1.5～1.7 GHz小型化LTCC电桥的设计

秦立峰

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050000）

0 引 言

近年来，随着全球消费电子市场的高速持续性发展，市场需求体量剧增，其中虚拟现实、无人机、智能家居等集成化极高的产品备受市场青睐，促使电子元器件向小型化发展。低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）技术由于其独特的工艺特性以及良好的性能，近年来迅速发展，将无源器件的小型化、轻量化、集成化以及多功能化推向产业化发展阶段。

3 dB电桥作为一种四端口的无源微波器件，是一种3 dB的定向耦合器，可将一路主信号功率等分成为有固定相位差的2路分路信号。3 dB电桥广泛应用于测控通信、雷达探测等系统。例如：3 dB电桥可作为各类分布系统的同频合路器；可在天馈系统中形成波束；可在各类平衡式放大器中改善端口电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）；可在正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）发射机中确定相位误差等。3 dB电桥的4个端口阻抗匹配良好，因此能方便地集成在各类微波系统。由于3 dB电桥具备的多方面优势，已成为微波系统的重要产品。

文章研究的内容为能输出同幅度正交信号的3 dB 90°电桥。在如今的通信系统中，这种电桥的使用范围非常广泛。

1 基本原理

1.1 3 dB 90°电桥基本原理

3 dB 90°电桥是一种相对特殊的定向耦合器，信号流如图1所示。如果输入信号从端口1进入，则其信号功率从端口2和端口3等分流出，而端口2和端口3相位正交即相位差为90°，此时端口4为隔离端口。由于该电桥是互易端口，如果信号从端口4流入，那么等分正交信号功率就会从端口2和端口3流出，此时端口1就会成为隔离端口。

1.2 3 dB 90°电桥工作原理

设计的3 dB 90°电桥采用LTCC耦合带状线来实现（见图2），端口通过侧边互联引出，接地面分布在LTCC基板内部，2条耦合的带状线分布在基板中间层。

图2 3 dB 90°电桥耦合带状线示意

根据3 dB电桥的基本电路工作原理，耦合带状线的长度应为工作频率的四分之一波长。当工作频率较低时，四分之一波长带状线的长度较长，难以满足小型化要求，因此可以采用蛇形线或阿基米德螺旋线等方式，合理利用空间，从而缩小电桥的尺寸，实现小型化。由于3dB的耦合度较小，为加强耦合度，需在2层耦合线层之间印刷一层薄介质，减小耦合线间距的同时增强耦合能力。

2 电路设计及工艺设计

2.1 3 dB 90°电桥电路设计

设计的LTCC类3 dB 90°电桥的主要技术指标如下：工作频率为1.5～1.7 GHz；回波损耗≤-20 dB；幅度不平衡度≤±0.4 dB；相位不平衡度≤90°±1°；端口隔离度≥20 dB；插入损耗≤0.6 dB；尺寸为2.04 mm×1.29 mm×1.16 mm。

该设计电桥采用0805封装尺寸，即XY方向的尺寸要求非常小（约2 mm×1 mm），中心频率为1.6 GHz，四分之一波长带状线长度较长（约47 mm），很难在规定尺寸内实现，故采用阿基米德螺旋线设计，如图3所示。该结构非常紧凑，可充分利用现有XY方向的尺寸，实现较低频率的3 dB电桥。但是阿基米德螺旋线间距会影响耦合性能，因此需要保证一定的线间距尽量来减小不必要的耦合，以免性能恶化。

采用阿基米德螺旋线只能部分实现降低器件中心频率和小型化，达不到尺寸要求的0805封装水平。因此，文章进一步沿器件Z轴中点对称设计了2组基本一样的阿基米德螺旋带状线，如图4所示。该设计中间采用大面积地层隔开，以免耦合线之间相互影响。2组阿基米德带状线通过层间过孔连接，通过充分利用LTCC多层叠层的特性，大大缩小了器件XY方向的尺寸，降低了器件的中心频率。

图4 LTCC多层结构

2.2 3 dB 90°电桥工艺设计

所设计的3 dB 90°电桥采用介电常数为7.5、介质损耗角正切为0.003的LTCC生瓷带来实现，印制层采用印刷银浆方式。

该结构采用金属半孔进行侧边互联及接地，代替了金属侧印，在生切或划片工艺过程中可以降低工艺复杂性，利于产品批产的实现。

3 仿真结果

3.1 3 dB 90°电桥仿真模型

根据设计值，利用软件进行建模，设置好基板磁带的各类参数，及内层2组阿基米德螺旋带状线，利用仿真软件对其模型（图5）进行仿真。

图5 3 dB 90°电桥仿真模型

3.2 3 dB 90°电桥仿真结果

对插入损耗、回波损耗、幅度不平衡度、相位不平衡度、隔离度等指标进行仿真，结果如图6～图10所示。

图6 插入损耗

图7 回波损耗

图8 隔离度

图9 幅度不平衡度

图10 相位不平衡度

从仿真结果可知，该电桥各项指标优异，尺寸仅为2.04 mm×1.29 mm×1.16 mm，满足LTCC类3 dB 90°电桥的主要技术指标设计要求。

4 结 论

文章介绍了一款1.5～1.7 GHz的小型化3 dB 90°LTCC电桥，重点分析了实现小型化的具体结构。该电桥采用2条耦合阿基米德螺旋线的方式来实现，结构新颖，频率调整灵活。经建模仿真可知，设计的小型化3 dB 90°LTCC电桥仿真指标良好、尺寸小，符合要求。