寬帶大功率非平衡式電橋

徐凌

（中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036）

限幅放大器（簡稱限放）是雷達(dá)前端的重要部件，由限幅器和和放大器構(gòu)成。限幅放大器又可以分為反射式和吸收式兩種。當(dāng)大功率注入時(shí)，反射式限放將輸入端輸入的大部分功率發(fā)射回輸入端，在大功率狀態(tài)下駐波會(huì)急劇惡化，而吸收式限放將注入的功率吸收，在大功率狀態(tài)下也能維持良好的駐波特性。吸收式限放是通過平衡式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，通過采用90 度電橋，使兩路限放的反射信號(hào)在輸入端抵消，在隔離端合成并被吸收負(fù)載吸收。隨著現(xiàn)代電子系統(tǒng)的快速發(fā)展，限幅放大器的噪聲系數(shù)越來越低，限幅功率越來越高，這就90 度電橋的插入損耗越來越低，耐功率越來越高。當(dāng)前P 波段常用大功率電橋的功率容量已高達(dá)500W 以上。

90 度電橋是一種常用的微波器件，微波功率經(jīng)輸入端輸入后，形成幅度相等，相位相差90°的兩路信號(hào)，分別由直通端和耦合端輸出。90 度電橋可由耦合傳輸線實(shí)現(xiàn)，如圖1 所示，采用奇偶模分析法，可得電橋的各項(xiàng)指標(biāo)如公式1，其中T 為傳輸系數(shù)，C 為耦合度，K 為傳輸線耦合系數(shù)，對(duì)90 度電橋，耦合系數(shù)為3dB，此時(shí)耦合系數(shù)為0.68。可見，此時(shí)所需要的耦合度是比較大的。

圖1 微帶耦合線90 度電橋

為了滿足大功率要求，一般采用帶狀線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)耦合，剖面圖如圖2 所示，由四層金屬實(shí)現(xiàn)，上下兩層為地平面，中間兩層為耦合傳輸線。h1 為傳輸線離地平面高度，h2 為傳輸線之間的間距，w為傳輸線寬度。使用時(shí)，底層金屬一般焊接在腔體上，帶狀線產(chǎn)生的熱量通過介質(zhì)傳輸至底層腔體。介質(zhì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)從1 到十幾不等。PCB 材料的導(dǎo)熱系數(shù)一般在2 以下。LTCC 材料的導(dǎo)熱系數(shù)較高，可以達(dá)到10 左右。

圖2 帶狀線電橋剖面圖

一般來說，四層版是由兩層介質(zhì)板和半固化構(gòu)成，半固化片厚度一般較薄，為了提高中間層厚度，可以適當(dāng)多加半固化片，但半固化片在加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的形變，造成加工偏差，因此一般采用如圖3的層壓結(jié)構(gòu)，中間芯板采用固定厚度的板材，整個(gè)結(jié)構(gòu)由三層介質(zhì)板和兩層半固化片構(gòu)成，事實(shí)上為6層板。

圖3 PCB 層壓示意圖

對(duì)50 歐姆系統(tǒng)，耦合線的耦合系數(shù)一定時(shí)，奇、偶模的阻抗也確定了。奇模阻抗主要由w、h2 確定，h2 和w成正比。偶模阻抗主要由w、h1 確定，h1 和w 也成正比。為了降低插入損耗，w要盡量寬，但w寬度增加后，h1 也會(huì)成比例增加，使器件的熱阻增大。由于實(shí)際應(yīng)用中，電橋的頂板是懸置的，只能通過很有限的對(duì)流和輻射散熱，電橋產(chǎn)生的熱量幾乎全部通過下層介質(zhì)傳到至地面熱沉上來散熱。

為了降低h1 高度，本文提出了一種新的耦合帶狀線結(jié)構(gòu)，剖面圖如圖4 所示，由三層金屬實(shí)現(xiàn)，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，去掉了頂層的接地金屬。對(duì)于偶模，由于少了一半的電容，偶模阻抗得以明顯提高，從而可以明顯降低h1的高度，降低器件的熱阻，提高器件的功率容量。由于器件結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，設(shè)計(jì)時(shí)兩層傳輸線的寬度會(huì)不一致，上層傳輸線的寬度w1 會(huì)略寬于下層傳輸線w2，其理論值推導(dǎo)比較復(fù)雜，可由數(shù)值仿真軟件調(diào)試確定。

圖4 新型電橋剖面圖

表1 為采用RO4350 板材，芯板厚度0.254mm 時(shí)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與新結(jié)構(gòu)的對(duì)比，可見在相同的傳輸線寬度下，新結(jié)構(gòu)的熱阻約為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的二分之一，功率容量提高接近1 倍。

表1 新型結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的對(duì)比

利用本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款P 波段大功率電橋，如圖5 所示，為了進(jìn)一步減小尺寸，電橋采用螺旋線設(shè)計(jì)，其具體指標(biāo)如表2所示。采用羅杰斯公司RO4350b 基板，電磁仿真采用仿真軟件HFSS，對(duì)電橋進(jìn)行了設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果如圖6 所示，測試結(jié)果如圖7 所示。本電橋已經(jīng)應(yīng)用于一款大功率限幅放大器電路，產(chǎn)品最大耐受功率6000W，脈寬2ms，平均功率500W，經(jīng)測試電橋完全滿足產(chǎn)品需要。本電橋的綜合性能處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。與RN2公司的LTCC 大功率電橋的對(duì)比如表3，本產(chǎn)品的綜合性能已經(jīng)優(yōu)于國外產(chǎn)品。

圖7 測試結(jié)果

表2 設(shè)計(jì)指標(biāo)

表3 與國外相關(guān)產(chǎn)品比較

圖5 大功率電橋模型圖

圖6 仿真結(jié)果

結(jié)束語

本文介紹了一種新型耦合傳輸線電橋結(jié)構(gòu)，于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，明顯提高了功率容量，并進(jìn)行了加工測試，綜合性能達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。但電路仍有改進(jìn)的余地，如采用介電常數(shù)更高，熱導(dǎo)率更高的LTCC 實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品的插損、功率容量、體積等指標(biāo)勢必會(huì)有很大提升。