一種寬帶高功率正交電橋設計

周平章，汪 寅，劉榮輝，張 超，張峰平，尹久紅

(1.中國電子科技集團公司第九研究所，四川 綿陽 621000;2.中國電子科技集團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，是通信系統中常用的無源器件，尤其是在射頻、微波電路與系統中應用廣泛，例如射頻功率的分配與合成，用來作為系統中的加法器和減法器，以及結合其它器件構成反射型移相器等。Ange和Toulios在20世紀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計，但是這2種寬帶耦合器都有各自的缺點，主要是一般的工藝很難滿足它的精度要求，導致頻帶不寬、功率容量有限。近來隨著多系統合路平臺(POI)市場的不斷擴大，對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、方向性好等優點，但是在實現寬帶3 dB電橋中會發現結構形式難以達到體積小、結構緊湊等要求，這將不利于與其他有源或無源電路的連接或集成。針對這一問題,本文提出了一種新型結構的3 dB電橋設計方案，這種電橋比一般的電橋帶寬更寬，可達到2～5個倍頻程，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計

正交電橋是一種分路元件,屬于四端口網絡,在電路中起著功率分配及改變信號相位的作用，通常由一個單獨的耦合器來實現電橋的功能。在分析耦合傳輸線時主要采用的是奇偶模法，由于線間同時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絡簡化成二端口網絡[3]。

圖1 耦合線正交電橋結構

對于3 dB這樣強耦合的耦合器，必須用適于強耦合的耦合傳輸線結構來實現，而采用同面的耦合帶狀線結構不適于寬帶3 dB耦合器的設計；在耦合度較強時，微帶線無法承受較大的功率。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構，這樣的結構由于在縱向空間上有重合，通過控制上下2層耦合傳輸線的間距，易于實現3 dB的強耦合[4-5]。

2 正交電橋仿真優化及功率設計

2.1 正交電橋仿真優化

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

仿真過程研究了介質板厚度對耦合度的影響。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。產品在設計時為減少體積，在平面上采取了蛇形彎曲、多次折疊，對相位的影響較大。在設計中折疊帶狀線必須遵守以下原則：(1)帶狀線的總疊次數盡可能少；(2)每根帶狀線的總疊次數應為偶數；(3)每根線折疊時必須偶次折疊，且半徑最好為180°；(4)2條帶狀線半徑必須相同。

2.2 正交電橋功率設計

由于本文設計的正交電橋功率容量大，達到1 kW，帶線的寬度計算非常關鍵，與功率容量直接相關。大功率正交電橋研制上，因工作頻率高，設計時有嚴格的體積限制，單位體積介質片承受功率高，散熱困難。產品結構分析見圖1。

圖6 寬邊耦合帶線電路截圖

由文獻[1]假設帶狀線上輸入電壓為V，且中心條帶是矩形的，對地電位為V0，那么由電位差ΔV在條帶邊緣中心引起的最大場強為：

(1)

傳輸線允許的最大功率為：

(2)

式中：ρ為駐波系數。

由于該正交電橋耦合器耦合線間距離S遠小于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節。實際耦合器設計中可以選擇合適的S和b的值,以滿足不同應用場合峰值功率容量的要求。在偶模激勵時，2個導帶之間的電場為零；而在奇模激勵時，耦合線上的電位不等，兩導體帶之間具有一定的電場強度，同時正交電橋耦合線對地的鏡像距離d(見圖6)要遠小于b。在這種狀況下，最大允許功率為：

(3)

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

功率容量的設計是關鍵技術。功率容量主要體現在3個方面：帶線單位截面積的發熱量，與通過的電流容量直接有關；介質層的耐壓能力；介質的導熱性能。

(1) 帶線單位截面積通過的電流計算

由P=I2R，P=1 000 W，R=50 Ω，得I=6.32 A，寬度和通過電流經驗關系見表1。

表1 帶線銅皮寬度和通過電流關系

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

(2) 介質最薄厚度計算

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度(恒定濕熱)δ≥1.1 kV/mm，可得介質板厚度≥0.22 mm時滿足要求。

(3) 熱(安全)設計和溫升設計

熱(安全)設計和溫升設計應同時考慮。熱(安全)設計應保證產品在使用過程中不會燒毀，溫升應小于40 ℃。

發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,傳熱長度0.009 m,以器件溫升20 ℃計算。由聚四氟乙烯敷銅板熱導系數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)為29.2 ℃。

建立幾何模型進行熱仿真設計。電橋工作時，輸入功率為1 000 W，損耗為-0.2 dB，那么耗損在2個不同中心導體上的熱量為45 W。電橋采取散熱板的方式進行散熱，周圍風冷，環境溫度設置為25 ℃，對流系數為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果見圖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體結果

2.3 實驗結果分析

根據以上設計制作器件，見圖9。樣品實測性能見圖10～圖14。

圖9 高功率正交電橋熱仿真中心殼體結果

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 結束語

本文采用帶線結構設計了一種寬帶高功率正交電橋；進行了一種正交電橋原理分析與設計，并對其進行了仿真優化，將優化的高功率正交電橋應用于超短波頻段。實際的設計結果在100～250 MHz頻帶內插入損耗小于0.3 dB，電壓駐波比小于1.25，平均功率為1 kW。本文還對該種正交電橋的峰值功率容量進行了分析，為此類超短波頻段器件高功率拓展應用、合理確定參數等提供了一定的參考價值。

圖14 高功率正交電橋平坦度曲線