新型大功率小型化陶瓷宽边耦合3dB电桥设计

2018-04-26 08:51中国电子科技集团公司第十三研究所孔令甲
电子世界 2018年7期
关键词:带线电桥小型化

中国电子科技集团公司第十三研究所 黄 科 孔令甲

1.引言

大功率3dB电桥是平衡式限幅低噪声放大器(限放)模块的重要组成单元,直接决定限放体积和可靠性。平衡式限放优点很多[1],电路拓扑如图1所示。平衡式限放应用需求较多,迫切需要实现限放模块的小型化、高功率可靠性,并满足水汽含量、PIND试验要求[2]。

图1 平衡式限放电路拓扑框图

表1对比了多种常用3dB电桥的优缺点:

表1 多种常用3dB电桥

传统设计中使用陶瓷lange耦合器,耦合线间距近,线宽窄,难以承受大功率;而PCB基板的多层宽边耦合3dB电桥[3],其介质热导率低,信号孔过大功率时发热严重,难以承受大功率,体积大,水汽含量高,严重制约了限放模块向小型化,高可靠方向发展,而LTCC工艺的电桥工艺周期长,多品种小批量研制时的成本过高,精度稍低,不适应当前限放模块的研发生产要求。因此实现一种小型化、大功率、低插损、低水汽含量的3dB电桥已经迫在眉睫。

本文针对限放小型化,大功率,低插损的3dB电桥需求,基于薄膜光刻工艺,设计制作了一款陶瓷螺旋形宽边耦合3dB电桥,可承受脉冲功率达2000W,占空比15%。本文提出的3dB电桥设计方案,重点研究对比了本设计相比PCB基板多层3dB电桥的优势,为3dB电桥的设计提供了新的思路。同时,由于该结构具有小型化,低插损,大功率,低水汽含量等优点,也为平衡式限放的小型化,大功率,低水汽含量的发展趋势打下基础,在雷达接收机中有着广阔的应用前景。

2.电路设计

2.1 宽边耦合电桥的设计原理

宽边耦合电桥具有插损小、耐功率高、带宽宽等优点,常被用于设计大功率3dB电桥,其耦合带线结构模型见图2(a)所示,可等效为平行耦合线模型[4],如图2(b)所示;

图2(a)宽边耦合结构

图2(b)双线耦合线模型

3dB电桥耦合线计算常用奇偶模模型分析法,奇偶模特征阻抗满足公式(1)和公式(2):

其中Ve和Vo分别为偶模奇模传输速度,Ce和Co分别为偶模奇模单位长度电容。

根据传输线理论,耦合系数C可由公式(3)推导得到:

奇模偶模阻抗与端口阻抗关系需满足公式(4):

根据公式(3)、(4)可以推导出3dB电桥的偶奇模特征阻抗分别为Z0e=120.91,Z0o=20.68,然后根据宽边耦合结构的层介质材料及层厚度进行分析计算,可确定微带线参数。

宽边耦合层间介质厚度和介电常数确定了其耦合带线的特征阻抗。3dB电桥的电长度是工作频率的四分之一波长,因此板材介质的相对介电常数越高,其物理长度越短,越容易实现小型化。但是同时板材介电常数越高,耦合带线的线宽越窄,导致耦合器的导体损耗更大,不利于实现低插损,不利于承受大功率。

2.2 螺旋形宽边耦合电桥的优点

宽边耦合相比窄边耦合更易实现紧耦合、低插损、大功率,因此常用宽边耦合结构进行3dB电桥设计。常用折线形耦合结构进行3dB电桥设计,见图3(a),折线耦合结构仍然显得体积过大,同时过多的不连续性弯折造成了奇偶模阻抗突变,进而恶化了3dB电桥的耦合度和插损指标,因此急需一种更加小型化的设计满足目前研发要求。为此将采用螺旋形3dB电桥,示意图如图3(b):

图3(a)折线形3dB电桥

图3(b)螺旋线模型

由于螺旋式结构增强了耦合带线间的磁耦合,提高奇模阻抗[5],螺旋结构的3dB电桥耦合带线更宽,从而导体损耗更小,可明显减小插损。另外从图3(a)、(b)对比可看出,螺旋形相比折线形布线密度更高,即相同频率相同物理长度的带线,螺旋形电桥可以更好的实现小型化;

2.3 陶瓷螺旋形3dB电桥的设计

由于PCB多层介质的螺旋形3dB电桥介质热导率仅为0.68 W/m/℃,当大功率注入时信号孔积累的热量缺乏有效散热途径,过孔温度急剧升高,图4为1200W 16%脉冲功率注入时的PCB电桥温度,从图中看出,信号孔温度已超250℃,已超过PCB材料安全工作极限,严重影响产品可靠性,因此需要针对超大功率设计出散热更加良好的3dB电桥。

图4 大功率时PCB电桥温度

Al2O3陶瓷具有热导率高,介电常数高,介质损耗小的优点,其热导率高达30 W/m/℃,是PCB板材的40倍,且介电常数高,耦合带线的相同频率的四分之一波长所对应物理尺寸更短,是设计大功率小型化3dB电桥的理想介质选择,而薄膜工艺具有可靠性高,层间对位精度高,导体损耗小的优势;综合考虑以上因素,提出了薄膜工艺螺旋形3dB电桥的设计思路,其物理结构示意图如下:

图5(a)陶瓷3dB电桥结构示意

图5(b)叠层分布图

如图5(b)所示,顶层介质使用较薄的氧化铝陶瓷1,耦合带线设计在其正反两面,进行薄膜工艺双面光刻,耦合图形设计为双面重叠螺旋形,底层耦合支路和隔离端口通过陶瓷打孔引出到陶瓷顶面。底层介质使用单底面金属化氧化铝陶瓷2,使用绝缘胶在170℃下将上下两层介质粘接固化。底层介质起到物理支撑和满足电桥奇偶模阻抗的功能,双层氧化铝陶瓷有30 W/m/℃的高热导率,保证3dB电桥大功率工作时的良好散热。计算工作中心频带的1/4波长等效物理长度,根据所需耦合度确定耦合线特征阻抗对应的物理宽度,进行最终仿真设计。

之前已设计过P波段的PCB型3dB电桥,其电桥面积为14mm*8.5mm*2.1mm,体积较大,极限耐受功率仅为1000W,16%,已经无法满足实际工程耐功率和小型化需要,需采用新方案进行P波段3dB大功率电桥设计。根据以上思路,设计出400MHz-480MHz薄膜陶瓷大功率螺旋式3dB电桥,本次设计目标如表2所示:

表2 P波段3dB电桥设计目标

3.电路仿真和优化

根据设计目标,进行介质和耦合线宽初步计算,确定介质厚度和耦合线宽,由于螺旋形结构比直线结构的带线阻抗更高,磁耦合更强,相同线宽和介质条件下,可实现更紧的耦合特性,通过3维仿真模型建立,最终仿真模型图6所示:

图6 陶瓷大功率螺旋电桥仿真模型

通过场仿真软件进行模型参数优化,最终仿真结果如图7所示:

图7 陶瓷大功率螺旋电桥仿真结果

从仿真结果看,各项小信号设计参数及体积均满足设计目标要求,尤其体积更小,具有明显优势。由于电桥需要承受超过2000W脉冲功率,因此需在3维场仿真软件中,对电桥的大功率场强分布进行仿真模拟,如图8所示:

图8 2000W时陶瓷电桥场强分布仿真结果

从仿真结果看出,电桥在2000W输入功率下,最大场强小于1×105V/m,远小于空气击穿场强3×106V/m,大功率状态下工作比较可靠。

当输入脉冲2000W占空比16%的功率时,折算连续波功率为320W,通过仿真,电桥插损最大为0.15dB,即耗散约3.3%的功率,即10.56W。电桥介质热导率K=30W/m/℃,电桥厚度L=0.8mm,面积为60mm2,电桥等效热阻为ρ=L/(K*S)<0.5W/℃。但是实际的电桥在介质层间有绝缘胶,其热导率较低,尽管绝缘胶厚度<0.1mm,仍然对热导率有较明显恶化。综合考虑电桥采用胶粘工艺装配,认为电桥平均热导率<2W/℃,当2000W脉冲输入时,平均温升小于25℃,可满足大功率下的可靠性。

4.电路测试

最终对电桥装配并测试,外形示意图如图9所示:

图9 陶瓷电桥外形示意图

矢网校准测试结果如图10所示:

图10 陶瓷电桥实测结果

实测结果与设计目标基本相符,与仿真值接近,满足设计要求。小信号具体对比详见表3:

表3 新型陶瓷3dB电桥设计实测对比

图11 新型陶瓷电桥2000W功率时结温图

需要验证2000W大功率输入时,电桥工作温度及功率可靠性,将电桥装配至平衡限放模块中,进行功率验证,并实测电桥结温图,详细的结温测试结果见图11所示。

电桥输入功率为脉冲2000W,16%占空比,工作环境温度为85℃,从结温图看出,最高的峰值温度在靠近大功率吸收负载周围的耦合线处,其工作温度为145℃,满足三级降额工作要求。薄膜陶瓷的退火温度>350℃,远高于145℃的工作结温,因此大功率输入时,上下层的薄膜金属耦合带线处于安全温度范围。而两层介质间的绝缘胶固化温度高于170℃,在170℃时仍能保证粘接强度和可靠性。综上所述,陶瓷大功率3dB电桥处于安全工作范围,可承受超过2000W的脉冲功率。

5.结论

本文基于混合集成电路工艺和薄膜陶瓷光刻工艺,介绍了一种新型的大功率3dB电桥,基于薄膜工艺的大功率陶瓷螺旋形3dB电桥相比传统3dB电桥具有5个优点:

1)耐受功率明显提高,耐受功率可达2000W,16%占空比,可靠性更高;

2)体积缩小50%,实现大功率3dB电桥的小型化,低插损的设计要求,面积仅10mm*6mm,插损小于0.15dB;

3)由于选用了无吸水率的氧化铝陶瓷介质材料,适用于高可靠类大功率限放产品。大功率陶瓷电桥的使用,将避免大功率限放产品内部过多使用焊接工艺,介质中水汽残留微少,进而保证产品的水汽含量和PIND试验处于更好水平;

4)原材料周期可控; 该新型陶瓷3dB电桥基于混合集成电路工艺制备,最复杂工艺为双面薄膜光刻工艺,属于常见工艺,介质基板采用常备的Al2O3陶瓷基板,工艺周期和原材料可控,研制速度快;

5)高精度的图形公差控制,批产一致性高,由于采用了薄膜双面光刻工艺,相比LTCC和PCB多层电路所制备的3dB电桥,耦合图形的线宽和上下层的对位精度提高一个数量级,均达到≤±1.5um,极大的保证了3dB电桥的批产电性能一致性。

该新型大功率小型化陶瓷宽边耦合3dB电桥已经成功应用于多款平衡式限幅低噪放项目中,并已通过各项环境可靠性试验,将在以后有着广阔的应用前景。由于电桥本身具有水汽含量低、小型化、高功率可靠性等特点,特别适用于对体积和可靠性要求极高的限幅低噪放产品中;通过红外成像结温测试,该陶瓷螺旋3dB电桥工作温度远低于传统PCB电桥,可保证大功率下的产品长期可靠性。

[1]尤喜成,俞志远.L波段限幅低噪声放大器的设计[C].//2007年全国徽波毫米波会议,宁波∶中国,2007∶617-620.

[2]李雁斌,张敏.星载微波跟瞄雷达系统设计特点[J].制导与引信,2013,34(4)∶39-45.

[3]James J.Licari,Leonard R..Enlow.Hybrid Microcircuit Technology Handbook(2nd Edition)[M].California∶William Andrew,1997∶7-8.

[4]POZAR D M.Microwave Engineering Third Edition[M].New York∶Wiley,2005∶482-485.

[5]Yasuhiro Fujiki,Harufumi Mandai,Takehito Morikawa.Chip type spiral broadside coupled directional couplers and baluns using low temperature co-fired ceramic[C].//1999 Electronic Components and Technology Conference,CA,USA,1999∶105-110.

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