1.5～1.7 GHz小型化LTCC電橋的設計

2023-10-09 06:38:20秦立峰

通信電源技術 2023年16期

秦立峰

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊 050000）

0 引言

近年來，隨著全球消費電子市場的高速持續性發展，市場需求體量劇增，其中虛擬現實、無人機、智能家居等集成化極高的產品備受市場青睞，促使電子元器件向小型化發展。低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）技術由于其獨特的工藝特性以及良好的性能，近年來迅速發展，將無源器件的小型化、輕量化、集成化以及多功能化推向產業化發展階段。

3 dB電橋作為一種四端口的無源微波器件，是一種3 dB的定向耦合器，可將一路主信號功率等分成為有固定相位差的2路分路信號。3 dB電橋廣泛應用于測控通信、雷達探測等系統。例如：3 dB電橋可作為各類分布系統的同頻合路器；可在天饋系統中形成波束；可在各類平衡式放大器中改善端口電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）；可在正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）發射機中確定相位誤差等。3 dB電橋的4個端口阻抗匹配良好，因此能方便地集成在各類微波系統。由于3 dB電橋具備的多方面優勢，已成為微波系統的重要產品。

文章研究的內容為能輸出同幅度正交信號的3 dB 90°電橋。在如今的通信系統中，這種電橋的使用范圍非常廣泛。

1 基本原理

1.1 3 dB 90°電橋基本原理

3 dB 90°電橋是一種相對特殊的定向耦合器，信號流如圖1所示。如果輸入信號從端口1進入，則其信號功率從端口2和端口3等分流出，而端口2和端口3相位正交即相位差為90°，此時端口4為隔離端口。由于該電橋是互易端口，如果信號從端口4流入，那么等分正交信號功率就會從端口2和端口3流出，此時端口1就會成為隔離端口。

1.2 3 dB 90°電橋工作原理

設計的3 dB 90°電橋采用LTCC耦合帶狀線來實現（見圖2），端口通過側邊互聯引出，接地面分布在LTCC基板內部，2條耦合的帶狀線分布在基板中間層。

圖2 3 dB 90°電橋耦合帶狀線示意

根據3 dB電橋的基本電路工作原理，耦合帶狀線的長度應為工作頻率的四分之一波長。當工作頻率較低時，四分之一波長帶狀線的長度較長，難以滿足小型化要求，因此可以采用蛇形線或阿基米德螺旋線等方式，合理利用空間，從而縮小電橋的尺寸，實現小型化。由于3dB的耦合度較小，為加強耦合度，需在2層耦合線層之間印刷一層薄介質，減小耦合線間距的同時增強耦合能力。

2 電路設計及工藝設計

2.1 3 dB 90°電橋電路設計

設計的LTCC類3 dB 90°電橋的主要技術指標如下：工作頻率為1.5～1.7 GHz；回波損耗≤-20 dB；幅度不平衡度≤±0.4 dB；相位不平衡度≤90°±1°；端口隔離度≥20 dB；插入損耗≤0.6 dB；尺寸為2.04 mm×1.29 mm×1.16 mm。

該設計電橋采用0805封裝尺寸，即XY方向的尺寸要求非常小（約2 mm×1 mm），中心頻率為1.6 GHz，四分之一波長帶狀線長度較長（約47 mm），很難在規定尺寸內實現，故采用阿基米德螺旋線設計，如圖3所示。該結構非常緊湊，可充分利用現有XY方向的尺寸，實現較低頻率的3 dB電橋。但是阿基米德螺旋線間距會影響耦合性能，因此需要保證一定的線間距盡量來減小不必要的耦合，以免性能惡化。

采用阿基米德螺旋線只能部分實現降低器件中心頻率和小型化，達不到尺寸要求的0805封裝水平。因此，文章進一步沿器件Z軸中點對稱設計了2組基本一樣的阿基米德螺旋帶狀線，如圖4所示。該設計中間采用大面積地層隔開，以免耦合線之間相互影響。2組阿基米德帶狀線通過層間過孔連接，通過充分利用LTCC多層疊層的特性，大大縮小了器件XY方向的尺寸，降低了器件的中心頻率。