新型大功率小型化陶瓷宽边耦合3dB电桥设计

中国电子科技集团公司第十三研究所 黄 科 孔令甲

1.引言

大功率3dB电桥是平衡式限幅低噪声放大器（限放）模块的重要组成单元，直接决定限放体积和可靠性。平衡式限放优点很多[1]，电路拓扑如图1所示。平衡式限放应用需求较多，迫切需要实现限放模块的小型化、高功率可靠性，并满足水汽含量、PIND试验要求[2]。

图1 平衡式限放电路拓扑框图

表1对比了多种常用3dB电桥的优缺点：

表1 多种常用3dB电桥

传统设计中使用陶瓷lange耦合器，耦合线间距近，线宽窄，难以承受大功率；而PCB基板的多层宽边耦合3dB电桥[3]，其介质热导率低，信号孔过大功率时发热严重，难以承受大功率，体积大，水汽含量高，严重制约了限放模块向小型化，高可靠方向发展，而LTCC工艺的电桥工艺周期长，多品种小批量研制时的成本过高，精度稍低，不适应当前限放模块的研发生产要求。因此实现一种小型化、大功率、低插损、低水汽含量的3dB电桥已经迫在眉睫。

本文针对限放小型化，大功率，低插损的3dB电桥需求，基于薄膜光刻工艺，设计制作了一款陶瓷螺旋形宽边耦合3dB电桥，可承受脉冲功率达2000W，占空比15%。本文提出的3dB电桥设计方案，重点研究对比了本设计相比PCB基板多层3dB电桥的优势，为3dB电桥的设计提供了新的思路。同时，由于该结构具有小型化，低插损，大功率，低水汽含量等优点，也为平衡式限放的小型化，大功率，低水汽含量的发展趋势打下基础，在雷达接收机中有着广阔的应用前景。

2.电路设计

2.1 宽边耦合电桥的设计原理

宽边耦合电桥具有插损小、耐功率高、带宽宽等优点，常被用于设计大功率3dB电桥，其耦合带线结构模型见图2（a）所示，可等效为平行耦合线模型[4]，如图2（b）所示；

图2(a)宽边耦合结构

图2(b)双线耦合线模型

3dB电桥耦合线计算常用奇偶模模型分析法，奇偶模特征阻抗满足公式(1)和公式(2)：

其中Ve和Vo分别为偶模奇模传输速度，Ce和Co分别为偶模奇模单位长度电容。

根据传输线理论，耦合系数C可由公式(3)推导得到：

奇模偶模阻抗与端口阻抗关系需满足公式(4)：

根据公式(3)、(4)可以推导出3dB电桥的偶奇模特征阻抗分别为Z0e=120.91，Z0o=20.68，然后根据宽边耦合结构的层介质材料及层厚度进行分析计算，可确定微带线参数。

宽边耦合层间介质厚度和介电常数确定了其耦合带线的特征阻抗。3dB电桥的电长度是工作频率的四分之一波长，因此板材介质的相对介电常数越高，其物理长度越短，越容易实现小型化。但是同时板材介电常数越高，耦合带线的线宽越窄，导致耦合器的导体损耗更大，不利于实现低插损，不利于承受大功率。

2.2 螺旋形宽边耦合电桥的优点

宽边耦合相比窄边耦合更易实现紧耦合、低插损、大功率，因此常用宽边耦合结构进行3dB电桥设计。常用折线形耦合结构进行3dB电桥设计，见图3(a)，折线耦合结构仍然显得体积过大，同时过多的不连续性弯折造成了奇偶模阻抗突变，进而恶化了3dB电桥的耦合度和插损指标，因此急需一种更加小型化的设计满足目前研发要求。为此将采用螺旋形3dB电桥，示意图如图3(b)：

图3(a)折线形3dB电桥

图3(b)螺旋线模型

由于螺旋式结构增强了耦合带线间的磁耦合，提高奇模阻抗[5]，螺旋结构的3dB电桥耦合带线更宽，从而导体损耗更小，可明显减小插损。另外从图3(a)、(b)对比可看出，螺旋形相比折线形布线密度更高，即相同频率相同物理长度的带线，螺旋形电桥可以更好的实现小型化；

2.3 陶瓷螺旋形3dB电桥的设计

由于PCB多层介质的螺旋形3dB电桥介质热导率仅为0.68 W/m/℃，当大功率注入时信号孔积累的热量缺乏有效散热途径，过孔温度急剧升高，图4为1200W 16%脉冲功率注入时的PCB电桥温度，从图中看出，信号孔温度已超250℃，已超过PCB材料安全工作极限，严重影响产品可靠性，因此需要针对超大功率设计出散热更加良好的3dB电桥。

图4 大功率时PCB电桥温度

Al2O3陶瓷具有热导率高，介电常数高，介质损耗小的优点，其热导率高达30 W/m/℃，是PCB板材的40倍，且介电常数高，耦合带线的相同频率的四分之一波长所对应物理尺寸更短，是设计大功率小型化3dB电桥的理想介质选择，而薄膜工艺具有可靠性高，层间对位精度高，导体损耗小的优势；综合考虑以上因素，提出了薄膜工艺螺旋形3dB电桥的设计思路，其物理结构示意图如下：

图5(a)陶瓷3dB电桥结构示意

图5(b)叠层分布图

如图5(b)所示，顶层介质使用较薄的氧化铝陶瓷1，耦合带线设计在其正反两面，进行薄膜工艺双面光刻，耦合图形设计为双面重叠螺旋形，底层耦合支路和隔离端口通过陶瓷打孔引出到陶瓷顶面。底层介质使用单底面金属化氧化铝陶瓷2，使用绝缘胶在170℃下将上下两层介质粘接固化。底层介质起到物理支撑和满足电桥奇偶模阻抗的功能，双层氧化铝陶瓷有30 W/m/℃的高热导率，保证3dB电桥大功率工作时的良好散热。计算工作中心频带的1/4波长等效物理长度，根据所需耦合度确定耦合线特征阻抗对应的物理宽度，进行最终仿真设计。

之前已设计过P波段的PCB型3dB电桥，其电桥面积为14mm*8.5mm*2.1mm，体积较大，极限耐受功率仅为1000W，16%，已经无法满足实际工程耐功率和小型化需要，需采用新方案进行P波段3dB大功率电桥设计。根据以上思路，设计出400MHz-480MHz薄膜陶瓷大功率螺旋式3dB电桥，本次设计目标如表2所示：

表2 P波段3dB电桥设计目标

3.电路仿真和优化

根据设计目标，进行介质和耦合线宽初步计算，确定介质厚度和耦合线宽，由于螺旋形结构比直线结构的带线阻抗更高，磁耦合更强，相同线宽和介质条件下，可实现更紧的耦合特性，通过3维仿真模型建立，最终仿真模型图6所示：

图6 陶瓷大功率螺旋电桥仿真模型

通过场仿真软件进行模型参数优化，最终仿真结果如图7所示：

图7 陶瓷大功率螺旋电桥仿真结果

从仿真结果看，各项小信号设计参数及体积均满足设计目标要求，尤其体积更小，具有明显优势。由于电桥需要承受超过2000W脉冲功率，因此需在3维场仿真软件中，对电桥的大功率场强分布进行仿真模拟，如图8所示：

图8 2000W时陶瓷电桥场强分布仿真结果

从仿真结果看出，电桥在2000W输入功率下，最大场强小于1×105V/m，远小于空气击穿场强3×106V/m，大功率状态下工作比较可靠。

当输入脉冲2000W占空比16%的功率时，折算连续波功率为320W，通过仿真，电桥插损最大为0.15dB，即耗散约3.3%的功率，即10.56W。电桥介质热导率K=30W/m/℃，电桥厚度L=0.8mm，面积为60mm2，电桥等效热阻为ρ=L/(K*S)＜0.5W/℃。但是实际的电桥在介质层间有绝缘胶，其热导率较低，尽管绝缘胶厚度＜0.1mm，仍然对热导率有较明显恶化。综合考虑电桥采用胶粘工艺装配，认为电桥平均热导率＜2W/℃，当2000W脉冲输入时，平均温升小于25℃，可满足大功率下的可靠性。

4.电路测试

最终对电桥装配并测试，外形示意图如图9所示：

图9 陶瓷电桥外形示意图

矢网校准测试结果如图10所示：

图10 陶瓷电桥实测结果

实测结果与设计目标基本相符，与仿真值接近，满足设计要求。小信号具体对比详见表3：

表3 新型陶瓷3dB电桥设计实测对比

图11 新型陶瓷电桥2000W功率时结温图

需要验证2000W大功率输入时，电桥工作温度及功率可靠性，将电桥装配至平衡限放模块中，进行功率验证，并实测电桥结温图，详细的结温测试结果见图11所示。

电桥输入功率为脉冲2000W，16%占空比，工作环境温度为85℃，从结温图看出，最高的峰值温度在靠近大功率吸收负载周围的耦合线处，其工作温度为145℃，满足三级降额工作要求。薄膜陶瓷的退火温度＞350℃，远高于145℃的工作结温，因此大功率输入时，上下层的薄膜金属耦合带线处于安全温度范围。而两层介质间的绝缘胶固化温度高于170℃，在170℃时仍能保证粘接强度和可靠性。综上所述，陶瓷大功率3dB电桥处于安全工作范围，可承受超过2000W的脉冲功率。

5.结论

本文基于混合集成电路工艺和薄膜陶瓷光刻工艺，介绍了一种新型的大功率3dB电桥，基于薄膜工艺的大功率陶瓷螺旋形3dB电桥相比传统3dB电桥具有5个优点：

1）耐受功率明显提高，耐受功率可达2000W，16%占空比，可靠性更高；

2）体积缩小50%，实现大功率3dB电桥的小型化，低插损的设计要求，面积仅10mm*6mm，插损小于0.15dB；

3）由于选用了无吸水率的氧化铝陶瓷介质材料，适用于高可靠类大功率限放产品。大功率陶瓷电桥的使用，将避免大功率限放产品内部过多使用焊接工艺，介质中水汽残留微少，进而保证产品的水汽含量和PIND试验处于更好水平；

4）原材料周期可控； 该新型陶瓷3dB电桥基于混合集成电路工艺制备，最复杂工艺为双面薄膜光刻工艺，属于常见工艺，介质基板采用常备的Al2O3陶瓷基板，工艺周期和原材料可控，研制速度快；

5）高精度的图形公差控制，批产一致性高，由于采用了薄膜双面光刻工艺，相比LTCC和PCB多层电路所制备的3dB电桥，耦合图形的线宽和上下层的对位精度提高一个数量级，均达到≤±1.5um，极大的保证了3dB电桥的批产电性能一致性。

该新型大功率小型化陶瓷宽边耦合3dB电桥已经成功应用于多款平衡式限幅低噪放项目中，并已通过各项环境可靠性试验，将在以后有着广阔的应用前景。由于电桥本身具有水汽含量低、小型化、高功率可靠性等特点，特别适用于对体积和可靠性要求极高的限幅低噪放产品中；通过红外成像结温测试，该陶瓷螺旋3dB电桥工作温度远低于传统PCB电桥，可保证大功率下的产品长期可靠性。

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