一种混合阶级联宽带大功率电桥

摘要

一种混合阶级联宽带大功率电桥，包括：第二介质基板，其与第一介质基板之间设有第二金属层，第二金属层具有第一金属镂空区域；第三介质基板，压合于第二介质基板下方，其顶面设有自右端向左端延伸的第一传输线和第三传输线,第一传输线左端和第三传输线左端相连；第三介质基板底面设有自左端向右端延伸的第二传输线和第四传输线；第一传输线和第二传输线中部的投影位于第一金属镂空区域内；第四介质基板压合于第三介质基板下方；第五介质基板压，其与第四介质基板之间设有第三金属层，第三金属层具有第二金属镂空区域。采用不同耦合度的多阶电桥与一阶电桥进行级联，能在保证在现有的材料的情况下，更容易加工出宽带电桥。

说明书

技术领域

本申请涉及射频微波电路中电桥技术，尤其涉及一种混合阶级联宽带大功率电桥。

背景技术

电桥作为无源器件常应用于现代射频微波领域的相控阵雷达以及其他通信系统中，扮演着十分重要的角色，其作用为功率分配或者功率合成，并且其耦合端和输出端信号等幅且相位相差90°，可广泛应用于圆极化天线以及各类平衡放大器和混频器中，如何实现电桥的小型化、大功率、超宽带一直是研究的重点方向。

带状线方式作为一种传输线结构，被广泛应用于各类器件的设计中，由于其传输导线处于均匀介质的状态，相较于普通微带传输线处于非均匀介质传输，用于设计一些电桥耦合器类的器件，能达到更优异的性能指标。采用带状线进行设计制作的电桥，可耐受功率大、体积小、易加工、成本低，是目前比较主流的一种实现方式，其工作原理是具有一定功率的信号由一端输入，通过耦合实现主路的功率分离到耦合端，耦合端相位与直通端相差90°，其中耦合线的尺寸可通过奇偶模阻抗的计算得到。

为了实现较宽的宽带往往会采用多阶耦合线进行设计，在公开号为CN 214477844U的专利中采用多阶耦合线进行设计宽带电桥，但由于介质基板介电常数或者厚度的种类有限，有时实际设计的奇偶模阻抗通过纯多阶电桥电路难以实现3dB的耦合度，因此单纯使用多阶电路进行设计有一定局限性。而在公开号为CN 107528112 A的专利中采用了两个结构特征完全一样的电桥进行级联，这样虽然可以通过两个8.34dB的多阶电路进行级联达到3dB的耦合效果，但是由于是使用两个同样的多阶电桥进行级联，因此他们的奇偶模阻抗是完全一样的，不能对其奇偶模阻抗进行修改，并且相同的多阶进行级联使体积增大了一倍，不利于小型化。

发明内容

为了解决上述现有技术缺陷，本申请提供一种混合阶级联宽带大功率电桥，采用不同耦合度的多阶电桥与一阶电桥进行级联，可以减小多阶电桥中最强一阶的耦合度，让与多阶电桥级联的一阶电桥进行耦合补偿，能在保证在现有的材料的情况下，更容易加工出宽带电桥，并在产品外部设计可焊端口实现表贴功能。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术：

一种混合阶级联宽带大功率电桥，包括：

第一介质基板；

第二介质基板，通过第一PP片压合于第一介质基板下方，与第一介质基板之间设有第二金属层，第二金属层中部具有第一金属镂空区域；

第三介质基板，通过第二PP片压合于第二介质基板下方，其顶面设有自右端向左端延伸的第一传输线和第三传输线,第一传输线左端和第三传输线左端相连；第三介质基板底面设有自左端向右端延伸的第二传输线和第四传输线，第二传输线对应第一传输线设置，第四传输线对应第三传输线设置，第二传输线右端和第四传输线右端相连；第一传输线和第二传输线中部的投影位于第一金属镂空区域内；顶面右端一侧顶角处设有与第一传输线右端连接第一激励端口、右端另一侧顶角处设有与第三传输线右端连接激励第四端口；底面左端一侧顶角处设有与第二传输线左端连接且与第一激励端口处于同一侧的第二激励端口、左端另一侧顶角处设有与第四传输线左端连接且与第四激励端口处于同一侧的第三激励端口；

第四介质基板，通过第三PP片压合于第三介质基板下方；

第五介质基板，通过第四PP片压合于第四介质基板下方，与第四介质基板之间设有第三金属层，第三金属层中部具有与第一金属镂空区域匹配对应的第二金属镂空区域。

进一步，第一传输线和第二传输线构成有第一耦合单元、第二耦合单元、第三耦合单元，第二耦合单元位于第一金属镂空区域的投影区域内，第一耦合单元位于第二耦合单元左侧，第三耦合单元位于第二耦合单元右侧，第三传输线和第四传输线构成有第四耦合单元；其中，第一耦合单元、第二耦合单元、第三耦合单元构成对称的三阶耦合电桥，第四耦合单元构成一阶电桥。

进一步，第一传输线和第二传输线中属于第一耦合单元的部段的投影重合；第一传输线和第二传输线中属于第二耦合单元和第三耦合单元的部段的投影呈相邻间隔布置；第三传输线和第四传输线中属于第四耦合单元的部段的投影呈相邻间隔布置。

进一步，第一传输线和第二传输线中属于第一耦合单元、第二耦合单元、第三耦合单元的部段，均呈U型，并凸向第一激励端口和第二激励端口所在一侧。

进一步，在第一耦合单元中，第一传输线的U型位于第二传输线的U型内；在第三耦合单元中，第二传输线的U型位于第一传输线的U型内。

进一步，第三传输线和第四传输线中属于第四耦合单元的部段均呈直线状，第三传输线位于第四传输线的内侧。

进一步，第一传输线上设有第一电容补偿枝节和第三电容补偿枝节，第二传输线上设有第二电容补偿枝节和第四电容补偿枝节，第一电容补偿枝节和第二电容补偿枝节的投影位于第一金属镂空区域的左侧边缘处，第三电容补偿枝节和第四电容补偿枝节的投影位于第一金属镂空区域的右侧边缘处，第一电容补偿枝节与第三电容补偿枝节对称设置，第二电容补偿枝节与第四电容补偿枝节对称设置。

进一步，第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、第四介质基板、第五介质基板的四个顶角处均设有金属化导通孔，第一激励端口、第二激励端口、第三激励端口、第四激励端口分别与对应的金属化导通孔连接导通。

进一步，第一介质基板顶面具有第一金属层，第五介质基板底面具有第四金属层。

本发明有益效果在于：

1、现有技术的多阶带状线电桥设计会受到介质基板厚度的限制，即使计算出奇偶模阻抗，但是由于介质板材的厚度不够厚，从而无法实现耦合最强一阶的奇偶模阻抗的匹配，此时调节多阶电桥中的其他阶的奇偶模阻抗并无太大作用；而本发明采用混合阶级联则可以减小多阶电桥中最强一阶的耦合度，让与多阶电桥级联的一阶电桥进行耦合补偿，则可以利用现有介质基板厚度达到指标从而解决介质板材厚度不够的问题；

2、本发明多阶电桥与其级联的一阶电桥之间的奇偶模阻抗搭配可多样化，当多阶电桥的奇偶模阻抗改变导致耦合度变小时，可对应改变与其级联的一阶电桥的奇偶模阻抗调大耦合度进行补偿，反之多阶电桥的奇偶模阻抗改变导致耦合度变大时，可对应改变与其级联的一阶电桥的奇偶模阻抗调小耦合度进行补偿；

3、本发明采用混合阶级联的方式，可减小多阶电桥中最强一阶的耦合度，意味着可以减小所需介质基板的厚度，从而减小整个产品高度。

附图说明

图1是本申请实施例的混合阶级联宽带大功率电桥立体外观图；

图2是本申请实施例的混合阶级联宽带大功率电桥俯视透视图；

图3是本申请实施例的混合阶级联宽带大功率电桥立体爆炸视图；

图4是本申请实施例的第一介质基板上表面图形；

图5是本申请实施例的第一介质基板和第二介质基板之间的图形；

图6是本申请实施例的第三介质基板立体透视图；

图7是本申请实施例的第三介质基板上表面俯视图形；

图8是本申请实施例的第三介质基板下表面仰视图形；

图9是本申请实施例的第四介质基板和第五介质基板之间的图形；

图10是本申请实施例的第五介质基板下表面图形；

图11是本申请实施例的混合阶级联宽带大功率电桥S31和S41直通和耦合曲线；

图12是本申请实施例的混合阶级联宽带大功率电桥S11、S22、S33、S44回波损耗曲线；

图13是本申请实施例的混合阶级联宽带大功率电桥S21隔离度曲线；

图14是本申请实施例的混合阶级联宽带大功率电桥S31与S41各自的相位曲线以及S31与S41的相位差曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明，但本发明所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本申请实施例提供一种混合阶级联宽带大功率电桥，采用三阶加一阶电桥混合级联设计，采用5层介质基板，介质基板间采用PP片进行压合，两根传输电路分别在中间介质层上下表面刻蚀，耦合部分电路采用宽边耦合和偏置耦合设计，其余层介质在适当位置刻蚀图形与地连接，信号可从任意一路端口输入，对应其他三个端口则为直通端、耦合端、隔离端。

本实例设计一款0.35GHz~2GHz的3dB 90°电桥，约5.7个倍频程，具体的，如图1~图3所示，本实例的混合阶级联宽带大功率电桥，包括自上而下依次设置的第一介质基板J1、第二介质基板J3、第三介质基板J5、第四介质基板J7、第五介质基板J9。第一介质基板J1与第二介质基板J3之间通过第一PP片J2压合，第二介质基板J3与第三介质基板J5之间通过第二PP片J4压合，第三介质基板J5与第四介质基板J7之间通过第三PP片J6压合，第四介质基板J7与第五介质基板J9之间通过第四PP片J8压合。产品的封装常采用表贴封装。

如图3、图5、图9所示，第二介质基板J3的顶面或第一介质基板J1的底面具有第二金属层C2，第四介质基板J7的底面或第五介质基板J9的顶面具有第三金属层C3。

如图2、图6~图8所示，第三介质基板J5的顶面设有从右端向左端延伸的第一传输线L1和第三传输线L3，顶面右端一侧顶角处设有与第一传输线L1右端连接第一端口P1、右端另一侧顶角处设有与第三传输线L3右端连接第四端口P4,第一传输线L1的左端和第三传输线L3的左端连接；第三介质基板J5底面设有从左端向右端延伸的第二传输线L2和第四传输线L4，第二传输线L2对应于第一传输线L1设置，第四传输线L4对应于第三传输线L3设置；底面左端一侧顶角处设有与第二传输线L2左端连接且与第一端口P1处于同一侧的第二端口P2、左端另一侧顶角处设有与第四传输线L4左端连接且与第四端口P4处于同一侧的第三端口P3，第二传输线L2的右端和第四传输线L4的右端连接。

如图2所示，第一传输线L1和第二传输线L2构成有第一耦合单元LC1、第二耦合单元LC2、第三耦合单元LC3，第一耦合单元LC1位于第二耦合单元LC2左侧，第三耦合单元LC3位于第二耦合单元LC2右侧，对称设置。第三传输线L3和第四传输线L4构成有第四耦合单元LC4。其中，第一耦合单元LC1、第二耦合单元LC2、第三耦合单元LC3构成对称的三阶耦合电桥，第四耦合单元LC4构成一阶电桥，之间可通过不同耦合度的搭配来实现同一个耦合指标。

如图2、图6所示，第一传输线L1和第二传输线L2中属于第一耦合单元LC1的部段的投影重合；第一传输线L1和第二传输线L2中属于第二耦合单元LC2和第三耦合单元LC3的部段的投影呈相邻间隔布置；第三传输线L3和第四传输线L4中属于第四耦合单元LC4的部段的投影呈相邻间隔布置。

如图1~图2、图4~图5、图7~图10所示，第一介质基板J1、第二介质基板J3、第三介质基板J5、第四介质基板J7、第五介质基板J9的四个顶角处均设有金属化导通孔，第一激励端口P1、第二激励端口P2、第三激励端口P3、第四激励端口P4分别与对应的金属化导通孔连接导通，可以保证接地良好以及信号的传输。

由于中间的一阶耦合最强，需要刻蚀掉上下相近一层的局部地以增大耦合量，具体的，如图2~3、图5、图9所示，第二金属层C2中部具有第一金属镂空区域B1，具体是矩形区域，该区域的一边与第二金属层C2一侧边共边，第一传输线L1和第二传输线L2中部的投影位于第一金属镂空区域B1内，具体是，第二耦合单元LC2位于第一金属镂空区域B1的投影区域内；第三金属层C3中部具有与第一金属镂空区域B1匹配对应的第二金属镂空区域B2。

作为更加具体方案之一，如图2、图6~图8所示，第一传输线L1和第二传输线L2中属于第一耦合单元LC1、第二耦合单元LC2、第三耦合单元LC3的部段，均呈U型，并凸向第一激励端口P1和第二激励端口P2所在一侧。在第一耦合单元LC1中，第一传输线L1的U型位于第二传输线L2的U型内；在第三耦合单元LC3中，第二传输线L2的U型位于第一传输线L1的U型内。第三传输线L3和第四传输线L4中属于第四耦合单元LC4的部段均呈直线状，第三传输线L3位于第四传输线L4的内侧。通过走线形态及位置布局，不仅实现了预定长度的传输线在有限空间的布局，对小体积空间进行充分利用，也便于一阶电桥与三阶电桥级联。根据实际走线及布线或尺寸设置需求，第一传输线L1和第二传输线L2也可以设置为其他的形状，根据级联需求，在第三传输线L3和第四传输线L4较长时也可以进行弯曲设置。

本发明实施例中所使用的第一耦合单元LC1、第二耦合单元LC2、第三耦合单元LC3构成的三阶电桥的奇偶模阻抗分别是ZO1=ZO3=38Ohm；ZE1=ZE3=65.79Ohm；ZO2=18.23Ohm；ZE2=137.14Ohm；LC4构成的一阶电桥的奇偶模阻抗为ZO4=38.39Ohm；ZE4=65.11Ohm；由于使用的混合阶进行设计，所以能实施的三阶与一阶的奇偶模组合方式相较于单纯的多阶电桥的单一性有多种可能，下面再任意列举两种具有可行的混合阶奇偶模阻抗搭配情况：

（1）ZO1=ZO3=37.87Ohm；ZE1=ZE3=66Ohm；ZO2=23.56Ohm；ZE2=106.1Ohm；ZO4=29.9Ohm；ZE4=83.6Ohm；

（2）ZO1=ZO3=36.98Ohm；ZE1=ZE3=67.6Ohm；ZO2=16.54Ohm；ZE2=151.1Ohm；ZO4=40.58Ohm；ZE4=61.6Ohm；

由于第一耦合单元LC1与第二耦合单元LC2、第三耦合单元LC3与第二耦合单元LC2之间地的突变，在突变处会造成耦合线阻抗的突变，会恶化驻波以及隔离度，因此，需要在突变处添加电容枝节以作补偿调节驻波以及隔离度。优选的，第一传输线L1上设有第一电容补偿枝节G1和第三电容补偿枝节G3，第二传输线L2上设有第二电容补偿枝节G2和第四电容补偿枝节G4，第一电容补偿枝节G1和第二电容补偿枝节G2的投影位于第一金属镂空区域B1的左侧边缘处，第三电容补偿枝节G3和第四电容补偿枝节G4的投影位于第一金属镂空区域B1的右侧边缘处，第一电容补偿枝节G1与第三电容补偿枝节G3对称设置，第二电容补偿枝节G2与第四电容补偿枝节G4对称设置。由于电路的不连续性，在耦合线不同阶位置处阻抗产生突变，会使驻波和隔离度恶化，因此，通过优选方案在耦合线连接处间适当添加电容补偿枝节，从而达到改善驻波以及隔离度的作用。

优选的，第一介质基板J1顶面具有第一金属层C1，第五介质基板J9底面具有第四金属层C4。通过使产品顶面处端口区域外大面积增加金属接地以增加散热，耐受连续波功率可达200W。

如图11所示，为本本实例所述电桥仿真直通端和耦合端曲线；如图12所示，为本本实例所述电桥四个端口回波损耗曲线，都在-20dB以下；如图13所示，为本本实例所述电桥隔离度曲线，小于-20dB；如图14所示，为本实例所示电桥耦合端和直通端各自的相位曲线以及之间的相位差为90°的曲线，根据以上所得的电参数性能满足各项技术指标的要求。

本本实例设计出的宽带电桥结构紧凑，电参数指标良好，在满足指标和体积的情况下可进行混合阶之间奇偶模阻抗的多样搭配，能耐受200W连续波功率，封装大面积接地，散热性能良好。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。