Ku波段宽带快速波束切换开关研究

发布时间：2020-10-13 23:09

　　 本文主要对Ku波段宽带快速波束切换开关进行研究。Ku波段宽带快速波束切换开关以四端口差相移式环行器为器件结构基础,具有更大的功率容量,主要应用于大功率微波系统。基于Ku波段宽带快速波束切换开关的原理,在分别对构成Ku波段宽带快速波束切换开关的魔T、π/2差相移器、3dB窄边裂缝电桥进行分析的基础上,构建了大功率波束切换开关的结构。为了满足波束切换开关在Ku波段的带宽大于1.5GHz的要求,采用多级匹配的原理对魔T、3dB窄边裂缝电桥进行了设计与优化,两者都得到了各端口回波损耗小于-20dB、传输损耗-3dB、带宽约2.5GHz的设计结果,表明采用多级匹配结构可以有效展宽这类微波元件的带宽;考虑到功率、散热、外加磁路结构问题,采用H面单侧加载铁氧体片结构对π/2差相移器进行了设计与优化,得到了在13.0GHz~15.2GHz频率范围内,端口回波损耗小于-20dB,插入损耗-0.06dB~-0.02dB,差相移量为90°±10°性能良好的π/2差相移器。在此基础上,对构成的Ku波段宽带快速波束切换开关整体性能进行了设计与仿真,结果表明在13.2GHz~14.8GHz范围内,端口反射小于-20dB、插入损耗小于-0.07dB、带宽1.6GHz,满足宽带与低插入损耗的设计要求,并且通过外加磁场的变化,实现波束切换开关的功能。针对大功率下的散热问题,采用ANSYS稳态热仿真工具Steady-State Thermal,在1.5kW的平均功率条件下,对Ku波段宽带快速波束切换开关进行了热分析。根据器件热分析结果,分别对仿真结果中的插入损耗-0.07dB与-0.7dB两种状态进行了稳态热仿真。结果表明插入损耗为-0.07dB时,在风冷条件下,最高温度为71.7℃;插入损耗为-0.7dB时,在风冷条件下,最高温度为485.7℃;插入损耗为-0.7dB时,在水冷条件下,最高温度为100.1℃。Ku波段宽带快速波束切换开关需要外部驱动电路系统才能实现波束切换开关功能。根据Ku波段宽带波束切换开关的驱动系统原理,设计了NMOS管H桥激励电路,使用了Altium Designer软件对电路原理图进行了设计,并进行了实物制作与测试;使用Verilog HDL硬件编程语言对逻辑控制电路进行了设计、仿真,采用Xilinx开发板实现了逻辑控制电路的功能与测试;对外磁路模型进行了设计进行了初步的设计,并采用MATLAB对开关时间进行了预估,结果为0.4ms。本文所设计的这种驱动电路系统能实现0到50V的驱动端电压范围、电流方向切换、脉冲宽度调整,电流容限60A,完全导通下内阻约为0.6mΩ,最快开关频率600kHz的功能与性能指标,具有很好的逻辑电平兼容性,是一种适合大部分铁氧体波束开关与移相器的驱动电路,具有很高的通用性。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN12
【部分图文】：

魔T结构示意图

差相移式环行器结构示意图

单片填充H面旋磁铁氧体示意图
【参考文献】

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本文编号：2839826