅读全文