低频段高功率电调谐振器技术分析

李春红，贾建蕊，卢红丽

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

流星突发通信是一种以流星余迹为媒体的通信体制，工作于甚高频(VHF)频段，最佳的工作频率为30～50 MHz，传播距离远，具有受干扰较小、截获概率低等优势，在国家灾害应急通信和军事通信领域都有很好的应用价值[1-2]。同时，随着无线通信的快速发展和通信对抗技术的不断进步，通信设备常使用电调滤波器作为军事通信最重要的抗干扰措施之一[3-5]。

但是，由于低频段无线通信技术的特点，系统内收发信通道所使用的腔体滤波器在满足低损耗和高通过功率的要求时，通常体积庞大，其中，宽调谐、大功率的可调滤波器更是难以实现轻量化和小型化的结构，因此设计高性能、可集成化灵活安装的滤波器是目前亟待解决的问题。

本文利用三维仿真软件，对低频段、高功率且连续可调的谐振器设计中遇到的问题进行了分析，提出了一种同轴混合式的谐振器形式，在调谐范围、功率容量、结构小型化设计方面进行了详细的阐述，对射频滤波器的设计具有一定的参考价值。

1 谐振器方案选择

1.1 λ/4同轴谐振腔

传统同轴腔谐振方式是λ/4同轴腔体结构，以此设计的机械调谐腔体电调滤波器[6]，在内导体短路端穿入调谐杆，等效为调节内导体在腔体内部的长度，实现频率连续可调，其Q值最佳,承受功率最高，但是在VHF频段的最低频率，采用这种设计方式，体积极大。

1.2 λ/4加载型同轴谐振腔

λ/4电容加载同轴谐振腔是在内导体开路端加入调谐杆，通过调整调谐杆伸入内导体内部的长度来实现频率连续可调[7]。这种谐振方式，内导体的长度比λ/4小些，但是体积仍然比较大。

当采用SIR双同轴谐振器结构[8-9]，内导体由2段不同特性阻抗的传输线组合而成，可以将内导体长度缩短，适合低频段滤波器的小型化设计。

1.3 螺旋线谐振腔

在VHF频段，常采用螺旋线形式作为腔体滤波器的谐振器，Q值相对较低，优点是体积很小。在螺旋谐振腔中接入PIN管，通过调整变容管的电容来调谐滤波器频率，调频速度快，受变容管的功率限制，适合于小功率的电调滤波器[10-11]。

在螺旋谐振腔中内导体开路端加入调谐杆，通过改变调谐杆伸入腔体的长度，也改变谐振频率，但螺旋线圈有尖端放电效应，通过功率受到限制。

1.4 混合式谐振腔

结合螺旋线和电容加载型2种谐振器的优缺点，提出一种新的内导体结构形式[12]，即内导体采用了螺旋线和传统内导体相结合的变形结构，在空心内导体的外壁上镂空螺旋线轨迹开槽，利用螺旋线可以大幅减小内导体长度的优势，对内导体局部缩短，避免了在低频段传统形式的均匀阻抗内导体长度超长的劣势，能够满足腔体小型化的要求。

2 谐振器小型化分析

在ANSYS HFSS三维电磁场仿真软件中，分别建立仅外导体高度不同的螺旋线谐振器、SIR同轴谐振器、新型混合式谐振器单腔模型[13]，设置本征模式，调整调谐杆的长度L，计算出谐振腔的谐振频率F0，F0与L的对应关系曲线如图1所示，其调谐频率及行程的数值如表1所示。

(a) 螺旋线谐振器

(b) SIR同轴谐振器

(c) 混合式谐振器图1 谐振器谐振频率与调谐杆长度对应关系Fig.1 The relationship between the resonant frequency of resonator and the rod length

图1(a)为螺旋线谐振器，当调谐深度超过螺旋线圈内部一半以后，谐振频率升高，限制了调谐范围。图1(b)为λ/4同轴SIR谐振器，随着调谐长度增加，谐振频率降低。

图1(c)为新型混合式谐振器，当调谐杆伸入到内导体设置的螺旋线一半的位置后，谐振频率开始由低转高。因此，为了扩展可调频率范围，尽量把螺旋线镂空部分放置在内导体的底部。通过优化调谐杆和内导体内壁的间距，在同时满足频率宽调谐和高功率的情况下，内导体尽量小型化。

表1 谐振器频率调谐范围与行程对比表

通过对3种谐振器形式的分析，螺旋线谐振器频率调谐范围最窄、体积最小；SIR内导体谐振器频率调谐范围最宽、Q值最高、体积最大；新型混合式内导体谐振器频率调谐范围及体积都居中。

3 谐振器功率容量分析

功率容量设计时考虑的有平均功率容量和峰值功率容量两方面。其中峰值功率容量是考量滤波器功率承受能力，决定腔体是否被击穿。滤波器输入功率越高，腔体内部场强越大，当内部电场强度超过空气击穿场强时，引起气体电离导通，形成短路。设计时需在滤波器的谐振形式与腔体的抗击穿能力之间权衡，优化结构参数。

谐振器是滤波器的基本组成单元，其储能大小决定着滤波器的功率容量，而腔体中的储能又决定于该腔内的最大场强。因此，通过分析单个谐振腔中的储能与最大场强，选择合适的谐振器结构。

3.1 谐振腔内最大场强分析

谐振腔的固有品质因数(Q0)主要由谐振腔的总储能(W)、一个周期内的能量损耗(Ws)以及一个周期内的平均功率损耗(Ps)决定，即[14]：

(1)

此时W是电场储能(We)与磁场储能(Wm)的总和。当腔内电场最大时，磁场为零，储能的表达式为：

(2)

腔体储能与最大场强的关系如下：

(3)

(4)

式中，ξ为Emax和W之间的比例因子。

腔体滤波器中,各谐振腔内的电磁场分布与腔体的结构有关。根据式(3)，当腔体结构参数固定后，电场最大值的平方与储能之间具有一定线性关系。

在HFSS三维电磁场软件中建立单谐振腔模型，选择本征模式，分析单个谐振腔最大电场强度，找到最大电场的位置，腔体内电场强度的分布图如图2所示。观测在一定谐振频率下，激励能量为1 J储能时的最大场强，根据式(4)得到，此时最大场强值即为ξ值，如表2所示。根据图和表可知，ξ螺旋线>ξ混合式>ξSIR同轴。

(a) 螺旋线谐振器

(b) SIR同轴谐振器

(c) 混合式谐振器

表2 谐振器最大电场值对比表

3.2 谐振腔功率与最大场强关系

谐振腔输入功率与最大储能之间的关系为：

W=ηPin。

(5)

根据式(3)和式(5)，令Emax=Ep，则此时的输入功率就是滤波器的最大功率容量，即：

(6)

式中，η为滤波器等效电路模型中，输入功率1 W时最大单腔储能，与滤波器腔数、拓扑结构等有关。Ep为空气的击穿场强，主要与大气压强、温度和频率等密切相关，在标准大气压情况下，空气击穿电场强度Ep=2.28×106V/m[15]。

仅对单腔谐振器进行功率分析，根据式(6)可知，ξ值与Pin成反比，ξ值越大，其最大功率容量越小。通过表2及式(6)可知，3种谐振器中功率容量P螺旋线

因此，结合表1与表2，从高功率、小型化和宽调谐几个方面进行对比分析，表明选用图2(c)新型混合式谐振器形式，可以更好地同时满足三方面的要求。考虑到实际使用环境和驻波比、腔体结构件加工不理想的状态，实际仿真腔体可承受的功率需预留余量[16]。

4 电调谐振器实现

4.1 谐振器散热设计

在高功率连续波条件下，需要耗散大量的热能，传输线所能传输的最大平均功率，是由其导体壁所允许的温升来决定的，所允许的温升越大，传输线的平均功率容量越大[17]。如果散热不足，会直接导致滤波器温度升高时，腔体内空气击穿电压值Ep降低而导致空气击穿。

因此，为了保证谐振器的功率容量，需尽可能大地选择腔体的结构尺寸，减小谐振器的损耗，并在结构方面考虑散热问题。可通过在谐振器底部温升最高的地方，加装散热装置，如埋入热管将热源的能量快速导出，提高腔体散热性能，以尽快达到热平衡状态，降低腔体局部过热带来的功率风险，使滤波器能够稳定工作[18]。

4.2 谐振器防振动设计

谐振器中内导体因为底部有镂空的螺旋线结构，强度降低，设计时在内导体周边卡入聚四氟乙烯的支撑板，满足抗振动要求。

4.3 电调谐振器结构

采用新型混合式内导体的谐振器，接入传动机构和直线电机，实现电调谐振器[19]，结构示意图如图3(a)所示，实物图如图3(b)所示。

(a) 结构示意

(b) 实物

其中，将谐振器中的镂空螺旋轨迹开槽设置在内导体的中下部分，靠近内导体短路端，使谐振器调整频率时调谐杆基本都在均匀阻抗内导体的内孔部分做往复的直线运动。结构吸收了螺旋线内导体谐振器体积小的优点，又充分发挥了传统设计中可连续改变频率、调谐范围大、承受功率高的优势，使电控改频的电调谐振器能够有超宽的频率调谐范围，可通过功率几千瓦。

4.4 电调谐振器应用

单腔的电调谐振器可以应用于陷波滤波器。陷波滤波器采用一段同轴线加一个谐振腔的形式来等效串联的谐振腔[20]，电原理图如图4所示。通过调整传输线θ1～θ4以及θ12～θ34的长度(由于滤波器的对称性，其中θ1=θ4，θ2=θ3，θ12=θ34)组成四腔陷波滤波器。

图4 陷波滤波器电原理Fig.4 Schematic diagram of notch filter

陷波滤波器中不同长度电缆匹配单腔谐振器，工作频率通过谐振腔体反射在相应的频率上形成陷波，阻止强干扰信号通过。多个单腔电调谐振器经大功率电缆连接成陷波滤波器，在相应工作频率范围内，输入2 000 W连续波功率的射频信号，陷波滤波器可持续正常工作。

5 结束语

通过重点分析低频段腔体滤波器的单腔谐振器，将传统的均匀阻抗谐振器、阶跃阻抗谐振器、螺旋线谐振器进行分析和比较，提出将螺旋线结构和均匀阻抗内导体相结合的新型结构，极大地缩小了高功率腔体滤波器的体积。产品结合数控制造加工手段，批量生产性能有非常高的一致性，很好地解决了在超低频段下，滤波器在调谐范围、体积以及功率容量之间的设计矛盾，也能提高调试效率和产品可靠性，设计方法还可应用于固定频率的滤波器以及频率连续可调的电调带通滤波器。