周平章，汪 寅，劉榮輝，張 超，張峰平，尹久紅

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第九研究所，四川 綿陽(yáng) 621000;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江 嘉興 314000)

0 引 言

正交電橋是一種3 dB耦合器，是通信系統(tǒng)中常用的無(wú)源器件，尤其是在射頻、微波電路與系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，例如射頻功率的分配與合成，用來(lái)作為系統(tǒng)中的加法器和減法器，以及結(jié)合其它器件構(gòu)成反射型移相器等。Ange和Toulios在20世紀(jì)60年代分別提出了Lange電橋和帶線邊緣耦合寬帶耦合器的設(shè)計(jì)，但是這2種寬帶耦合器都有各自的缺點(diǎn)，主要是一般的工藝很難滿足它的精度要求，導(dǎo)致頻帶不寬、功率容量有限。近來(lái)隨著多系統(tǒng)合路平臺(tái)(POI)市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，對(duì)其性能特別是功率容量提出了更高的要求[1]。

雖然帶狀線電橋具有插入損耗低、方向性好等優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)現(xiàn)寬帶3 dB電橋中會(huì)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)形式難以達(dá)到體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等要求，這將不利于與其他有源或無(wú)源電路的連接或集成。針對(duì)這一問(wèn)題,本文提出了一種新型結(jié)構(gòu)的3 dB電橋設(shè)計(jì)方案，這種電橋比一般的電橋帶寬更寬，可達(dá)到2～5個(gè)倍頻程，而且體積小，可以承受較大的功率容量[2]。

1 正交電橋原理分析與設(shè)計(jì)

正交電橋是一種分路元件,屬于四端口網(wǎng)絡(luò),在電路中起著功率分配及改變信號(hào)相位的作用，通常由一個(gè)單獨(dú)的耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)電橋的功能。在分析耦合傳輸線時(shí)主要采用的是奇偶模法，由于線間同時(shí)存在電耦合和磁耦合，可以分別研究奇模線和偶模線的特性，然后疊加便可以得到耦合線特性。這樣可以將耦合線四端口網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化成二端口網(wǎng)絡(luò)[3]。

圖1 耦合線正交電橋結(jié)構(gòu)

對(duì)于3 dB這樣強(qiáng)耦合的耦合器，必須用適于強(qiáng)耦合的耦合傳輸線結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而采用同面的耦合帶狀線結(jié)構(gòu)不適于寬帶3 dB耦合器的設(shè)計(jì)；在耦合度較強(qiáng)時(shí)，微帶線無(wú)法承受較大的功率。因此本文介紹的3 dB耦合器采用上下空間上下耦合的帶狀線結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)由于在縱向空間上有重合，通過(guò)控制上下2層耦合傳輸線的間距，易于實(shí)現(xiàn)3 dB的強(qiáng)耦合[4-5]。

2 正交電橋仿真優(yōu)化及功率設(shè)計(jì)

2.1 正交電橋仿真優(yōu)化

圖2 高功率正交電橋模型(上/下電路)

圖3 駐波仿真曲線

圖4 插入損耗曲線

圖5 相位差曲線

仿真過(guò)程研究了介質(zhì)板厚度對(duì)耦合度的影響。上下底面的厚度越厚耦合度越好，中間層越厚耦合度越小，隔離性越好。產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)為減少體積，在平面上采取了蛇形彎曲、多次折疊，對(duì)相位的影響較大。在設(shè)計(jì)中折疊帶狀線必須遵守以下原則：(1)帶狀線的總疊次數(shù)盡可能少；(2)每根帶狀線的總疊次數(shù)應(yīng)為偶數(shù)；(3)每根線折疊時(shí)必須偶次折疊，且半徑最好為180°；(4)2條帶狀線半徑必須相同。

2.2 正交電橋功率設(shè)計(jì)

由于本文設(shè)計(jì)的正交電橋功率容量大，達(dá)到1 kW，帶線的寬度計(jì)算非常關(guān)鍵，與功率容量直接相關(guān)。大功率正交電橋研制上，因工作頻率高，設(shè)計(jì)時(shí)有嚴(yán)格的體積限制，單位體積介質(zhì)片承受功率高，散熱困難。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析見(jiàn)圖1。

圖6 寬邊耦合帶線電路截圖

由文獻(xiàn)[1]假設(shè)帶狀線上輸入電壓為V，且中心條帶是矩形的，對(duì)地電位為V0，那么由電位差ΔV在條帶邊緣中心引起的最大場(chǎng)強(qiáng)為：

(1)

傳輸線允許的最大功率為：

(2)

式中：ρ為駐波系數(shù)。

由于該正交電橋耦合器耦合線間距離S遠(yuǎn)小于b，因此，該處的功率容量是該種耦合器的峰值功率容量的薄弱環(huán)節(jié)。實(shí)際耦合器設(shè)計(jì)中可以選擇合適的S和b的值,以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合峰值功率容量的要求。在偶模激勵(lì)時(shí)，2個(gè)導(dǎo)帶之間的電場(chǎng)為零；而在奇模激勵(lì)時(shí)，耦合線上的電位不等，兩導(dǎo)體帶之間具有一定的電場(chǎng)強(qiáng)度，同時(shí)正交電橋耦合線對(duì)地的鏡像距離d(見(jiàn)圖6)要遠(yuǎn)小于b。在這種狀況下，最大允許功率為：

(3)

功率容量還受到氣壓、濕度等應(yīng)用環(huán)境條件的影響。由公式(3)，對(duì)于本耦合器，理論上在常壓下能夠承受1 200 W的平均功率。

功率容量的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵技術(shù)。功率容量主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：帶線單位截面積的發(fā)熱量，與通過(guò)的電流容量直接有關(guān)；介質(zhì)層的耐壓能力；介質(zhì)的導(dǎo)熱性能。

(1) 帶線單位截面積通過(guò)的電流計(jì)算

由P=I2R，P=1 000 W，R=50 Ω，得I=6.32 A，寬度和通過(guò)電流經(jīng)驗(yàn)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 帶線銅皮寬度和通過(guò)電流關(guān)系

由表1可得I=6.32 A，銅皮厚度70 μm時(shí)，寬度>2.97，滿足指標(biāo)要求。

(2) 介質(zhì)最薄厚度計(jì)算

由P=U2/R，其中P=1 000 W，R=50 Ω，得U=223 V，由聚四氟乙烯敷銅板表面抗電強(qiáng)度(恒定濕熱)δ≥1.1 kV/mm，可得介質(zhì)板厚度≥0.22 mm時(shí)滿足要求。

(3) 熱(安全)設(shè)計(jì)和溫升設(shè)計(jì)

熱(安全)設(shè)計(jì)和溫升設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)考慮。熱(安全)設(shè)計(jì)應(yīng)保證產(chǎn)品在使用過(guò)程中不會(huì)燒毀，溫升應(yīng)小于40 ℃。

發(fā)熱主要是由插入損耗引起的。由P=1 000 W，插損為0.2 dB，可得熱量損耗45 W。

熱量損耗45 W=45 J/s。由器件體積67.3±0.5 mm×67.3±0.5 mm ×9.14±0.5 mm=4.14×10-5m3,傳熱長(zhǎng)度0.009 m,以器件溫升20 ℃計(jì)算。由聚四氟乙烯敷銅板熱導(dǎo)系數(shù)3.35 kJ/m·h·℃?？傻脗鳠釣?.54 J/s·℃。

又由P=1 000 W,插損為0.2 dB，得熱量損耗45 W=45 J/s。因此可得到器件溫升(平衡時(shí))為29.2 ℃。

建立幾何模型進(jìn)行熱仿真設(shè)計(jì)。電橋工作時(shí)，輸入功率為1 000 W，損耗為-0.2 dB，那么耗損在2個(gè)不同中心導(dǎo)體上的熱量為45 W。電橋采取散熱板的方式進(jìn)行散熱，周?chē)L(fēng)冷，環(huán)境溫度設(shè)置為25 ℃，對(duì)流系數(shù)為40 W/m2·℃。

圖6為高功率電橋三維模型圖，高功率正交電橋熱仿真結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 高功率電橋模型圖

圖8 高功率正交電橋熱仿真中心導(dǎo)體結(jié)果

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)以上設(shè)計(jì)制作器件，見(jiàn)圖9。樣品實(shí)測(cè)性能見(jiàn)圖10～圖14。

圖9 高功率正交電橋熱仿真中心殼體結(jié)果

圖10 高功率正交電橋端口駐波曲線

圖11 高功率正交電橋插損曲線

圖12 高功率正交電橋相位曲線

圖13 高功率正交電橋隔離度曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用帶線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種寬帶高功率正交電橋；進(jìn)行了一種正交電橋原理分析與設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行了仿真優(yōu)化，將優(yōu)化的高功率正交電橋應(yīng)用于超短波頻段。實(shí)際的設(shè)計(jì)結(jié)果在100～250 MHz頻帶內(nèi)插入損耗小于0.3 dB，電壓駐波比小于1.25，平均功率為1 kW。本文還對(duì)該種正交電橋的峰值功率容量進(jìn)行了分析，為此類超短波頻段器件高功率拓展應(yīng)用、合理確定參數(shù)等提供了一定的參考價(jià)值。

圖14 高功率正交電橋平坦度曲線