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基于ANSYS的大功率合路器电热固耦合优化

  摘要:为研制功率为300 W,频段为1.2~1.4 GHz的大功率合路器,在传统Wilkinson合路器的基础上,基于ANSYS多物理场仿真,利用电磁场、热特性和结构耦合仿真,分析大功率合路器的热量分布和结构变形情况。对合路器进行结构优化,保证在电气性能不恶化的情况下减少热量和变形,提高Wilkinson合路器的耐高功率性能。 
  关键词:Wilkinson合路器; 多物理场; 热量分布; 结构变形; 优化 
  中图分类号:TN957.52 
  文献标志码:B 
  文章编号:1006-0871(2018)01-0066-04 
  Abstract: In order to develop a 300 W high power combiner working in 1.2~1.4 GHz band, the heat distribution and structure deformation of a high power combiner are analyzed based on ANSYS multi physics field simulation. The combiner is based on the traditional Wilkinson combiner. The electromagnetic field, the thermal characteristics, and the structure coupling simulation are used in the analysis. The combiner structure is optimized. The electrical performance is not deteriorated. The heat and deformation of the combiner can be reduced. The high power tolerance of the Wilkinson combiner is improved. 
  Key words: Wilkinson combiner; multi physics field; heat distribution; structure deformation; optimization 
  0 引 言 
  在现代雷达中,固态功放已经全面替代传统的真空管发射机,并依靠其特有的高可靠性和高性能,越来越多地发挥决定性作用。单路的固态功放无法满足雷达对功率的需求,功率合成技术是提高雷达等通信系统输出功率的有效手段,具有较高的研究价值。近年来,功率合成技术向功率更大、频率更高、合成支路更多、带宽更宽的方向发展。 
  目前,大功率合路器主要采用同轴结构,小功率合路器采用微带结构。同轴结构虽然功率容量大,但不能很好地集成在小体积、大功率的微波电路中;微带电路通常较简单,但其插入损耗大、功率容量小,不能应用于大功率的合路器。 
  根据实际应用要求,设计4路大功率空气介质带状线Wilkinson合路器,其输入、输出特征阻抗为50 Ω,频段为1.2~1.4 GHz,插入损耗小于6.3 dB,路间相位一致性为±5°。合路器的设计重点是功率容量和质量,在保证电性指标合格的前提下,额定功率应大于280 W,质量应小于0.5 kg。由于功率容量需求越大,功率就越大,热量就越大,器件的温度也就越高,因此器件和机构件的变形情况不能忽略。实现精确评估大功率的影响、设计优化电路和结构件是设计大功率合路器的重点和难点。目前,电路设计可应用的多物理场仿真软件很少,其中同时包含电磁、热和应力模拟的更少,因此本文采用ANSYS多物理场仿真软件进行设计。 
  1 合路器原理 
  Wilkinson合路器原理與Wilkinson功分器原理相似,对于基本的Wilkinson合路器,其输入/输出端口特征阻抗为Z0, 
  两段输入分支带线的电长度均为λg/4。两路相位相同实现功率合成的Wilkinson合路器示意见图1,其输线模型见图2。由于传统的Wilkinson微带合路器的功率容量较小,因此本文采用空气带状线Wilkinson合路器,带状线输线模型见图3。 

 
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