新型LTCC高隔离低插损3dB_90°电桥设计_沈峻威.pdf

第4 5卷第1期压 电 与 声 光V o l.4 5N o.12 0 2 3年2月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S T O O P T I C SF e b.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 8-0 8 作者简介:沈峻威(1 9 9 6-),男,浙江省台州市人,硕士生,主要从事陶瓷微波无源器件设计的研究。通信作者:叶强(1 9 6 4-),男,浙江省杭州市人,教授,硕士生导师,主要从事通信中信号处理和电子系统检验检测等的研究。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 3)0 1-0 1 5 3-0 5D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 3.0 1.0 2 9新型L T C C高隔离低插损3d B9 0 电桥设计沈峻威1,陈志华2,叶 强1,罗昌桅3,唐 松3(1.中国计量大学 信息工程学院,浙江 杭州3 1 0 0 1 8;2.浙江春晖磁电科技有限公司,浙江 绍兴3 1 2 3 0 0;3.浙江省嘉兴佳利电子有限公司,浙江 嘉兴3 1 4 0 1 1)摘 要:基于宽边耦合带状线结构,该文设计了一种基于低温共烧陶瓷(L T C C)技术的高隔离低插损3d B9 0 电桥。该电桥使用螺旋耦合线有效地减小了器件尺寸,同时以对称式结构建模更便于后期的优化调整。在宽边螺旋耦合带状线垂直方向引入一个伸入式可调隔离电容,极大地提高了该电桥的隔离度,使其可达2 7d B,且插入损耗0.2d B,较之传统的定向耦合器结构,其在提升性能的同时大幅减小了器件尺寸。对耦合线直角拐弯处的电场强度进行分析与优化,采用4 5 斜切的方式使拐角处的电场强度与直线处大致相等。对上接地金属板进行环形镂空处理,这将改善带内的幅度平衡度。该文设计的3d B9 0 电桥通带为0.9 61.5 3GH z,插入损耗0.2d B,幅度平衡度0.7d B,相位平衡度为9 0 1,隔离度2 7d B,其具有良好的应用市场。关键词:低温共烧陶瓷;3d B9 0 电桥;螺旋耦合线;隔离电容;幅度平衡度中图分类号:T N 3 8 4;T N 7 1 3;T N 8 2 文献标志码:A D e s i g no fN e wL T C C3d B9 0 B r i d g ew i t hH i g hI s o l a t i o na n dL o wI n s e r t i o nL o s sS H E NJ u n w e i1,C H E NZ h i h u a2,Y EQ i a n g1,L U OC h a n g w e i3,T A N GS o n g3(1.C o l l e g eo f I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g,C h i n aJ i l i a n gU n i v e r s i t y,H a n g z h o u3 1 0 0 1 8,C h i n a;2.Z h e j i a n gC h u n h u iM a g n e t o e l e c t r i cT e c h n o l o g yC o.L t d.,S h a o x i n g3 1 2 3 0 0,C h i n a;3.Z h e j i a n gJ i a x i n gJ i a l iE l e c t r o n i c sC o.L t d.,J i a x i n g3 1 4 0 1 1,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e do n t h ew i d e-s i d e c o u p l e ds t r i p l i n e s t r u c t u r e,a3d B9 0 b r i d g ew i t hh i g h i s o l a t i o na n d l o wi n s e r-t i o n l o s sb a s e do nl o w-t e m p e r a t u r ec o-f i r e dc e r a m i c(L T C C)t e c h n o l o g yi sd e s i g n e di nt h i sp a p e r.T h es p i r a lc o u-p l i n gl i n e i su s e d t oe f f e c t i v e l y r e d u c e t h e s i z eo f t h eb r i d g e,a n d t h e s y mm e t r i c a l s t r u c t u r em o d e l i n g i sm o r e c o n v e n-i e n t f o r l a t e ro p t i m i z a t i o na n da d j u s t m e n t.B yi n t r o d u c i n ga ne x t e n d e da d j u s t a b l e i s o l a t i o nc a p a c i t o r i nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o n so f t h ew i d e-s i d es p i r a l c o u p l i n gs t r i p l i n e,t h e i s o l a t i o no f t h eb r i d g e i sg r e a t l y i m p r o v e d,m a k i n gi tu pt o2 7d B,a n dt h e i n s e r t i o n l o s s i s l e s s t h a no r e q u a l t o0.2d B.C o m p a r e dw i t h t h e t r a d i t i o n a l d i r e c t i o n a l c o u p l e r s t r u c-t u r e,t h i sc a ng r e a t l yr e d u c et h ed e v i c es i z ew h i l ei m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c e.T h ee l e c t r i cf i e l di n t e n s i t ya tt h er i g h t-a n g l ec o r n e ro ft h ec o u p l i n gl i n ei sa n a l y z e da n do p t i m i z e d,a n dt h ee l e c t r i cf i e l di n t e n s i t ya tt h ec o r n e ri sr o u g h l ye q u a l t ot h a t a t t h es t r a i g h t l i n eb ya d o p t i n gt h e4 5 o b l i q u ec u t t i n gm e t h o d.A t t h es a m et i m e,t h eu p p e rg r o u n d i n gm e t a l p l a t e i sh o l l o w e do u ta n n u l a r l y,w h i c hi m p r o v e st h ea m p l i t u d eb a l a n c e i nt h eb a n d.T h ed e s i g n e d3d B9 0 b r i d g eh a sp a s s b a n do f0.9 6-1.5 3GH z,i n s e r t i o nl o s so f0.2d B,a m p l i t u d eb a l a n c eo f0.7d B,p h a s eb a l a n c eo f 9 0 1,a n d i s o l a t i o no f2 7d B,w h i c hh a sag o o dp r o s p e c t a p p l i c a t i o n i nm a r k e t f i e l d.K e yw o r d s:l o wt e m p e r a t u r e c o-f i r e dc e r a m i c s(L T C C);3d B9 0 b r i d g e;s p i r a l c o u p l i n g l i n e;i s o l a t i o nc a p a c i t o r;a m p l i t u d eb a l a n c e 0 引言随着无线通信技术的快速发展,对于无源器件的小型化、高性能的需求与日俱增。定向耦合器是微波电路中常用的关键组件,其可用于阵列天线的波束形成网络、平衡混频器、衰减器和移相器等1。目前,定向耦合器已被广泛用在现代微波通信系统和雷达系统2。3d B9 0 电桥,也称3d B正交耦合器,是一种特殊的定向耦合器,可实现直通端和耦合端的功率等分,且直通端与耦合端存在9 0 的相位差。文献3 使用传统宽边蛇形耦合带状线结构设计了 一 种3d B9 0 电 桥,其 工 作 频 率 为2.6 53.5 5GH z,插入损耗2 0d B,隔离度2 6d B,相位不平衡度为9 0 3,尺寸为4mm7.4 8mm2.2mm。传统结构虽能达到较好的性能,但其尺寸过大,无法满足小型集成化的应用场景。文献4 使用对称蛇形耦合带状线改善了低温 共 烧 陶 瓷(L T C C)电 桥 尺 寸,其 尺 寸 为6.3mm5.1 mm1.5 mm,工作频率为0.91.3GH z,驻波 比1.3,插 损2 0d B,相位平衡度(9 0 3)。文献5 研究了一种超宽带的3d B正交耦合器,工作频率为0.53.5GH z,插入损耗在4.5d B内,隔离度1 8d B,相位 差3d B,尺 寸 为1 2.7 mm7.5 mm2.3mm。该设计采用五级耦合器与单级耦合器交叉级联方式拓展工作频率,但同时也使插损恶化较大,既没能优化尺寸,也未能提升隔离度。本文基于宽边螺旋耦合带状线结构,通过在耦合线垂直方向引入伸入式可调隔离电容,设计了一种工作频率在0.9 61.5 3GH z,高隔离、低插损和小型化的3d B9 0 电桥。电桥的结构较简单,且在无源器件仿真上,相比A D S,电磁仿真系统AN S Y SE l e c t r o n i c sS u i t e2 0 2 0R 2使用的电磁场有限元分析法更接近实际值,因此,利用AN S Y S进行仿真优化设计。实际加工所使用的陶瓷介质相对介电常数为7.3,正切损耗角为0.0 0 1。最后使用网络分析仪对其进行实际性能测试。1 3d B9 0 电桥设计由于电磁场的存在使得两根无屏蔽的带状线之间产生空间耦合,故此类带状线称为耦合带状线。常用的有侧 边 耦 合 带 状 线 和 宽 边 耦 合 带 状线,如图1所示。图中,W为耦合带状 线线宽,S为间距,b为上下接地金属板间距,t为耦合线的厚度,r为相对介电常数。由图中带状线的分布并结合电磁场理论可知,侧边耦合带状线的耦合度明显弱于宽边耦合带状线,且侧边耦合将会占用更多的布局空间,故本设计选用宽边耦合以加强耦合度和缩小尺寸。图1 耦合带状线常用结构因带状线传播的是T EM模,所以对上述耦合微带线使用奇偶模分析法时,其等效电路如图2所示。图中,C1、C2为带状线对地的奇生电容,Cm为耦合线间产生的耦合电容,L1、L2为带状线的分布电感,Lm为耦