一种抑制微放电的宽带大功率定向耦合器设计

秦 楚，张 恒，屈文星，崔万照

(1.中国空间技术研究院西安分院，西安 710000；2.西安卫星测控中心，西安，710100)

0 引言

在卫星有效载荷系统中，3dB定向耦合器常用于微波信号的合成分路处理，随着航天技术的不断发展，对定向耦合器的带宽与功率容量需求随之提升，宽带大功率定向耦合器的设计已成为微波领域重点研究的课题。在真空环境中，大功率器件容易引发微放电效应[1]，影响器件性能与寿命。因此，在器件设计时应充分考虑微放电效应，采用有效抑制手段，确保器件在轨稳定可靠。

在微波工程应用中3dB定向耦合器常用类型有平面耦合器、波导耦合器与耦合线耦合器3类。平面定向耦合器为满足宽带需求，常采用多级级联设计，但该设计Q值低、损耗大，且功率容量受隔离电阻制约，多用于小功率应用场合[2]；波导定向耦合器功率容量较高，但带宽较窄且体积较大，星载成本较高[3]；耦合线定向耦合器工作带宽较宽，通过使用合适的介质层材料代替空气层，可有效提高功率容量，选用高导热介质材料，可解决真空环境中放电部位过热至损的问题[4]。

本文结合L频段某型卫星载荷应用需求，针对大功率宽带3dB定向耦合器在真空环境中产生的微放电效应进行分析，提出采取耦合线定向耦合器设计方法，选用高导热材料代替空气层作为耦合器介质，以满足工程应用需求。

1 耦合线定向耦合器工作原理

耦合线定向耦合器(合成电桥)为4端口器件，分为输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口，信号从输入端进入，按一定比例被分配到直通端口和耦合端口输出，理想情况下隔离端无信号输出[5]。其中，3dB定向耦合器输出端口与耦合端口输出功率等分，输出信号相位相差90°，其耦合区长度或称耦合节长度为工作中心频率的1/4波长，耦合器结构如图1所示。

图1 耦合线定向耦合器Fig.1 Coupling structure directional coupler

定向耦合器常采用耦合度C，方向性D，隔离度I来表征，对于单节耦合线耦合器，常用奇偶模分析法进行设计[6]。

S11=S31=0

(1)

(2)

(3)

k0与耦合度C(dB形式)的关系为：

(4)

根据上述公式可知，其耦合口与直通端相位相差为90°，其耦合度与电长度有关，在中心频率处耦合最强，偏离中心频率耦合度随之递减，在θ=π/2时，耦合端有其第一个最大值，若特征阻抗与电压耦合系数k0已知，则可得：

(5)

(6)

2 微放电效应

在真空环境中，发生在两个金属或介质材料之间或是单个金属或介质材料表面的谐振放电现象，称为微放电效应[8]。微放电效应又称为电子二次倍增效应，在微波器件中游离的自由电子在电磁场的驱使下，在器件内不断往返运动并加速轰击器件表面，同时产生大量二次电子，直至形成谐振放电现象[9]。

微放电效应与射频频率f和间距尺寸d有关，射频频率是固有的，在设计时，为了增大电子渡越时间，应尽可能增大导体之间的间隔尺寸，使电子的渡越时间长于电压周期的一半，从而增大器件的功率容量[10]。

随着导体之间距离的增加，器件的体积和重量也会增加。在卫星系统中，重量和体积与成本密不可分，通过增加导体之间距离的方法并不可取。因此，在导体之间填充介质，扩大等效间隔是一种经济而高效的方法[11]。填充介质缩短了电子的平均自由程，使电子渡越时间大于射频电压周期的一半，提高了微放电效应功率阈值与器件功率容量。

介质中二次电子的发射金属材料放电产生的热量更多，而大部分介质导热率不高，造成放电部位热量堆积，导致器件局部热量过高而发生损坏[12]。因此，介质基板的选择十分重要。

综上，在某型号定向耦合器设计中，针对真空功率容量需求，采用高导热介质材料代替空气层，达到扩大等效间隔效果；针对介质材料导热率不高问题，在建模仿真与加工时，选用高导热材料Rogers TC350+(介电常数3.55，导热率1.23W)，利用软基板多层混压方式进行产品设计与加工。同时，设计时对基板宽度进行加宽处理，进一步扩大散热面积，有效提升介质导热效率。

3 定向耦合器仿真设计

定向耦合器设计指标如下：工作频段：1～1.5GHz，反射系数≤-20dB，隔离度≦-20dB，耦合度3dB，带内损耗0.5dB，真空微放电功率连续波300W。

耦合器采用三层结构介质基板，利用软基板多层混压方式[13]，采用两层金属带线混压，仿真时设置介电常数为3.55。根据奇偶模分析法，耦合电压系数k0=10-3/20=0.708，特征阻抗Z0=50Ω，则可得奇偶模阻抗理论值Z0e=120.92Ω，Z0o=20.67Ω。

在HFSS软件中进行耦合器设计仿真，按照常用微波组件综合方法进行参数计算[14]，通过调整带线宽度与耦合间距，使仿真结果与理论值相同。仿真结果如图2所示。

图2 耦合器仿真结果Fig.2 Simulation results of the directional coupler

以计算得到的带线宽度与耦合间距为初始尺寸，建立端口模型，优化端口、过渡段、接地孔尺寸等参数，直到仿真指标满足性能要求。定向耦合器仿真指标如表1所示，耦合器仿真模型如图3所示，仿真曲线如图4所示。

表1 定向耦合器仿真指标Tab.1 Simulation index of the directional coupler

图3 耦合器仿真模型Fig.3 Simulation model of the directional coupler

图4 耦合器仿真曲线Fig.4 Simulation curve of the directional coupler

4 实测验证

根据仿真模型参数进行定向耦合器加工设计，耦合器加工实物图如图5所示。

图5 定向耦合器实物图Fig.5 Physical object of the directional coupler

将定向耦合器接入矢量网络分析仪，对实物进行测量，实测结果如表2所列，实测曲线如图6所示。

表2 定向耦合器实测结果Tab.2 Measurement results of the directional coupler

图6 耦合器实测曲线Fig.6 Measured curve of the directional coupler

按照微放电试验标准搭建测试平台[15]，将合成桥接入真空罐，真空度小于1.5×10-4Pa，分别在中心频率1.25GHz与上边频1.5GHz处进行微放电试验，实验条件如表3所列。

表3 耦合器测试环境参数Tab.3 Test environment parameters of the directional coupler

微放电试验实测场景图如图7所示。

图7 微放电试验实测场景图Fig.7 Testing scene of the micro-discharge test

实测结果表明耦合器在入射功率连续波为300W，脉冲为1100W时无异常现象，定向耦合器复测性能良好。

5 结论

在卫星载荷真空应用环境中，大功率宽带定向耦合器会出现微放电效应，本文采用耦合线结构定向耦合器进行设计，耦合器中间层介质中使用了高导热材料Rogers TC350+。在真空度优于1.5×10-4Pa的环境下对耦合器进行大功率实测，测试过程中器件温度低于85.3℃，复测性能良好，结果表明器件在满足耦合度、隔离度、损耗等指标的同时，可有效抑制真空环境中微放电效应，确保了耦合器的工作性能。