新型大功率小型化陶瓷寬邊耦合3dB電橋設(shè)計(jì)

中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所 黃 科 孔令甲

1.引言

大功率3dB電橋是平衡式限幅低噪聲放大器（限放）模塊的重要組成單元，直接決定限放體積和可靠性。平衡式限放優(yōu)點(diǎn)很多[1]，電路拓?fù)淙鐖D1所示。平衡式限放應(yīng)用需求較多，迫切需要實(shí)現(xiàn)限放模塊的小型化、高功率可靠性，并滿足水汽含量、PIND試驗(yàn)要求[2]。

圖1 平衡式限放電路拓?fù)淇驁D

表1對比了多種常用3dB電橋的優(yōu)缺點(diǎn)：

表1 多種常用3dB電橋

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用陶瓷lange耦合器，耦合線間距近，線寬窄，難以承受大功率；而PCB基板的多層寬邊耦合3dB電橋[3]，其介質(zhì)熱導(dǎo)率低，信號孔過大功率時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重，難以承受大功率，體積大，水汽含量高，嚴(yán)重制約了限放模塊向小型化，高可靠方向發(fā)展，而LTCC工藝的電橋工藝周期長，多品種小批量研制時(shí)的成本過高，精度稍低，不適應(yīng)當(dāng)前限放模塊的研發(fā)生產(chǎn)要求。因此實(shí)現(xiàn)一種小型化、大功率、低插損、低水汽含量的3dB電橋已經(jīng)迫在眉睫。

本文針對限放小型化，大功率，低插損的3dB電橋需求，基于薄膜光刻工藝，設(shè)計(jì)制作了一款陶瓷螺旋形寬邊耦合3dB電橋，可承受脈沖功率達(dá)2000W，占空比15%。本文提出的3dB電橋設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)研究對比了本設(shè)計(jì)相比PCB基板多層3dB電橋的優(yōu)勢，為3dB電橋的設(shè)計(jì)提供了新的思路。同時(shí)，由于該結(jié)構(gòu)具有小型化，低插損，大功率，低水汽含量等優(yōu)點(diǎn)，也為平衡式限放的小型化，大功率，低水汽含量的發(fā)展趨勢打下基礎(chǔ)，在雷達(dá)接收機(jī)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

2.電路設(shè)計(jì)

2.1 寬邊耦合電橋的設(shè)計(jì)原理

寬邊耦合電橋具有插損小、耐功率高、帶寬寬等優(yōu)點(diǎn)，常被用于設(shè)計(jì)大功率3dB電橋，其耦合帶線結(jié)構(gòu)模型見圖2（a）所示，可等效為平行耦合線模型[4]，如圖2（b）所示；

圖2(a)寬邊耦合結(jié)構(gòu)

圖2(b)雙線耦合線模型

3dB電橋耦合線計(jì)算常用奇偶模模型分析法，奇偶模特征阻抗?jié)M足公式(1)和公式(2)：

其中Ve和Vo分別為偶模奇模傳輸速度，Ce和Co分別為偶模奇模單位長度電容。

根據(jù)傳輸線理論，耦合系數(shù)C可由公式(3)推導(dǎo)得到：

奇模偶模阻抗與端口阻抗關(guān)系需滿足公式(4)：

根據(jù)公式(3)、(4)可以推導(dǎo)出3dB電橋的偶奇模特征阻抗分別為Z0e=120.91，Z0o=20.68，然后根據(jù)寬邊耦合結(jié)構(gòu)的層介質(zhì)材料及層厚度進(jìn)行分析計(jì)算，可確定微帶線參數(shù)。

寬邊耦合層間介質(zhì)厚度和介電常數(shù)確定了其耦合帶線的特征阻抗。3dB電橋的電長度是工作頻率的四分之一波長，因此板材介質(zhì)的相對介電常數(shù)越高，其物理長度越短，越容易實(shí)現(xiàn)小型化。但是同時(shí)板材介電常數(shù)越高，耦合帶線的線寬越窄，導(dǎo)致耦合器的導(dǎo)體損耗更大，不利于實(shí)現(xiàn)低插損，不利于承受大功率。

2.2 螺旋形寬邊耦合電橋的優(yōu)點(diǎn)

寬邊耦合相比窄邊耦合更易實(shí)現(xiàn)緊耦合、低插損、大功率，因此常用寬邊耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行3dB電橋設(shè)計(jì)。常用折線形耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行3dB電橋設(shè)計(jì)，見圖3(a)，折線耦合結(jié)構(gòu)仍然顯得體積過大，同時(shí)過多的不連續(xù)性彎折造成了奇偶模阻抗突變，進(jìn)而惡化了3dB電橋的耦合度和插損指標(biāo)，因此急需一種更加小型化的設(shè)計(jì)滿足目前研發(fā)要求。為此將采用螺旋形3dB電橋，示意圖如圖3(b)：

圖3(a)折線形3dB電橋

圖3(b)螺旋線模型

由于螺旋式結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了耦合帶線間的磁耦合，提高奇模阻抗[5]，螺旋結(jié)構(gòu)的3dB電橋耦合帶線更寬，從而導(dǎo)體損耗更小，可明顯減小插損。另外從圖3(a)、(b)對比可看出，螺旋形相比折線形布線密度更高，即相同頻率相同物理長度的帶線，螺旋形電橋可以更好的實(shí)現(xiàn)小型化；

2.3 陶瓷螺旋形3dB電橋的設(shè)計(jì)

由于PCB多層介質(zhì)的螺旋形3dB電橋介質(zhì)熱導(dǎo)率僅為0.68 W/m/℃，當(dāng)大功率注入時(shí)信號孔積累的熱量缺乏有效散熱途徑，過孔溫度急劇升高，圖4為1200W 16%脈沖功率注入時(shí)的PCB電橋溫度，從圖中看出，信號孔溫度已超250℃，已超過PCB材料安全工作極限，嚴(yán)重影響產(chǎn)品可靠性，因此需要針對超大功率設(shè)計(jì)出散熱更加良好的3dB電橋。

圖4 大功率時(shí)PCB電橋溫度

Al2O3陶瓷具有熱導(dǎo)率高，介電常數(shù)高，介質(zhì)損耗小的優(yōu)點(diǎn)，其熱導(dǎo)率高達(dá)30 W/m/℃，是PCB板材的40倍，且介電常數(shù)高，耦合帶線的相同頻率的四分之一波長所對應(yīng)物理尺寸更短，是設(shè)計(jì)大功率小型化3dB電橋的理想介質(zhì)選擇，而薄膜工藝具有可靠性高，層間對位精度高，導(dǎo)體損耗小的優(yōu)勢；綜合考慮以上因素，提出了薄膜工藝螺旋形3dB電橋的設(shè)計(jì)思路，其物理結(jié)構(gòu)示意圖如下：

圖5(a)陶瓷3dB電橋結(jié)構(gòu)示意

圖5(b)疊層分布圖

如圖5(b)所示，頂層介質(zhì)使用較薄的氧化鋁陶瓷1，耦合帶線設(shè)計(jì)在其正反兩面，進(jìn)行薄膜工藝雙面光刻，耦合圖形設(shè)計(jì)為雙面重疊螺旋形，底層耦合支路和隔離端口通過陶瓷打孔引出到陶瓷頂面。底層介質(zhì)使用單底面金屬化氧化鋁陶瓷2，使用絕緣膠在170℃下將上下兩層介質(zhì)粘接固化。底層介質(zhì)起到物理支撐和滿足電橋奇偶模阻抗的功能，雙層氧化鋁陶瓷有30 W/m/℃的高熱導(dǎo)率，保證3dB電橋大功率工作時(shí)的良好散熱。計(jì)算工作中心頻帶的1/4波長等效物理長度，根據(jù)所需耦合度確定耦合線特征阻抗對應(yīng)的物理寬度，進(jìn)行最終仿真設(shè)計(jì)。

之前已設(shè)計(jì)過P波段的PCB型3dB電橋，其電橋面積為14mm*8.5mm*2.1mm，體積較大，極限耐受功率僅為1000W，16%，已經(jīng)無法滿足實(shí)際工程耐功率和小型化需要，需采用新方案進(jìn)行P波段3dB大功率電橋設(shè)計(jì)。根據(jù)以上思路，設(shè)計(jì)出400MHz-480MHz薄膜陶瓷大功率螺旋式3dB電橋，本次設(shè)計(jì)目標(biāo)如表2所示：

表2 P波段3dB電橋設(shè)計(jì)目標(biāo)

3.電路仿真和優(yōu)化

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn)行介質(zhì)和耦合線寬初步計(jì)算，確定介質(zhì)厚度和耦合線寬，由于螺旋形結(jié)構(gòu)比直線結(jié)構(gòu)的帶線阻抗更高，磁耦合更強(qiáng)，相同線寬和介質(zhì)條件下，可實(shí)現(xiàn)更緊的耦合特性，通過3維仿真模型建立，最終仿真模型圖6所示：

圖6 陶瓷大功率螺旋電橋仿真模型

通過場仿真軟件進(jìn)行模型參數(shù)優(yōu)化，最終仿真結(jié)果如圖7所示：

圖7 陶瓷大功率螺旋電橋仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果看，各項(xiàng)小信號設(shè)計(jì)參數(shù)及體積均滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，尤其體積更小，具有明顯優(yōu)勢。由于電橋需要承受超過2000W脈沖功率，因此需在3維場仿真軟件中，對電橋的大功率場強(qiáng)分布進(jìn)行仿真模擬，如圖8所示：

圖8 2000W時(shí)陶瓷電橋場強(qiáng)分布仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果看出，電橋在2000W輸入功率下，最大場強(qiáng)小于1×105V/m，遠(yuǎn)小于空氣擊穿場強(qiáng)3×106V/m，大功率狀態(tài)下工作比較可靠。

當(dāng)輸入脈沖2000W占空比16%的功率時(shí)，折算連續(xù)波功率為320W，通過仿真，電橋插損最大為0.15dB，即耗散約3.3%的功率，即10.56W。電橋介質(zhì)熱導(dǎo)率K=30W/m/℃，電橋厚度L=0.8mm，面積為60mm2，電橋等效熱阻為ρ=L/(K*S)＜0.5W/℃。但是實(shí)際的電橋在介質(zhì)層間有絕緣膠，其熱導(dǎo)率較低，盡管絕緣膠厚度＜0.1mm，仍然對熱導(dǎo)率有較明顯惡化。綜合考慮電橋采用膠粘工藝裝配，認(rèn)為電橋平均熱導(dǎo)率＜2W/℃，當(dāng)2000W脈沖輸入時(shí)，平均溫升小于25℃，可滿足大功率下的可靠性。

4.電路測試

最終對電橋裝配并測試，外形示意圖如圖9所示：

圖9 陶瓷電橋外形示意圖

矢網(wǎng)校準(zhǔn)測試結(jié)果如圖10所示：

圖10 陶瓷電橋?qū)崪y結(jié)果

實(shí)測結(jié)果與設(shè)計(jì)目標(biāo)基本相符，與仿真值接近，滿足設(shè)計(jì)要求。小信號具體對比詳見表3：

表3 新型陶瓷3dB電橋設(shè)計(jì)實(shí)測對比

圖11 新型陶瓷電橋2000W功率時(shí)結(jié)溫圖

需要驗(yàn)證2000W大功率輸入時(shí)，電橋工作溫度及功率可靠性，將電橋裝配至平衡限放模塊中，進(jìn)行功率驗(yàn)證，并實(shí)測電橋結(jié)溫圖，詳細(xì)的結(jié)溫測試結(jié)果見圖11所示。

電橋輸入功率為脈沖2000W，16%占空比，工作環(huán)境溫度為85℃，從結(jié)溫圖看出，最高的峰值溫度在靠近大功率吸收負(fù)載周圍的耦合線處，其工作溫度為145℃，滿足三級降額工作要求。薄膜陶瓷的退火溫度＞350℃，遠(yuǎn)高于145℃的工作結(jié)溫，因此大功率輸入時(shí)，上下層的薄膜金屬耦合帶線處于安全溫度范圍。而兩層介質(zhì)間的絕緣膠固化溫度高于170℃，在170℃時(shí)仍能保證粘接強(qiáng)度和可靠性。綜上所述，陶瓷大功率3dB電橋處于安全工作范圍，可承受超過2000W的脈沖功率。

5.結(jié)論

本文基于混合集成電路工藝和薄膜陶瓷光刻工藝，介紹了一種新型的大功率3dB電橋，基于薄膜工藝的大功率陶瓷螺旋形3dB電橋相比傳統(tǒng)3dB電橋具有5個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）耐受功率明顯提高，耐受功率可達(dá)2000W，16%占空比，可靠性更高；

2）體積縮小50%，實(shí)現(xiàn)大功率3dB電橋的小型化，低插損的設(shè)計(jì)要求，面積僅10mm*6mm，插損小于0.15dB；

3）由于選用了無吸水率的氧化鋁陶瓷介質(zhì)材料，適用于高可靠類大功率限放產(chǎn)品。大功率陶瓷電橋的使用，將避免大功率限放產(chǎn)品內(nèi)部過多使用焊接工藝，介質(zhì)中水汽殘留微少，進(jìn)而保證產(chǎn)品的水汽含量和PIND試驗(yàn)處于更好水平；

4）原材料周期可控； 該新型陶瓷3dB電橋基于混合集成電路工藝制備，最復(fù)雜工藝為雙面薄膜光刻工藝，屬于常見工藝，介質(zhì)基板采用常備的Al2O3陶瓷基板，工藝周期和原材料可控，研制速度快；

5）高精度的圖形公差控制，批產(chǎn)一致性高，由于采用了薄膜雙面光刻工藝，相比LTCC和PCB多層電路所制備的3dB電橋，耦合圖形的線寬和上下層的對位精度提高一個(gè)數(shù)量級，均達(dá)到≤±1.5um，極大的保證了3dB電橋的批產(chǎn)電性能一致性。

該新型大功率小型化陶瓷寬邊耦合3dB電橋已經(jīng)成功應(yīng)用于多款平衡式限幅低噪放項(xiàng)目中，并已通過各項(xiàng)環(huán)境可靠性試驗(yàn)，將在以后有著廣闊的應(yīng)用前景。由于電橋本身具有水汽含量低、小型化、高功率可靠性等特點(diǎn)，特別適用于對體積和可靠性要求極高的限幅低噪放產(chǎn)品中；通過紅外成像結(jié)溫測試，該陶瓷螺旋3dB電橋工作溫度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)PCB電橋，可保證大功率下的產(chǎn)品長期可靠性。

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