应用案例：基于ANSYS软件电-热-固耦合优化 大功率合路器设计
首发老猫电磁馆公众号，作者 周和平
摘要
[ 摘 要 ] 在传统的Wilkinson合路器的基础上，通过对其结构形式和端口匹配进行改进，基于ANSYS多物理场仿真，电磁场，热特性和结构耦合仿真进行的优化，研制了功率可达320W，频段在1.2GHz～１.4GHz的大功率宽带合路器。提高了Wilkinson合路器的耐高功率性能，详细分析了大功率带来的散热问题。采用软件仿真优化，验证所涉及参数的可行性，制作实物实际测试。
引言
在雷达领域，固态功放已经全面替代了传统的真空管发射机体制，而且依靠其特有的高可靠性和高性能在越来越多的武器系统中发挥了决定性的作用。但单路的固态功放无法满足雷达功率的需要，功率合成技术是提高雷达、通信系统输出功率行之有效的手段,具有较高的研究价值。近年来,功率合成技术朝着功率更大，频率更高、合成支路更多、带宽更宽的方向发展。
目前大功率，宽带合路器主要采用同轴结构，而小功率采用微带结构。同轴结构一般体积较大，虽然功率容量大，但不能很好的集成在小体积，大功率微波电路中，微带电路一般简单，但微带结构插损大，功率容量小，不能用在大功率的功率合成中。
根据实际应用要求，设计了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欧姆，频率范围1.2GHz～1.4GHz,插入损耗小于6.3dB,路间相位一致性小于±5℃，保证电性指标的前提下，功率承受要大于280W，体积质量小于0.5kg。设计重点是功率容量和质量。由于功率容量需求越来越大，并且功率越大，热量就越大，器件的温度也越高，温度越高，器件及机构件的变形情况就不能忽略。如何实现精确的评估大功率所带来的影响和设计优化电路及结构件是未来设计大功率的的重点和难点。这就需要仿真软件来模拟，并且仿真软件要包含电磁的，热的，应力的。这需要仿真软件多物理场耦合仿真。目前电路设计应用多物理仿真软件很少，但温度跟应力在这情况下又不能忽略，因此本设计采用了Ansys多物理场仿真软件进行设计。
合路器的电磁设计及仿真
2.1 合路器的原理
Wilkinson合路器原理类似于Wilkinson功分器，对于基本的Wilkinson合路器，其输入/输出端口特性阻抗为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，其电路结构示意图如图1所示，1,2路输入，3路输出。然而传统的Wilkinson微带合路器的功率容量比较小，因此我们在这里采用空气带状线的Wilkinson合路器�����空气带状线如图2。通过空气带状线的内导体的厚度(h)方法提高功率容量。
2.1.1 空气介质的合路器的功率容量设计
功率容量有两部分限制：
1：因为是空气介质，功率容量受空气击穿现象限制。对于小间隙的均匀场和稍不均匀场，由于间隙击穿放电的分散性很小，直流及工频及50%击穿电压实际都相同，所以可以直流利用经验公式计算间隙的击穿电压和击穿场强。
2：由热容量限制。由于信号流过金属表面，金属不是理想导体，会产生热量。电流大的情况下，热量急速聚集，会使中心导体及盒体温度升高。温度过高会导致中心导体变形，致使合路器插损变大，插损变大进一步增大热量从而导致合路器失效等。因此要保证在常温情况下，稳定后合路器工作要在60℃以内。
在不考虑整体的重量的情况下，中心导体的厚度h取大，空气高度H根据h和介电常数
取值变大，功率容量变大，但由于空气的H增大，导致热容量变小。因此，要提高功率容量，中心导体h和空气高度H是互相制约关系。同时还要考虑合路器整体的质量最小话。因此，要设计质量小，电性指标符合要求，功率容量需要满足要求通过传统方式就比较困难了。
温度升温会导致电性能的恶化和结构变形加大，结构的变形会加剧电性能的恶化。电性能的恶化又会进一步加剧温度的升高。因此，要设计出最优的电路。为了达到最优化的电路和结构，这就需要进行精密的设计和前期的软件优化采用了ANSYS的电磁仿真软件HFSS，热设计仿真软件Steady-State Thermal,固体仿真软件Static Structural。
图4：多物理仿真电路
通过ansys软件多物理场模块之间的参数互相传递，对相应的参数进行优化。设计符合电性，热，结构的要求。
2.2 仿真优化设计
这里优化的目标是合路器最大的电场强度要远小于
。我们取功
/10。四路合路器的插入损耗在1.2GHz~1.4GHz范围内要小于0.5dB，合路器的输入四路之间的相位要在±2℃以内。而盒体及内部最高温度小于60℃。由于温度导致的结构变形小于0.1mm，质量小于0.5kg，进过软件优化及的仿真。经过优化取整以后，这里取h=1mm,H为3mm。
图5：合路器结构
合路器4路合成一路。并且接口为SMA形式，为了减少重量，合路器为不规则的盒体。中心导体在合路器的合路端做了匹配设计。
以下面仿真结果是在输入平均功率320W的情况。
图6 电性能仿真图
从图6可以看出，四路的插入最大的地方是1.35GHz，插入损耗6.2dB,相位在全频段内都一致性都很好。越好的电性能才能提高有用信号的转换效率，转成热耗就更好小。温度才会越低。
图7合路器的场强分布图
因此，功率容量的一个制约大于功率320W。大于设计要求。
图8 合路器的带状线金属层的表面热流密度分布图
��图8可以看出，合路器的最大表面电流密度为
。可以通过算出中心导体的热量，通过表面电流密度对表面的积分可以算出热量，经过HFSS可以算出热量为2.82W。
有了热量分布以后，通过Steady-StateThermal模块，对盒体的内的导体和盒体的传热和热辐射进行设置，可仿真最终稳态的温度分布。
图9 合路器温度分布图
由图9结果可以看出温度分布，最高的温度在合路器的合路端，最高温度58.5℃左右，小于要求的60℃。温度分布跟内导体流过功率大小的分布一致。
由于有温度的变化，因此合路器内部各个部分也会有温度造成的变形及偏移。通过Static Structural可以计算出温度造成的变形量。分布图如下：
图10 合路器结构变形分布图
由图10可以看到，偏移变形量最大变形量为
。满足电性能的要求。
输入平均 功率（W） | 最大电场强 (V/m) | 最大表面热流密度 (W/ | 最高温度 (℃) | 结构最大 变形量（mm） |
40 | 1.15×105 | 6.79×103 | 26.586 | 0.014 |
80 | 1.62×105 | 1.35×104 | 31.135 | 0.022 |
120 | 1.98×105 | 2.03×104 | 35.703 | 0.034 |
160 | 2.29×105 | 2.71×104 | 40.271 | 0.046 |
200 | 2.56×105 | 3.39×104 | 44.838 | 0.057 |
240 | 2.81×105 | 4.07×104 | 49.406 | 0.068 |
280 | 3.03×105 | 4.75×104 | 53.973 | 0.079 |
320 | 3.23×105 | 5.43×104 | 58.54 | 0.091 |
表1 输入功率和温度及由于温度造成的结构变形量
对于本合路器进过仿真结果，合路器在正常大气压下能够承受320W的平均功率，能够承受占空比为10%的3200W的峰值功率。该合路器通过了相应频段的280W的峰值功率，2800W的平均功率实验。
合路器实物照片
结论
本文介绍了一种新型的软件设计，通过电-热-固耦合一体化的设计仿真，设计优化超大功率合路器。与目前其他通过估算的方法相比，更精确，更可靠，效率更高。可以大幅度提高大功率的设计的效率。
[参考文献]
[1] 段横毅. 一种大功率宽带混合环及功率容量分析[J].微波学报, 2003,19(1)：52-55
Duan Hengyi. An High Power Broadband Hybrid Ring and the Analysis of Its Power Capacity[J]. Journal of Microwaves,2003,19(1):52-55
[2] 廖原. L波段带状线大功率合成器的设计[J]. 火控雷达技术, 2007,36(3)：93-96
Liao Yuan. Design of L Band Stripline High Power Combiner[J], Fire Control Radar Techology, 2007,36(3)：93-96
[3] 程诗叙，项钟. 大功率固态功放合成效率研究[J].电讯技术, 2007,47(1)：75-77
[4] Cheng Shixu，Xiang Zhong Duan. Analysis of Power Combining Efficiency of a Sold State Power Amplifier[J].Telecommunication Engineering ,2007,47(1):75-77
