Conception d’un circulateur/isolateur haute puissance à large bande à guide d’ondes à double arête

Introduction

Un circulateur est un dispositif à trois ports où l’énergie peut être transférée d’un port à l’autre tandis que le troisième port reste isolé. Le port 1 d’un circulateur peut être considéré comme un port d’émission (TX), qui envoie directement le signal au port couplé. En général, une antenne est connectée au port couplé, qui reçoit le signal et l’envoie au port récepteur (RX). Une isolation élevée est nécessaire entre les ports TX-RX. Dans le cas d’un isolateur, le troisième port est terminé par une charge adaptée. Par conséquent, en termes de transfert de puissance, le signal peut aller du port 1 au port 2 (transmission complète). Cependant, du port 2 au port 1, il y aura une isolation complète. Les circulateurs/isolateurs à jonction en T et en Y sont les plus utilisés. Dans un circulateur à jonction, une ferrite est placée au milieu de la jonction, qui peut être mise en œuvre selon différentes formes telles que (ferrite circulaire, triangulaire ou hexagonale) pour le comportement non réciproque du circulateur. Les circulateurs/isolateurs de haute puissance sont essentiels dans de nombreuses applications, notamment les télécommunications, les systèmes radar militaires et les communications par satellite. Dans le livre blanc d’aujourd’hui, nous allons discuter de deux isolateurs et circulateurs à guide d’ondes à double arête à large bande nouvellement développés et couvrant deux bandes de fréquences différentes. Le premier composant est un isolateur à double arête basé sur les dimensions standard du guide d’ondes WRD350, fonctionnant dans la gamme 4-8 GHz avec un rapport de largeur de bande de 2:1. Le second composant est un circulateur WRD200 avec des interfaces coaxiales 7/16 (f) fonctionnant entre 2 et 4 GHz.

Applications

• Réseaux combinateurs de puissance.
• Systèmes radar militaires et commerciaux de haute puissance.
• Applications satellitaires.
• Protection des sources RF.

Composants requis

• Terminaison haute puissance WRD.
• Ferrites.
• Vis d’accord.
• Aimants DC de polarisation externe.
• Ailettes de refroidissement.

La conception d’un circulateur/isolateur de guides d’ondes à double arête de grande puissance nécessite la prise en compte de certains paramètres critiques afin de garantir la faisabilité et la sécurité de l’opération. Certains des paramètres critiques qui doivent être pris en compte sont indiqués ci-dessous :

• Fréquence et dimensions du guide d’ondes : La première étape de la conception d’un circulateur/isolateur consiste à connaître la fréquence de fonctionnement exacte de l’appareil. En fonction de la fréquence, la taille exacte du guide d’ondes peut être déterminée pour lancer la procédure de conception. Pour le guide d’ondes à double crête, il est nécessaire de spécifier les dimensions du guide d’ondes, y compris la largeur, la hauteur et les espaces entre les deux crêtes.
• Sélection des ferrites : En fonction de la plage de fonctionnement du circulateur/isolateur, il faut déterminer la magnétisation appropriée de la ferrite. Les circulateurs/isolateurs micro-ondes utilisent principalement des matériaux ferrites aux propriétés magnétiques spécifiques. Pour les applications à haute puissance, des ferrites à grande largeur de ligne sont nécessaires pour gérer le niveau de puissance. En outre, pour les applications à haute fréquence, une saturation élevée de la magnétisation est essentielle pour obtenir une excellente perte de retour, isolation et perte d’insertion.
• Considérations relatives à la gestion de la puissance : Les circulateurs/isolateurs haute puissance sont conçus pour gérer des niveaux de puissance RF importants. Les composants et les matériaux doivent être sélectionnés en conséquence pour éviter les dommages et garantir la sécurité. Il est fortement recommandé d’utiliser une colle époxy à haute température sur la base en ferrite du module circulateur/isolateur pour les applications à haute puissance. Si le niveau de puissance requis pour le module circulateur/isolateur est très élevé, une jonction unique peut ne pas supporter le niveau de puissance requis et une solution différente peut être nécessaire. L’analyse de la gestion de la puissance doit être correctement effectuée à l’aide de simulations électromagnétiques (EM) afin de vérifier la répartition de la puissance pour les jonctions corona et les jonctions multiples.
• Adaptation d’impédance : l’adaptation d’impédance est un paramètre critique pour obtenir un niveau d’adaptation acceptable. Dans la plupart des cas, l’entrée et l’isolation nécessitent des niveaux d’adaptation exceptionnels pour le circulateur/isolateur haute puissance. Il est essentiel de minimiser la puissance réfléchie et de maximiser le transfert de puissance du circulateur/isolateur de micro-ondes. Plusieurs techniques d’adaptation sont utilisées en fonction de la structure de guidage. Pour l’assemblage du guide d’ondes, des transformateurs étagés à plusieurs sections sont principalement utilisés pour l’adaptation d’impédance.  
• Pressurisation : Dans certains cas, les circulateurs/isolateurs RF doivent fonctionner sous haute pression, notamment pour les satellites et les applications spatiales. En général, la pressurisation est une technique qui permet de protéger les composants des facteurs environnementaux tels que l’humidité. Certains circulateurs/isolateurs fonctionnent sous une pression élevée de 15 à 40 psi. La pressurisation réduit la puissance de crête et protège le composant.
• Essais et processus de mise au point après fabrication : Le circulateur/isolateur fabriqué sera mesuré à l’aide d’analyseurs de réseau vectoriel (VNA) et d’analyseurs de spectre. Cela permet de s’assurer que la conception répond aux spécifications de performance requises, telles que la perte d’insertion, l’isolation et la perte de retour. Si les spécifications requises ne sont pas respectées, il peut être nécessaire de procéder à d’autres réglages après fabrication pour améliorer le niveau d’adaptation de l’ensemble de la conception du circulateur/isolateur à guide d’ondes à double cannelure.
• Évaluation de la qualité : Pour garantir que les paramètres de conception simulés correspondent bien à l’unité fabriquée, en tant que société consciencieuse et certifiée ISO, nous vérifions les dimensions des composants à chaque étape afin d’obtenir les performances attendues.
• Considérations relatives au refroidissement et à la gestion thermique : Si le composant fonctionne à des niveaux de puissance élevés, il convient d’envisager la mise en œuvre de solutions de refroidissement pour dissiper efficacement la chaleur et éviter un échauffement excessif. En général, pour les applications à haute puissance, des ailettes thermiques sont utilisées. L’environnement de fonctionnement et tous les facteurs environnementaux susceptibles d’affecter les performances du dispositif RF doivent être clairement compris, tels que la température, l’humidité et l’exposition aux éléments.
• Équilibrage de la taille et du poids : La taille physique et le facteur de forme du circulateur/isolateur doivent être adaptés à l’application prévue, compte tenu des contraintes d’espace et des exigences d’intégration. Si l’ensemble du module est relativement lourd, il convient de veiller à un bon équilibrage du poids en fonction de l’espace disponible fourni par le client. Des supports et des trous de montage appropriés peuvent être fournis en conséquence..

WRD350 Conception d’un isolateur de haute puissance

Les isolateurs de haute puissance sont des composants essentiels de la partie frontale RF qui revêtent une grande importance dans les satellites et les systèmes radar. La figure 1 montre la vue 3D d’un isolateur haute puissance WRD350. Il est évident sur la figure que toute la puissance va du port 1 au port 2, tandis que le port 3 est terminé par une charge WRD350 de haute puissance pour protéger la source RF. Le type de ferrite choisi a une magnétisation à saturation de 1300(G) avec une plus grande largeur de ligne. De plus, la grande largeur de ligne offre une immunité interne à la résonance dans des conditions de haute puissance. Après avoir sélectionné le disque de ferrite en fonction de la bande de fréquence requise, l’impédance du disque a été calculée à la fréquence centrale de la bande passante de fonctionnement. Nous avons donc présenté une conception de transformateur à quatre réglages pour transférer le signal de la section centrale à l’ouverture du guide d’ondes standard. Nous avons également ajouté des vis d’accord à tous les transformateurs pour disposer d’une méthodologie de post-fabrication. Des aimants à courant continu en samarium cobalt ont été utilisés pour polariser extérieurement l’isolateur WRD350 de haute puissance. Le niveau d’adaptation objectif est supérieur à 17 dB au port d’entrée avec une isolation de 17 dB couvrant la gamme 4-8 GHz. La perte d’insertion de l’isolateur varie de -0,3 ± 0,1 dB sur toute la plage de fonctionnement.

Tout comme les spécifications électriques, les aspects mécaniques sont également essentiels pour le système, car nous devons assurer la stabilité mécanique de l’ensemble. Lors de la mesure de l’isolateur, des aimants à courant continu ont été placés sur les faces supérieure et inférieure. Des vis d’accord ont également été placées sur les quatre transformateurs correspondants afin d’augmenter la perte de retour et le niveau d’isolation. Une ferrite nickel-aluminium (C-25) avec une magnétisation de saturation de 1230(G) et une grande largeur de ligne de 390(Oe) est utilisée pour la conception de l’isolateur. Il convient de mentionner qu’une largeur de ligne plus importante est nécessaire pour les applications de haute puissance.

WRD200 Circulateur haute puissance à guide d’ondes double arête avec interface coaxiale

Le deuxième composant du livre blanc d’aujourd’hui est un circulateur coaxial haute puissance WRD200 fonctionnant entre 2 et 4 GHz et capable de gérer une puissance moyenne de 500 W (CW). Les trois ports du circulateur ont une interface coaxiale 7/16(f) pour la haute puissance. La figure 3 montre la vue 3D d’un circulateur haute puissance WRD200 avec une interface coaxiale 7/16(f).

Le niveau d’adaptation objectif est supérieur à 14 dB au port d’entrée avec une isolation de 13,5 dB couvrant la plage de 2 à 4 GHz. La perte d’insertion du circulateur varie de -0,7 ± 0,2 dB sur toute la plage de fonctionnement, comme le montre la figure 4. Il convient de mentionner que la perte d’insertion ainsi que l’isolation et la perte de retour peuvent être améliorées de manière significative si l’on considère l’interface du guide d’ondes plutôt que l’interface coaxiale. En outre, tout comme les spécifications électriques, les aspects mécaniques sont également critiques pour le système, où nous devons assurer la stabilité mécanique de l’ensemble. Lors de la mesure du circulateur, des aimants à courant continu ont été placés sur les faces supérieure et inférieure, comme pour l’isolateur à guide d’ondes à double cannelure WRD350 précédent. Des vis d’accord ont été ajoutées pour améliorer la perte de retour et le niveau d’isolation.

Nous avons construit plusieurs prototypes de circulateurs/isolateurs haute puissance pour diverses applications. Les WRD250S/WRD600 sont des structures de guides d’ondes à double arête spécialement conçues par SMC qui couvrent une bande extrêmement large de 3:1. Nous travaillons également avec le WRD600P qui est un guide d’ondes à double arête spécialement conçu pour traiter des puissances très élevées. À l’avenir, d’autres exemples seront décrits pour indiquer les performances et la conception des circulateurs/isolateurs haute puissance à double arête spécialisés. L’évaluation des performances des deux circulateurs et isolateurs proposés est présentée ci-dessous dans le tableau 1.

Évaluation des performances de l'isolateur WRD350 et du circulateur coaxial WRD200

Conclusion et travaux futurs

pour les systèmes radar à haute puissance fonctionnant dans deux bandes de fréquences différentes. Nous avons fait la démonstration des interfaces de guide d’ondes et coaxiales pour construire nos composants. Ces composants haute puissance peuvent être intégrés dans des combinateurs de puissance pour systèmes radar. Les deux composants peuvent gérer la haute puissance avec un niveau d’adaptation exceptionnel. Un isolateur plus complexe est actuellement en cours de développement avec des jonctions doubles basées sur les guides d’ondes à double arête pour gérer plus de puissance.

Message de notre équipe

Notre équipe de recherche et développement est toujours à la recherche de nouveaux produits offrant des solutions innovantes dans des délais réduits. Notre équipe de production élabore ses propres conceptions CAO à l’aide de simulateurs électromagnétiques (EM), et nous disposons d’un équipement de fraisage CNC de haute précision pour fabriquer avec des tolérances allant jusqu’à 0,0002« -0,0003 ». Nous pouvons fabriquer des pièces métalliques en utilisant couramment l’aluminium, le cuivre et le laiton. Nous pouvons également travailler avec des métaux spéciaux tels que l’Invar ou l’aluminium de qualité aéronautique, par exemple, à la demande du client. Nous disposons de laboratoires de mesure de haute qualité qui garantissent des résultats fiables. Nous assurons les traitements chimiques et la finition de surface de chaque produit en interne. Les services de galvanoplastie sont facilement disponibles par le biais de l’externalisation. Notre équipe d’inspection de la qualité se concentre sur la vérification des composants à chaque étape afin de répondre aux attentes et à la confiance du client.

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