基于多层板结构的超宽带3 dB 90°电桥

李玉琳， 印茂伟， 黄 震， 张雨亭， 周 帅， 王琦源

(西南科技大学 国防科技学院，四川 绵阳 621010)

0 引 言

3 dB 90°电桥作为一种通用射频微波无源元器件,在雷达、通信、导航、电子对抗[1]、电磁兼容(electro magnetic compatibility,EMC)测试、雷达横截面(RCS)测试等领域的射频收发端有重要作用。针对800 MHz～6 GHz频段的宽带应用需求，目前国内外主要为美国IPP公司的3 dB 90°电桥产品IPP—7148。而随着基于Massive MIMO[2]、Polar控制信道编码和低密度奇偶校验码(low density parity check code,LDPC)数据信道编码等技术的5 G通信的发展，频谱利用率得到大幅度提高，对无源元器件也提出了更高的要求，在满足常规指标外，还要满足宽频带、大功率、低损耗以及便于集成等设计指标。在IPP—7148产品实测时发现其指标(插入损耗、驻波比、隔离度)在高频段(4～6 GHz)较差，不满足当前使用要求。

针对以上问题，本文提出一种多层板结构的宽频带大功率低损耗3 dB 90°电桥，结合嵌入式3 dB 90°电桥和芯片式3dB 90°电桥的结构特点，同时具有承受功率大、损耗低的优点，且采用导电通孔连接端口，将四端口集成在同一平面，便于和金属陶瓷封装的功率管装配在一个模块盒子里。

1 设计原理与方法

1.1 3 dB电桥基础

3 dB电桥是定向耦合器的一种特殊情况。当耦合器的耦合端与直通端输出功率相等时，耦合度为3 dB，即为3 dB电桥。定向耦合器由直通和耦合两根传输线组成，共4个端口，结构示意如图1所示。

图1 定向耦合器结构

定向耦合器有以下设计指标

电压驻波比(voltage standing wave ratio,VSWR)是驻波波腹电压与波节电压幅度之比，又称驻波系数。理想情况下驻波比等于1，说明系统没有反射，阻抗完全匹配，驻波比越大，说明能量被反射得越多[3,4]。其中,C为耦合度，I为隔离度，IL为插入损耗，当理论插损为3dB时，输出端口输出功率相等，为3 dB电桥。

在设计过程中，为满足带宽比要求，3 dB耦合线由2段相同的8.34 dB耦合线级联[5]而成，每一段8.34 dB耦合线都采用多节耦合结构。超宽带多节耦合线耦合器主要分两类：对称型和非对称型，本设计采用非对称结构。

基于定向耦合器与1/4波长阶梯阻抗滤波器原型[6]之间的等效，对非对称多节耦合器理论分析，它由n节(n为奇数)耦合线组成，每一节耦合线的长度均为1/4波长且奇偶模阻抗均满足匹配和隔离条件[7]，如式(1)所示

(1)

1.2 3 dB电桥基础

对非对称多节耦合器初始尺寸的综合是一个较为复杂的过程，本设计采用Levy在1964年提出的奇偶模阻抗表来设计初始的物理尺寸。由阻抗值计算出各节耦合线线宽与线长的初始值，根据需求添加补偿枝节满足方向性，最后在HFSS软件中进行优化设计[8,9]，直到满足指标。

由式(2)、式(3)可得带宽比B，相对带宽Δ，根据切比雪夫定向耦合器的归一耦模阻抗值表查得对应的偶模阻抗值，由式(1)可得对应奇模阻抗

(2)

(3)

设计中电导体材料均为反转电解铜箔或压延铜箔，电介质材料均为聚四氟乙烯树脂添加纳米陶瓷粉末，有效介电常数εr=2.94，根据中心频率可得波长λ，由式(4)可得耦合线长度

(4)

2 设计过程

2.1 3 dB电桥设计指标

电桥的设计指标如下：工作频段为800 MHz～6 GHz，插入损耗≤1 dB，隔离度≥18 dB，端口驻波比≤1.3 dB，承受功率≥300 W。

2.2 建模仿真与优化

由1.2节设计方案分析和数据计算可得单层8.34 dB电桥模型参数，利用计算机辅助设计(computer-aided design,CAD)软件建立尺寸模型如图2所示，在HFSS软件中对其进行优化仿真。

图2 8.34 dB电桥平面图

如图3所示，宽频带大功率低损耗3 dB 90°电桥的工作频率为800 MHz～6 GHz，承受功率在300 W以上(仿真数值在800 W以上)，端口驻波比小于1.35，隔离度大于18 dB，满足功率放大器两路合成的使用需求。

图3 电桥仿真曲线

3 数据结果与误差分析

3.1 多层结构实施方法

采用第2节数据和仿真结果制作电桥实物，多层结构如图4所示。该3dB电桥，自上而下包含3块印刷电路板(printed circuit board，PCB)，通过半固化片进行粘接，组成一个4层PCB。第1层和第4层为接地层，第2层和第3层为微带线。上中下3块PCB均为相同材质，电导体材料均为反转电解铜箔或压延铜箔，电介质材料均为聚四氟乙烯树脂添加纳米陶瓷粉末，半固化片的介电常数与电介质材料相同，实现了产品的低损耗，提高了产品的热导率。另外，掺杂后的电介质材料在X，Y，Z三个方向的热膨胀系数与电导体一致，使产品在大功率连续波工作时不会有微带线开裂或分层脱落的隐患。

图4 电桥多层结构

如图5所示，第2层和第3层是相互并行的耦合微带线，耦合微带线是由2个8.34 dB耦合器级联而成，每个8.34 dB耦合器由5个1/4波长微带线串联构成，实现了在0.8～6 GHz频率范围内的3 dB耦合。第3层的微带线通过导电过孔过渡到第2层，使4个端口分布在同一个平面上，有益于表贴或焊接元器件。当信号进入输入端口后，中间PCB的上下微带线通过电磁场相互作用，在直通端口和耦合端口得到两个等幅度且具有90°固定相位差的信号。

图5 中间层PCB耦合结构透视图

电桥整体长度为43 mm，宽度为24 mm，实物如图6所示。

图6 实物尺寸

3.2 实测结果分析

实物测试结果如图7所示，电桥的工作频率为800 MHz～6 GHz，承受功率在300 W以上(仿真数值在800 W以上)，端口驻波比小于1.4，隔离度大于18.5dB,背靠背实测单边插入损耗小于等于1 dB，满足最初设计指标。

图7 实测结果

4 结 论

综上所述，该技术涉及到多层结构的超宽带3 dB电桥，在等效1/4波长阶梯阻抗滤波器原型的基础方法上，通过多层板级联2个8.34 dB耦合器，达到800 MHz～6 GHz超宽频带，再通过导电过孔集成四个端口，使接入端口在同一平面，通过HFSS优化仿真，可以承受功率300 W以上(仿真数值在800 W以上)的功率，端口驻波比小于1.35，隔离度大于18 dB,实测单边插入损耗小于等于1 dB。得到的宽频带、大功率、低损耗、集成化3 dB 90°电桥在工作频率范围内具有高承受功率、低反射损耗、低传输损耗、高隔离度、良好的幅相一致性，可以应用于电子侦察设备或电子干扰设备中，也可以应用于各领域EMC实验室、RCS实验室或天线暗室等宽带测试设备[10]中，亦可以用于广播电视台、卫星地球站的射频设备[11]中。