基于多層板結(jié)構(gòu)的超寬帶3 dB 90°電橋

李玉琳， 印茂偉， 黃 震， 張雨亭， 周 帥， 王琦源

(西南科技大學(xué) 國防科技學(xué)院，四川 綿陽 621010)

0 引 言

3 dB 90°電橋作為一種通用射頻微波無源元器件,在雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、電子對抗[1]、電磁兼容(electro magnetic compatibility,EMC)測試、雷達(dá)橫截面(RCS)測試等領(lǐng)域的射頻收發(fā)端有重要作用。針對800 MHz～6 GHz頻段的寬帶應(yīng)用需求，目前國內(nèi)外主要為美國IPP公司的3 dB 90°電橋產(chǎn)品IPP—7148。而隨著基于Massive MIMO[2]、Polar控制信道編碼和低密度奇偶校驗碼(low density parity check code,LDPC)數(shù)據(jù)信道編碼等技術(shù)的5 G通信的發(fā)展，頻譜利用率得到大幅度提高，對無源元器件也提出了更高的要求，在滿足常規(guī)指標(biāo)外，還要滿足寬頻帶、大功率、低損耗以及便于集成等設(shè)計指標(biāo)。在IPP—7148產(chǎn)品實測時發(fā)現(xiàn)其指標(biāo)(插入損耗、駐波比、隔離度)在高頻段(4～6 GHz)較差，不滿足當(dāng)前使用要求。

針對以上問題，本文提出一種多層板結(jié)構(gòu)的寬頻帶大功率低損耗3 dB 90°電橋，結(jié)合嵌入式3 dB 90°電橋和芯片式3dB 90°電橋的結(jié)構(gòu)特點，同時具有承受功率大、損耗低的優(yōu)點，且采用導(dǎo)電通孔連接端口，將四端口集成在同一平面，便于和金屬陶瓷封裝的功率管裝配在一個模塊盒子里。

1 設(shè)計原理與方法

1.1 3 dB電橋基礎(chǔ)

3 dB電橋是定向耦合器的一種特殊情況。當(dāng)耦合器的耦合端與直通端輸出功率相等時，耦合度為3 dB，即為3 dB電橋。定向耦合器由直通和耦合兩根傳輸線組成，共4個端口，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 定向耦合器結(jié)構(gòu)

定向耦合器有以下設(shè)計指標(biāo)

電壓駐波比(voltage standing wave ratio,VSWR)是駐波波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比，又稱駐波系數(shù)。理想情況下駐波比等于1，說明系統(tǒng)沒有反射，阻抗完全匹配，駐波比越大，說明能量被反射得越多[3,4]。其中,C為耦合度，I為隔離度，IL為插入損耗，當(dāng)理論插損為3dB時，輸出端口輸出功率相等，為3 dB電橋。

在設(shè)計過程中，為滿足帶寬比要求，3 dB耦合線由2段相同的8.34 dB耦合線級聯(lián)[5]而成，每一段8.34 dB耦合線都采用多節(jié)耦合結(jié)構(gòu)。超寬帶多節(jié)耦合線耦合器主要分兩類：對稱型和非對稱型，本設(shè)計采用非對稱結(jié)構(gòu)。

基于定向耦合器與1/4波長階梯阻抗濾波器原型[6]之間的等效，對非對稱多節(jié)耦合器理論分析，它由n節(jié)(n為奇數(shù))耦合線組成，每一節(jié)耦合線的長度均為1/4波長且奇偶模阻抗均滿足匹配和隔離條件[7]，如式(1)所示

(1)

1.2 3 dB電橋基礎(chǔ)

對非對稱多節(jié)耦合器初始尺寸的綜合是一個較為復(fù)雜的過程，本設(shè)計采用Levy在1964年提出的奇偶模阻抗表來設(shè)計初始的物理尺寸。由阻抗值計算出各節(jié)耦合線線寬與線長的初始值，根據(jù)需求添加補償枝節(jié)滿足方向性，最后在HFSS軟件中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[8,9]，直到滿足指標(biāo)。

由式(2)、式(3)可得帶寬比B，相對帶寬Δ，根據(jù)切比雪夫定向耦合器的歸一耦模阻抗值表查得對應(yīng)的偶模阻抗值，由式(1)可得對應(yīng)奇模阻抗

(2)

(3)

設(shè)計中電導(dǎo)體材料均為反轉(zhuǎn)電解銅箔或壓延銅箔，電介質(zhì)材料均為聚四氟乙烯樹脂添加納米陶瓷粉末，有效介電常數(shù)εr=2.94，根據(jù)中心頻率可得波長λ，由式(4)可得耦合線長度

(4)

2 設(shè)計過程

2.1 3 dB電橋設(shè)計指標(biāo)

電橋的設(shè)計指標(biāo)如下：工作頻段為800 MHz～6 GHz，插入損耗≤1 dB，隔離度≥18 dB，端口駐波比≤1.3 dB，承受功率≥300 W。

2.2 建模仿真與優(yōu)化

由1.2節(jié)設(shè)計方案分析和數(shù)據(jù)計算可得單層8.34 dB電橋模型參數(shù)，利用計算機輔助設(shè)計(computer-aided design,CAD)軟件建立尺寸模型如圖2所示，在HFSS軟件中對其進(jìn)行優(yōu)化仿真。

圖2 8.34 dB電橋平面圖

如圖3所示，寬頻帶大功率低損耗3 dB 90°電橋的工作頻率為800 MHz～6 GHz，承受功率在300 W以上(仿真數(shù)值在800 W以上)，端口駐波比小于1.35，隔離度大于18 dB，滿足功率放大器兩路合成的使用需求。

圖3 電橋仿真曲線

3 數(shù)據(jù)結(jié)果與誤差分析

3.1 多層結(jié)構(gòu)實施方法

采用第2節(jié)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果制作電橋?qū)嵨铮鄬咏Y(jié)構(gòu)如圖4所示。該3dB電橋，自上而下包含3塊印刷電路板(printed circuit board，PCB)，通過半固化片進(jìn)行粘接，組成一個4層PCB。第1層和第4層為接地層，第2層和第3層為微帶線。上中下3塊PCB均為相同材質(zhì)，電導(dǎo)體材料均為反轉(zhuǎn)電解銅箔或壓延銅箔，電介質(zhì)材料均為聚四氟乙烯樹脂添加納米陶瓷粉末，半固化片的介電常數(shù)與電介質(zhì)材料相同，實現(xiàn)了產(chǎn)品的低損耗，提高了產(chǎn)品的熱導(dǎo)率。另外，摻雜后的電介質(zhì)材料在X，Y，Z三個方向的熱膨脹系數(shù)與電導(dǎo)體一致，使產(chǎn)品在大功率連續(xù)波工作時不會有微帶線開裂或分層脫落的隱患。

圖4 電橋多層結(jié)構(gòu)

如圖5所示，第2層和第3層是相互并行的耦合微帶線，耦合微帶線是由2個8.34 dB耦合器級聯(lián)而成，每個8.34 dB耦合器由5個1/4波長微帶線串聯(lián)構(gòu)成，實現(xiàn)了在0.8～6 GHz頻率范圍內(nèi)的3 dB耦合。第3層的微帶線通過導(dǎo)電過孔過渡到第2層，使4個端口分布在同一個平面上，有益于表貼或焊接元器件。當(dāng)信號進(jìn)入輸入端口后，中間PCB的上下微帶線通過電磁場相互作用，在直通端口和耦合端口得到兩個等幅度且具有90°固定相位差的信號。

圖5 中間層PCB耦合結(jié)構(gòu)透視圖

電橋整體長度為43 mm，寬度為24 mm，實物如圖6所示。

圖6 實物尺寸

3.2 實測結(jié)果分析

實物測試結(jié)果如圖7所示，電橋的工作頻率為800 MHz～6 GHz，承受功率在300 W以上(仿真數(shù)值在800 W以上)，端口駐波比小于1.4，隔離度大于18.5dB,背靠背實測單邊插入損耗小于等于1 dB，滿足最初設(shè)計指標(biāo)。

圖7 實測結(jié)果

4 結(jié) 論

綜上所述，該技術(shù)涉及到多層結(jié)構(gòu)的超寬帶3 dB電橋，在等效1/4波長階梯阻抗濾波器原型的基礎(chǔ)方法上，通過多層板級聯(lián)2個8.34 dB耦合器，達(dá)到800 MHz～6 GHz超寬頻帶，再通過導(dǎo)電過孔集成四個端口，使接入端口在同一平面，通過HFSS優(yōu)化仿真，可以承受功率300 W以上(仿真數(shù)值在800 W以上)的功率，端口駐波比小于1.35，隔離度大于18 dB,實測單邊插入損耗小于等于1 dB。得到的寬頻帶、大功率、低損耗、集成化3 dB 90°電橋在工作頻率范圍內(nèi)具有高承受功率、低反射損耗、低傳輸損耗、高隔離度、良好的幅相一致性，可以應(yīng)用于電子偵察設(shè)備或電子干擾設(shè)備中，也可以應(yīng)用于各領(lǐng)域EMC實驗室、RCS實驗室或天線暗室等寬帶測試設(shè)備[10]中，亦可以用于廣播電視臺、衛(wèi)星地球站的射頻設(shè)備[11]中。