宽带大功率非平衡式电桥

2021-10-25徐凌

科学技术创新 2021年30期

徐凌

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川成都 610036）

限幅放大器（简称限放）是雷达前端的重要部件，由限幅器和和放大器构成。限幅放大器又可以分为反射式和吸收式两种。当大功率注入时，反射式限放将输入端输入的大部分功率发射回输入端，在大功率状态下驻波会急剧恶化，而吸收式限放将注入的功率吸收，在大功率状态下也能维持良好的驻波特性。吸收式限放是通过平衡式结构实现的，通过采用90 度电桥，使两路限放的反射信号在输入端抵消，在隔离端合成并被吸收负载吸收。随着现代电子系统的快速发展，限幅放大器的噪声系数越来越低，限幅功率越来越高，这就90 度电桥的插入损耗越来越低，耐功率越来越高。当前P 波段常用大功率电桥的功率容量已高达500W 以上。

90 度电桥是一种常用的微波器件，微波功率经输入端输入后，形成幅度相等，相位相差90°的两路信号，分别由直通端和耦合端输出。90 度电桥可由耦合传输线实现，如图1 所示，采用奇偶模分析法，可得电桥的各项指标如公式1，其中T 为传输系数，C 为耦合度，K 为传输线耦合系数，对90 度电桥，耦合系数为3dB，此时耦合系数为0.68。可见，此时所需要的耦合度是比较大的。

图1 微带耦合线90 度电桥

为了满足大功率要求，一般采用带状线结构实现耦合，剖面图如图2 所示，由四层金属实现，上下两层为地平面，中间两层为耦合传输线。h1 为传输线离地平面高度，h2 为传输线之间的间距，w为传输线宽度。使用时，底层金属一般焊接在腔体上，带状线产生的热量通过介质传输至底层腔体。介质材料的导热系数从1 到十几不等。PCB 材料的导热系数一般在2 以下。LTCC 材料的导热系数较高，可以达到10 左右。

图2 带状线电桥剖面图

一般来说，四层版是由两层介质板和半固化构成，半固化片厚度一般较薄，为了提高中间层厚度，可以适当多加半固化片，但半固化片在加工时会产生一定的形变，造成加工偏差，因此一般采用如图3的层压结构，中间芯板采用固定厚度的板材，整个结构由三层介质板和两层半固化片构成，事实上为6层板。

图3 PCB 层压示意图

对50 欧姆系统，耦合线的耦合系数一定时，奇、偶模的阻抗也确定了。奇模阻抗主要由w、h2 确定，h2 和w成正比。偶模阻抗主要由w、h1 确定，h1 和w 也成正比。为了降低插入损耗，w要尽量宽，但w宽度增加后，h1 也会成比例增加，使器件的热阻增大。由于实际应用中，电桥的顶板是悬置的，只能通过很有限的对流和辐射散热，电桥产生的热量几乎全部通过下层介质传到至地面热沉上来散热。

为了降低h1 高度，本文提出了一种新的耦合带状线结构，剖面图如图4 所示，由三层金属实现，与传统结构相比，去掉了顶层的接地金属。对于偶模，由于少了一半的电容，偶模阻抗得以明显提高，从而可以明显降低h1的高度，降低器件的热阻，提高器件的功率容量。由于器件结构不对称，设计时两层传输线的宽度会不一致，上层传输线的宽度w1 会略宽于下层传输线w2，其理论值推导比较复杂，可由数值仿真软件调试确定。

图4 新型电桥剖面图

表1 为采用RO4350 板材，芯板厚度0.254mm 时，传统结构与新结构的对比，可见在相同的传输线宽度下，新结构的热阻约为传统结构的二分之一，功率容量提高接近1 倍。

表1 新型结构与传统结构的对比

利用本结构设计了一款P 波段大功率电桥，如图5 所示，为了进一步减小尺寸，电桥采用螺旋线设计，其具体指标如表2所示。采用罗杰斯公司RO4350b 基板，电磁仿真采用仿真软件HFSS，对电桥进行了设计，仿真结果如图6 所示，测试结果如图7 所示。本电桥已经应用于一款大功率限幅放大器电路，产品最大耐受功率6000W，脉宽2ms，平均功率500W，经测试电桥完全满足产品需要。本电桥的综合性能处于国内领先水平。与RN2公司的LTCC 大功率电桥的对比如表3，本产品的综合性能已经优于国外产品。