一种U波段机电波导开关的设计①

王景新，牛之友，文春华

(中电科仪器仪表有限公司，青岛 266000)

0 引言

目前，随着5G通信的发展，40GHz～60GHz左右的频段引起了各方面的关注。从理论上说，若进一步提升系统容量，增加带宽势在必行。但是，10GHz以下无线频谱分配拥挤不堪的现状已排除了这种可能，若要实现超高速无线数据传输需开辟新的频谱资源。近年来，各国陆续开放了U波段附近的频段用作一般用途，如美国开放了57GHz～64GHz，中国也开放了59GHz～64GHz。U波段处于大气衰减极值附近，应用于保密通信、卫星间链路通信、干扰及抗干扰等系统中[1-3]，因此对U波段各种微波系统的研究具有重要意义。随着科学技术的发展，通信业务尤其是保密通信对U波段有着越来越多的需求，U波段的应用日趋成熟。为使微波信号在不同通道间转换，不可避免的需要用到微波开关。根据传输线类型不同，机电式微波开关分为机电同轴开关和机电波导开关两种。一般机电同轴开关频带较宽，但是电压驻波比较高、插入损耗较大，不能满足精密电子系统的需求。机电波导开关因其电压驻波比低、插入损耗小、功率容量大等特点，越来越受到工程师和系统设计师的关注[4-6]。因此，为满足5G通信及保密通信的需求，微波系统对U波段大功率容量、高性能微波开关的需要，有必要开展U波段波导开关的研制。

开关转子的通道数目不同，波导开关实现的功能不一样，波导开关可以分为C型开关和R型开关[7-9]。C型波导开关有两条弯通道，可完成两种工作状态的变换，其切换形式为双刀双掷。在通信系统中，C型波导开关有着广泛的应用。

1 结构及原理

本文设计了一种C型U波段波导开关。C型波导开关包含两个微波通道，可以实现双刀双掷开关的功能。波导开关分为驱动部分、电路系统、传动结构和微波系统四部分，如图1所示。其中驱动系统的作用是将控制信号的电能转化为机械能，为波导开关状态切换提供动力，在无外部激励时将开关保持在原有位置状态；电路系统的功能是实现对电机施加激励控制，消除线圈反峰电压并提供开关状态信息；传动结构的功能是连接电机转子和微波转子，将电机旋转力矩传递给微波转子，从而驱动微波通道的切换；影响波导开关微波性能指标的是微波系统，其主要完成微波信号的高质量传输，是波导开关信号传输工作的最终执行者。本文通过微波系统结构设计及仿真分析，设计出了一种高性能U波段波导开关。

图1 波导开关结构Fig.1 The structure of waveguide switch

C型波导开关的工作原理是，通过电路系统施加电信号，驱动部分产生切换动力，通过传动结构，带动微波转子在-45°和45°两个位置往返运动，切换两个通道，实现双刀双掷的功能，如图2所示。

图2 波导开关工作状态Fig.2 The operating state of waveguide switch

2 微波参数设计

波导开关的主要微波设计参数为电压驻波比、插入损耗和隔离度[10]。本产品微波参数设计目标如表1所示。从微波参数设计目标中可以看到本产品具有宽频带、低驻波、小插损、高隔离的特点。

表1 微波参数设计目标Tab.1 Design objectives of microwave parameter

2.1 电压低驻波比设计

不考虑微波转子和微波定子间的断开间隙时，波导开关的微波通道由微波定子的直波导和微波转子的90°弧形波导组成，电压驻波比随着微波转子弧形波导的弯曲半径增加而减小，并可以用等效电路理论进行计算[8]。通过HFSS软件仿真，得到90°BJ500弧形波导的电压驻波比随弯曲半径r的变化仿真结果如图3所示。由图中可知，弯曲半径越大，直波导和弧形通道越可以实现良好匹配。考虑到加工制造的可行性，本产品选择的是r=5mm，此时最大电压驻波比为1.05，满足电压驻波比≤1.1的设计要求。

图3 波导开关电压驻波比仿真曲线Fig.3 The simulation curve of voltage standing wave ratio

2.2 小插入损耗设计

波导开关主要用于多通道微波收发系统，小插入损耗指标有利于提高接收设备动态范围，进而提高设备的灵敏度。但是本文研制的波导开关是一种旋转式机电波导开关，通过微波转子在微波定子中的旋转实现微波通道的切换，因此为了保证微波转子的转动灵活，微波转子和微波定子间存在一定的间隙，下文称之为通道间隙(设为d)。由于通道间隙的存在，导致微波信号泄露不可避免。通道间隙可以看做与波导通道并联的谐振腔，谐振腔中的谐振频率与传输信号频率一致时，出现图4所示的谐振现象，由仿真结果可知，谐振频点附近，波导开关的微波性能急剧恶化。因此，本产品的设计重点为如何优化通道间隙，阻止信号的泄露。

图4 无扼流槽时，场分布图Fig.4 The field distribution when there is no choke

通过HFSS仿真软件的优化功能，对波导开关的微波系统通道间隙进行建模仿真优化，优化前后的波导开关微波系统插入损耗的仿真结果如图5所示。由图中可以看出，优化前(d=0.03mm)，开关插入损耗较大，并且在41.5GHz左右，插入损耗突然变大。优化后(d=0.0147mm)，插入损耗指标良好，小于0.04dB，并且曲线较为平滑。达到设计目标要求，且有较大余量。考虑到加工的可行性，本产品选择通道间隙为d=0.15mm，并进行仿真验证，如图6所示，由图6可知，通道d=0.15mm时，最大插入损耗为0.045dB，满足插入损耗≤0.3dB的设计要求。

图5 优化前后波导开关插入损耗仿真曲线Fig.5 The simulation curve of insertion loss before and after optimization

图6 通道间隙d=0.15mm时插入损耗仿真曲线Fig.6The insertion loss simulation curve when the channel gap d is 0.15mm

2.3 高隔离度设计

隔离度是微波通道间信号干扰指标。提高隔离度的传统方法是在微波转子上设置扼流槽，但是对于U波段波导开关，仅采用设置单向扼流槽的方法，不足以遏制信号泄露，如图7所示，指标不能达到要求。为提高扼流效果，本产品采用设置正交扼流槽的方式。在通道间隙设置正交扼流槽，实现微波定子和微波转子的电气接触；同时在微波转子圆柱面设置多个单向扼流槽，进一步提高隔离度。通过HFSS仿真软件建模计算，U波段(40GHz-60GHz)波导开关微波系统隔离度仿真结果如图7所示，设计方案为正交扼流槽时，开关全频段隔离度大于80dB，达到设计目标要求。

图7 波导开关隔离度仿真曲线Fig.7 The simulation curve of isolation

2.4 功率容量仿真分析

波导开关的微波通道为空气填充，峰值功率容量考核的是微波通道内空气抗电击穿的能力。在常压下空气的电场击穿场强为3×106V/m。通过HFSS仿真分析，输入功率为170kW时，微波通道内的电场强度分布情况如图8所示，由图中可以看到，此时电场强度的最高值为2.95×106V/m，小于常压空气击穿场强，因此开关常压峰值功率容量≥170kW，满足开关安全性能要求。

图8 输入功率170kW，场强分布Fig.8 The field-intensity map(input power is 170kW)

空气击穿场强随压强的变化而变化，其关系如图9所示。由图9可以看出，击穿场强最低点位于(40kV/m,45000m)附近，因此可以得出波导开关在低气压下的功率容量。输入功率为3kW时，微波通道内电场强度分布如图10所示，由图中可以看出，输入功率3kW时，电场强度最高值为39.2kV/m，小于低气压下空气最低击穿场强40kV/m，表明开关低气压峰值功率容量≥3kW，远高于初始设计指标要求，满足目前通信系统中使用条件。

图9 击穿场强随气压(高度)变化图Fig.9 The distribution of the breakdown field with pressure (and height)

图10 输入功率3kW，场强分布Fig.10 The field-intensity map(input power is 3kW)

3 实测结果

通过上述对波导开关微波系统的设计，尤其是对微波通道间隙的优化，设计出微波间隙在0.02mm-0.04mm之间。制造出的实物产品如图11所示，产品实测曲线如图12所示。实测结果为，在40GHz-60GHz频率范围内，波导开关电压驻波比<1.08，插入损耗<0.3dB，隔离度>80dB，完全达到设计目标要求。

图11 产品图片Fig.11 product picture

(a)电压驻波比 (b)插入损耗(a)voltage standing wave ratio (b)insertion loss

(c)隔离度(c)isolation degree图12 实测结果Fig.12 The result of actual measurement

4 结论

本文设计了一款工作于U波段(40GHz-60GHz)的机电波导开关。通过对微波系统微波通道的间隙分析，并通过HFSS仿真软件对产品进行优化，确定了通道间隙尺寸，设置了正交扼流槽。在此基础上完成了产品的加工制造，得到了实测结果。本次设计完成了预期设计目标要求，U波段波导开关电压驻波比小于1.08，插入损耗小于0.3dB，隔离度大于80dB，实现了低驻波比、小插损、高隔离的技术要求。