大功率帶狀線三分支電橋設(shè)計(jì)

李寧

（西安電子工程研究所，陜西 西安710100）

1 概述

3dB 電橋是一種特殊的耦合器，有兩個(gè)輸出端，其耦合輸出和直通輸出信號(hào)相等，為輸入端信號(hào)一半，即3dB。兩端口存在90°相位差，故又稱3dB 正交耦合器。3dB 電橋可用于微波電調(diào)衰減器、平衡混頻器、檢波器及調(diào)制器等微波元件的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)中，也可以作為功分器使用。本文中電橋的設(shè)計(jì)指標(biāo)：通帶1.2～1.45GHz，功分比為1：1，通帶內(nèi)三個(gè)端口的駐波比要求1.2 以下，通帶內(nèi)直通口和耦合口隔離度要求25dB 以上，通帶內(nèi)直通口和耦合口插損要求在3.4dB 以下，通帶內(nèi)直通口和耦合口相位差要求90°±3°。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 電路結(jié)構(gòu)選擇

電橋、傳輸線變壓器、Wilkinson 功率合成器都可以實(shí)現(xiàn)功率合成[1]。電橋依據(jù)結(jié)構(gòu)上的區(qū)別有分支線電橋、環(huán)形電橋等[2]。盡管兩分支電橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便，但由于單頻點(diǎn)四分之一波長(zhǎng)分支線的原因，兩分支電橋帶寬一般很窄，很難滿足頻帶指標(biāo)。環(huán)形電橋雖然比兩分支電橋有較優(yōu)的頻帶特性但其缺點(diǎn)是兩個(gè)平分臂不靠在一起，而被隔離臂所分開，具體應(yīng)用中，兩個(gè)臂都要接上微波固體器件，往往需要把兩臂連接一起來得到平衡輸出，或者加一個(gè)公用偏壓源。此時(shí)用環(huán)形電橋，結(jié)構(gòu)上就比較困難?？朔陨先秉c(diǎn)的一個(gè)方法是使用多分支線電橋，理論分析表明，即使增加的節(jié)數(shù)不多，電橋的各指標(biāo)也可有較大的改善，工作頻段有較大的展寬。另外考慮到分支越多電路所占的面積越大，同時(shí)也加大了設(shè)計(jì)和加工的難度，本文選擇三分支電橋作為實(shí)現(xiàn)方式。

2.2 三分支電橋簡(jiǎn)述

三分支電橋通過平行傳輸線中間的三根分支線進(jìn)行能量耦合。分支線的線長(zhǎng)為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的四分之一，分支線的間隔也為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的四分之一。結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示。假設(shè)能量從1 口進(jìn)入，2 口會(huì)有直通能量輸出，3 口會(huì)有耦合能量輸出，4 口在理想狀態(tài)下為隔離態(tài)，沒有能量輸出。若2、3 口輸出功率都是1 口輸入功率的二分之一，則為3dB 電橋。

2.3 理論分析

按照奇偶模法對(duì)三分支電橋進(jìn)行分析，把三分支電橋分成五各單元，級(jí)聯(lián)5 個(gè)單元的矩陣，得出電橋總的奇、偶模矩陣，通過理想的方向性條件、耦合度條件，可以計(jì)算出各分支線導(dǎo)納應(yīng)滿足的條件，當(dāng)外部分支線的導(dǎo)納比內(nèi)部較小時(shí)，可以有效拓展帶寬如圖1。

圖1 三分支電橋

3 電路設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化

運(yùn)用ADS 軟件提供的S_Params 控件[3]對(duì)三分支電橋的散射參量進(jìn)行優(yōu)化仿真。同時(shí)考慮到電橋在低頻段尺寸大的問題，在電橋原理圖設(shè)計(jì)階段，將部分分支線進(jìn)行彎折設(shè)計(jì)，在不影響性能的前提下，減小三分支電橋的版圖面積。為方便三分支電橋在實(shí)際中的運(yùn)用，將2、3 端口間距拉大，方便實(shí)際運(yùn)用中連接其他射頻器件。電橋原理圖如圖2 所示。

圖2 三分支電橋原理圖

在S_Params 控件中設(shè)置好微波介質(zhì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及需要優(yōu)化的變量參數(shù)，主要優(yōu)化變量為三分支線的寬度與長(zhǎng)度參數(shù)。經(jīng)多次迭代，得到滿足要求的參數(shù)變量。主要變量值見表1，仿真結(jié)果見圖3～圖5。

表1 主要優(yōu)化參數(shù)

圖3 2、3 端口插入損耗（dB）

圖4 1、2、3 端口回波損耗（dB）

圖5 2、3 端口隔離度（dB）

4 PCB 版圖

根據(jù)ADS 自帶的layout 控件得到初步PCB 版圖，運(yùn)用protel 對(duì)各分支進(jìn)行精準(zhǔn)刻畫，同時(shí)為壓縮實(shí)物的大小，對(duì)帶狀線進(jìn)行彎折設(shè)計(jì)，帶狀線周圍通過大面積地孔減少外界干擾。繪制的印制板如圖6 所示。

圖6 電橋印制板圖

5 實(shí)測(cè)結(jié)果

運(yùn)用相對(duì)介電常數(shù)2.2、厚度60mil 的微波復(fù)合介質(zhì)基片加工三分支電橋?qū)嵨?。使用Agilent 的N5244A 矢網(wǎng)測(cè)試三分支電橋的主要性能指標(biāo)，結(jié)果如圖7～圖9。

圖7 2、3 端口插入損耗（dB）

圖8 1、2、3 端口駐波

圖9 2、3 端口隔離度（dB）

實(shí)測(cè)指標(biāo)總結(jié)如下：頻帶覆蓋1.2～1.45GHz，頻帶內(nèi)1、2、3端口的駐波在1.1 以下，2、3 端口的隔離度在27dB 以上，2、3 端口的插入損耗在3.34dB 以下，2、3 端口的相位差在85°～93°，相位差略超指標(biāo)要求。

6 結(jié)論

本文介紹了三分支電橋的理論分析和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程，通過ADS 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化可以使微波電路的設(shè)計(jì)能做到快速滿足性能指標(biāo)。從測(cè)試結(jié)果可以看出各項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)仿真結(jié)果有著較好的吻合，除兩輸出端口相位差略超指標(biāo)要求，其他各項(xiàng)性能指標(biāo)良好。