一种宽带高功率正交电桥设计

周平章，汪 寅，刘荣辉，张 超，张峰平，尹久红

(1.中国电子科技集团公司第九研究所，四川 绵阳 621000;2.中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江 嘉兴 314000)

正交电桥是一种3 dB耦合器，是通信系统中常用的无源器件，尤其是在射频、微波电路与系统中应用广泛，例如射频功率的分配与合成，用来作为系统中的加法器和减法器，以及结合其它器件构成反射型移相器等。Ange和Toulios在20世纪60年代分别提出了Lange电桥和带线边缘耦合宽带耦合器的设计，但是这2种宽带耦合器都有各自的缺点，主要是一般的工艺很难满足它的精度要求，导致频带不宽、功率容量有限。近来随着多系统合路平台(POI)市场的不断扩大，对其性能特别是功率容量提出了更高的要求[1]。

虽然带状线电桥具有插入损耗低、方向性好等优点，但是在实现宽带3 dB电桥中会发现结构形式难以达到体积小、结构紧凑等要求，这将不利于与其他有源或无源电路的连接或集成。针对这一问题,本文提出了一种新型结构的3 dB电桥设计方案，这种电桥比一般的电桥带宽更宽，可达到2～5个倍频程，而且体积小，可以承受较大的功率容量[2]。

正交电桥是一种分路元件,属于四端口网络,在电路中起着功率分配及改变信号相位的作用，通常由一个单独的耦合器来实现电桥的功能。在分析耦合传输线时主要采用的是奇偶模法，由于线间同时存在电耦合和磁耦合，可以分别研究奇模线和偶模线的特性，然后叠加便可以得到耦合线特性。这样可以将耦合线四端口网络简化成二端口网络[3]。

图1 耦合线正交电桥结构

对于3 dB这样强耦合的耦合器，必须用适于强耦合的耦合传输线结构来实现，而采用同面的耦合带状线结构不适于宽带3 dB耦合器的设计；
在耦合度较强时，微带线无法承受较大的功率。因此本文介绍的3 dB耦合器采用上下空间上下耦合的带状线结构，这样的结构由于在纵向空间上有重合，通过控制上下2层耦合传输线的间距，易于实现3 dB的强耦合[4-5]。

2.1 正交电桥仿真优化

图2 高功率正交电桥模型(上/下电路)

图3 驻波仿真曲线

图4 插入损耗曲线

图5 相位差曲线

仿真过程研究了介质板厚度对耦合度的影响。上下底面的厚度越厚耦合度越好，中间层越厚耦合度越小，隔离性越好。产品在设计时为减少体积，在平面上采取了蛇形弯曲、多次折叠，对相位的影响较大。在设计中折叠带状线必须遵守以下原则：(1)带状线的总叠次数尽可能少；
(2)每根带状线的总叠次数应为偶数；
(3)每根线折叠时必须偶次折叠，且半径最好为180°；
(4)2条带状线半径必须相同。

2.2 正交电桥功率设计

由于本文设计的正交电桥功率容量大，达到1 kW，带线的宽度计算非常关键，与功率容量直接相关。大功率正交电桥研制上，因工作频率高，设计时有严格的体积限制，单位体积介质片承受功率高，散热困难。产品结构分析见图1。

图6 宽边耦合带线电路截图

由文献[1]假设带状线上输入电压为V，且中心条带是矩形的，对地电位为V0，那么由电位差ΔV在条带边缘中心引起的最大场强为：

(1)

传输线允许的最大功率为：

(2)

式中：ρ为驻波系数。

由于该正交电桥耦合器耦合线间距离S远小于b，因此，该处的功率容量是该种耦合器的峰值功率容量的薄弱环节。实际耦合器设计中可以选择合适的S和b的值,以满足不同应用场合峰值功率容量的要求。在偶模激励时，2个导带之间的电场为零；
而在奇模激励时，耦合线上的电位不等，两导体带之间具有一定的电场强度，同时正交电桥耦合线对地的镜像距离d(见图6)要远小于b。在这种状况下，最大允许功率为：

(3)

功率容量还受到气压、湿度等应用环境条件的影响。由公式(3)，对于本耦合器，理论上在常压下能够承受1 200 W的平均功率。

功率容量的设计是关键技术。功率容量主要体现在3个方面：带线单位截面积的发热量，与通过的电流容量直接有关；
介质层的耐压能力；
介质的导热性能。

(1) 带线单位截面积通过的电流计算

由P=I2R，P=1 000 W，R=50 Ω，得I=6.32 A，宽度和通过电流经验关系见表1。

表1 带线铜皮宽度和通过电流关系

由表1可得I=6.32 A，铜皮厚度70 μm时，宽度>2.97，满足指标要求。

(2) 介质最薄厚度计算

由P=U2/R，其中P=1 000 W，R=50 Ω，得U=223 V，由聚四氟乙烯敷铜板表面抗电强度(恒定湿热)δ≥1.1 kV/mm，可得介质板厚度≥0.22 mm时满足要求。

(3) 热(安全)设计和温升设计

热(安全)设计和温升设计应同时考虑。热(安全)设计应保证产品在使用过程中不会烧毁，温升应小于40 ℃。

发热主要是由插入损耗引起的。由P=1 000 W，插损为0.2 dB，可得热量损耗45 W。

热量损耗45 W=45 J/s。由器件体积67.3±0.5 mm×67.3±0.5 mm ×9.14±0.5 mm=4.14×10-5m3,传热长度0.009 m,以器件温升20 ℃计算。由聚四氟乙烯敷铜板热导系数3.35 kJ/m·h·℃。可得传热为1.54 J/s·℃。

又由P=1 000 W,插损为0.2 dB，得热量损耗45 W=45 J/s。因此可得到器件温升(平衡时)为29.2 ℃。

建立几何模型进行热仿真设计。电桥工作时，输入功率为1 000 W，损耗为-0.2 dB，那么耗损在2个不同中心导体上的热量为45 W。电桥采取散热板的方式进行散热，周围风冷，环境温度设置为25 ℃，对流系数为40 W/m2·℃。

图6为高功率电桥三维模型图，高功率正交电桥热仿真结果见图7、图8。

图7 高功率电桥模型图

图8 高功率正交电桥热仿真中心导体结果

2.3 实验结果分析

根据以上设计制作器件，见图9。样品实测性能见图10～图14。

图9 高功率正交电桥热仿真中心壳体结果

图10 高功率正交电桥端口驻波曲线

图11 高功率正交电桥插损曲线

图12 高功率正交电桥相位曲线

图13 高功率正交电桥隔离度曲线

本文采用带线结构设计了一种宽带高功率正交电桥；
进行了一种正交电桥原理分析与设计，并对其进行了仿真优化，将优化的高功率正交电桥应用于超短波频段。实际的设计结果在100～250 MHz频带内插入损耗小于0.3 dB，电压驻波比小于1.25，平均功率为1 kW。本文还对该种正交电桥的峰值功率容量进行了分析，为此类超短波频段器件高功率拓展应用、合理确定参数等提供了一定的参考价值。

图14 高功率正交电桥平坦度曲线