Assemblage de combinateur RF haute puissance à large bande à guide d’ondes double arête

Introduction

Un combinateur haute puissance est un composant essentiel des systèmes micro-ondes et RF qui permet de combiner efficacement plusieurs signaux RF haute puissance en une seule sortie haute puissance. Ces assemblages sont classés en systèmes isolés et non isolés. En général, pour un combinateur de puissance isolé, on utilise des circulateurs ou des Magic-Tees. Ces assemblages sont essentiels dans diverses applications, notamment les télécommunications, les systèmes radar militaires et la recherche scientifique universitaire. Dans ce livre blanc, nous nous concentrerons sur deux assemblages de combinateurs RF 2 voies haute puissance à guide d’ondes double arête récemment développés. Le premier est un combineur isolé à 2 voies WRD250 fonctionnant entre 2,5 et 7,5 GHz, capable de gérer une puissance de sortie moyenne de 1,5 KW. Le second combineur, le WRD500 High-Power RF Combiner Assembly à large bande, fonctionne entre 6 et 18 GHz.

Applications

• Réseaux de combinaison de puissance.
• Systèmes radar militaires et commerciaux de haute puissance.
• Applications satellitaires.
• Amplificateurs haute puissance à semi-conducteurs.

Composants nécessaires à la construction de l’assemblage du combineur RF

• T magiques à 4 ports.
• Adaptateurs à angle droit.
• Terminaisons haute puissance.
• Coupleurs doubles à paroi large.
• Guide d’ondes usiné à 90º en forme de coude en E.
• Guide d’ondes usiné à 90º avec coude en H.
• Transitions de guides d’ondes avec cloisons.

La conception d’un combinateur RF à guide d’ondes de haute 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:

• Sources RF : Le combinateur RF peut recevoir plusieurs signaux provenant de plusieurs sources RF, telles que des amplificateurs de puissance, des émetteurs et des antennes. Le signal d’entrée est combiné pour obtenir une sortie globale de haute puissance.
• Tenue en puissance : Les combinateurs 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. L’analyse de la gestion de la puissance doit être correctement effectuée à l’aide de simulations électromagnétiques (EM) pour vérifier la répartition de la puissance à la fois pour le corona et la multipaction.
• 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 la sortie nécessitent des niveaux d’adaptation exceptionnels pour l’ensemble du combinateur RF. Il est essentiel de minimiser la puissance réfléchie et de maximiser le transfert de puissance de l’ensemble du combineur de puissance RF. 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 de l’impédance.
• Pressurisation : Dans certains cas, les combinateurs RF doivent fonctionner sous haute pression, en particulier pour les satellites et les applications spatiales. En général, la pressurisation est une technique qui permet de protéger les composants de l’assemblage à l’intérieur du combineur contre les facteurs environnementaux tels que l’humidité. Une partie de l’assemblage du combineur fonctionne sous une pression élevée de 15 à 60 psi.
• Conception composant par composant : L’assemblage d’un combinateur de puissance RF nécessite de nombreux composants tels que des câbles magiques, des coupleurs, des terminaisons haute puissance, des adaptateurs, des coudes en E et en H. Chaque composant doit être conçu et testé séparément afin de garantir une meilleure performance. Chaque composant doit être conçu et testé séparément pour garantir de meilleures performances. Cela facilitera la fabrication et le processus global d’optimisation. Une fois que tous les composants répondent aux spécifications requises, nous pouvons commencer le processus d’intégration pour construire l’assemblage du combineur RF.
• Intégration du réseau de combinaison : Construisez le réseau de combinaison en connectant les composants selon votre conception. Il convient de prêter une attention particulière à la disposition afin de minimiser les interférences et de maintenir l’intégrité du signal.
• Test et réglage : Le module RF Combiner fabriqué sera mesuré à l’aide d’analyseurs de réseau vectoriel (VNA) et d’analyseurs de spectre. Assurez-vous que la conception répond aux spécifications de performance requises, telles que la perte d’insertion, l’isolation et la perte de retour de sortie. Si les spécifications requises ne sont pas satisfaites, des réglages supplémentaires peuvent être nécessaires pour ajuster les spécifications requises afin d’optimiser ses performances.
• Évaluation de la qualité : Pour s’assurer que les paramètres de conception correspondent bien à l’unité fabriquée, il est bon de vérifier les dimensions des composants à l’aide d’un appareil de mesure. Par exemple, pour la conception d’un coupleur, l’épaisseur de la paroi d’un coupleur à large paroi a un impact direct sur le niveau de couplage ; si l’épaisseur exacte de la paroi n’est pas respectée, le niveau de couplage attendu peut ne jamais être atteint. En outre, la dimension du fil pour le coupleur ou la hauteur du pilier de l’adaptateur peuvent jouer un rôle important dans le niveau de couplage.
• Refroidissement, gestion thermique et considérations environnementales : Si le combineur RF fonctionne à des niveaux de puissance élevés, il faut envisager de mettre en œuvre des solutions de refroidissement pour dissiper efficacement la chaleur et éviter la surchauffe. En général, pour les applications à haute puissance, des ailettes de chauffage sont utilisées. En outre, l’environnement de fonctionnement et tous les facteurs environnementaux susceptibles d’affecter les performances du RF Combiner doivent être clairement compris : température, humidité, exposition aux éléments.
• Équilibrage de la taille et du poids : La taille physique et le facteur de forme de l’ensemble combinateur RF doivent être adaptés à l’application prévue, compte tenu des contraintes d’espace et des exigences d’intégration. L’ensemble du combineur étant relativement lourd, le poids des composants de l’assemblage doit être pris en compte et l’équilibre du poids doit être assuré en fonction de l’espace disponible fourni par le client. Des supports et des trous de montage appropriés peuvent être fournis en conséquence.

Assemblage de combinateur RF haute puissance 2 voies WRD250

Les assemblages combinés de haute puissance ont une grande importance dans les systèmes radar. La figure 1 présente le schéma fonctionnel d’un ensemble combinateur RF haute puissance isolé à deux voies. Un combinateur de puissance isolé à deux voies comporte deux ports d’entrée, chacun étant connecté à une source de signal RF ou micro-ondes distincte. Ces ports d’entrée sont généralement conçus pour des bandes de fréquences et des niveaux de puissance spécifiques. L’ensemble du combinateur RF comprend plusieurs composants tels que les Magic-Tees à quatre ports WRD250, l’adaptateur à angle droit WRD250-7/16(f), le guide d’ondes EBend usiné à 90º WRD250, la terminaison haute puissance WRD250 et le coupleur double à paroi large WRD250. Pour la conception et la validation, un module combinateur à deux voies et les dimensions du guide d’ondes WRD250 ont été pris en compte afin de gérer la puissance élevée entre 2,5 et 7,5 GHz. Le combineur WRD250 combine efficacement la puissance de deux sources RF à l’aide d’un Magic-Tee qui régit la phase et l’amplitude des signaux entrants, ce qui permet de fusionner les signaux en douceur et sans interférence. Le port de somme du Magic-Tee est terminé par une terminaison WRD250 haute puissance au-delà d’une adaptation de 20 dB pour protéger la source RF. Le port de différence du Magic-Tee est intégré à un coupleur de 30 dB dans l’assemblage du combineur RF. Il peut soit échantillonner les signaux d’entrée, soit surveiller la puissance de sortie, ce qui facilite les ajustements précis requis par diverses applications.

La figure 2 présente les points saillants du modèle 3D de l’ensemble du combineur RF WRD600. Le niveau d’adaptation objectif est supérieur à 12 dB au port de sortie avec une transmission de signal de -3 ± 0,5 dB. L’isolation d’entrée est supérieure à 12,5 dB. L’interface de l’assemblage est un connecteur coaxial 7/16(f), qui peut supporter une puissance moyenne de 420 W CW. Tous les composants requis pour le module RF Combiner sont conformes aux spécifications standard, où chaque composant a été testé individuellement avant l’assemblage final. L’interface de sortie du coupleur WRD250 qui est connectée au Magic-Tee a un alignement différé de 0,75 » avec le port de différence du Magic-Tee. Du point de vue de la conception, la conception du coupleur avec courbure peut s’avérer difficile, car elle nécessite de multiples processus d’optimisation pour obtenir le niveau de couplage souhaité. Le coupleur à paroi large WRD250 était asymétrique, ce qui a pris plus de temps dans le processus d’optimisation globale. En outre, tout comme les spécifications électriques, les aspects mécaniques sont également critiques pour le système, car nous devons assurer la stabilité mécanique de l’ensemble.

La figure 3 montre l’affaiblissement de retour d’entrée et de sortie du combineur WRD250. L’isolation du combinateur de puissance dépasse le niveau d’isolation de 12 dB sur toute la plage de fonctionnement.

Assemblage de combinateur RF 2 voies WRD500 haute puissance

Nous présentons ici un autre ensemble combinateur RF à deux voies à double arête basé sur les dimensions standard du guide d’ondes WRD500, couvrant la gamme de fréquences de 6 à 18 GHz. L’ensemble de combinaison de puissance WRD500 comprend un combinateur à 2 voies intégré de manière transparente avec un coupleur double à paroi large, offrant des combinaisons de puissance efficaces à partir de deux sources RF. Un té magique à 4 ports est utilisé pour isoler le combinateur de puissance tout en assurant une transmission efficace avec une phase et une amplitude exceptionnelles des signaux entrants. En outre, des adaptateurs à angle droit aux ports d’entrée simplifient les transitions vers l’interface SMA(m), tandis qu’un Bulkhead dédié facilite la connexion à l’interface de sortie WRD500, comme le montre la figure 4. Le combineur WRD500 peut gérer une puissance moyenne de 200 W en ondes entretenues tout en maintenant un fonctionnement sûr sur l’ensemble de la bande passante. L’ensemble du combineur offre un niveau d’adaptation élevé avec une faible perte d’insertion, ce qui convient aux structures d’amplification de puissance ou aux systèmes d’alimentation d’antennes.

L’isolation entre les ports d’entrée est une caractéristique essentielle de l’ensemble combinateur RF haute puissance, où l’isolation garantit que les signaux de chaque port d’entrée n’interfèrent pas les uns avec les autres. Elle est nécessaire pour maintenir la qualité du signal et éviter toute diaphonie indésirable. Les bras secondaires du coupleur Broadwall ont été spécialement conçus pour ce projet. Pour l’alimentation, nous avons développé un bras secondaire en forme de U pour le couplage avant et arrière. La figure 4 montre que les deux ports du bras secondaire sont situés sur la face supérieure, ce qui facilite la connexion des câbles.

La perte de retour d’entrée et de sortie et l’isolation indiquent un très bon niveau d’adaptation couvrant la totalité de la bande passante de 6 à 18 GHz, comme le montre la figure 5. Le niveau d’adaptation objectif est supérieur à 10 dB au port de sortie, et l’isolation d’entrée dépasse 11 dB d’adaptation. Le coefficient de transmission du combineur à deux voies montre une grande stabilité avec un coefficient de transmission de -3 ± 1,1 dB sur l’ensemble de la plage de fonctionnement. Nous avons construit plusieurs prototypes de combinateurs RF isolés à 2 voies de haute puissance. L’évaluation des performances des deux combinateurs RF proposés est présentée ci-dessous dans le tableau 1.

Nous avons construit plusieurs prototypes de combinateurs RF isolés à 2 voies et à haute puissance avec des guides d’ondes à double arête. 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 afin d’indiquer les performances et la conception des combinateurs à double arête spécialisés.

Conclusion et travaux futurs

Nous avons examiné deux ensembles de combinateurs RF bidirectionnels à guide d’ondes à double arête récemment mis au point, qui conviennent aux systèmes radar à haute puissance fonctionnant dans deux bandes de fréquences différentes. Plusieurs composants, dont chacun est testé individuellement, sont intégrés pour former le combinateur RF à double arête. L’ensemble peut supporter une puissance élevée avec un très bon niveau d’adaptation dans le port de sortie ainsi qu’une isolation de 12 dB couvrant l’ensemble de la plage de fonctionnement. Des assemblages à 4 voies sont également disponibles. Un ensemble de puissance plus complexe, le combineur à 8 voies, est actuellement en cours de développement. Il est basé sur les guides d’ondes à double arête et offre des performances à large bande.

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 s’attache à vérifier les composants à chaque étape afin de répondre aux attentes et à la confiance du client.

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