CN104752802A - 一种基于三维组装的定向电桥及组装工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维组装的定向电桥及组装工艺，包括腔体、同轴电缆及两个微带片，所述腔体内设置有U型槽吸收体，所述同轴电缆一端通过接头固定在腔体上，同轴电缆另一端的内外导体分别搭接到所述两个微带片上，以同轴电缆一端为出发点，同轴电缆的内导体和外导体为同轴巴伦的两个输出端，两端输出信号将经过不同的路径到达耦合端口，保证两传输路径等长，用于等幅相消。三维组装设计中引入了悬带结构设计，不同磁导率的磁芯组合的超宽带同轴巴伦设计以及U型吸收槽吸波、结构支撑设计，以有效实现同轴巴伦平衡端对外传输的等路径控制，提高定向电桥的方向性和高频端工作能力。

Description

一种基于三维组装的定向电桥及组装工艺

技术领域

本发明涉及一种基于三维组装的定向电桥及组装工艺。

背景技术

定向电桥是微波系统及微波测量仪器的关键部件，能在宽频带内方便的完成信号定向分离、功率合成或分配、功率取样等。相比渐变耦合线宽带定向耦合器，基于巴伦和电阻功分技术的定向电桥，通过功分电路对巴伦平衡端输出信号进行功率分配和相位叠加，实现功率耦合和定向传输，具有更低的工作频率和更宽的倍频程，低频段方向性更理想，耦合频响更平坦，广泛应用于各种仪器设备中。

巴伦有多种实现形式，因同轴巴伦高频特性及平衡特性好，工作频带宽，基于同轴巴伦的定向电桥的超宽带工作能力和高频特性更好。同轴巴伦由同轴电缆外串套不同磁导率磁环构成，高频工作时信号波长变短(40GHz时约7.5mm)，内外导体间距不可忽略，与功分电路的连接时需通过设计和制作工艺保证两路平衡信号传输路径一致。

以巴伦与电阻功分电路构成的定向电桥的工作原理是：在正向传输时，通过电阻功分电路完成功率定比分配，一部分信号从耦合端口输出，另一部份传输信号加载到巴伦的一个平衡端口，另一个平衡端口无信号加载，信号通过不平衡端输出；反向传输时，信号由巴伦不平衡端口馈入，通过巴伦变换在平衡端得到两路输出，两个平衡端口分别连接电阻功分电路，由电阻功分电路完成功率定比分配后，两路信号在耦合端口等幅反向叠加，功率相消，耦合端口没有输出，实现巴伦不平衡端口到耦合端口的隔离。

目前基于巴伦与电阻功分电路的定向电桥设计和实现均以平面电路为基础，采用平面电路组装工艺。

基于巴伦与电阻功分电路的定向电桥，需要通过功分电路对巴伦平衡端的两路信号进行精确的幅相控制，以实现电桥的高定向传输。受巴伦特性所限，常用的平面电路实现方案的高频特性不理想，超宽带工作能力不足。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种基于三维组装的定向电桥及组装工艺，本发明选用高频特性和平衡特性更好的同轴巴伦实现定向电桥，在同轴到功分电路的互连时充分考虑同轴电缆内外导体间距在高频端对两路信号幅相一致性的影响，引入了三维组装设计和实现工艺。

本发明的目的就是以同轴巴伦和电阻功分电路为基础，通过引入三维组装设计实现一种超宽带高方向性的定向电桥，提高工作频率上限和产品集成度，改善产品性能。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种基于三维组装的定向电桥，包括腔体、同轴电缆及两个微带片，两个微带片为第一微带片及第一微带片，所述腔体内设置有U型槽吸收体，所述同轴电缆一端通过接头固定在腔体上，同轴电缆另一端的内外导体分别搭接到所述两个微带片上，以同轴电缆一端为出发点，同轴电缆的内导体和外导体为同轴巴伦的两个输出端，两输出信号将经过不同的路径到达耦合端口，两传输路径等长，用于等幅相消。

所述定向电桥对外设有三个互连端口P1，P2，P3，端口P1和P3为连接到微带片上的两个射频端口，端口P2连接到巴伦不平衡端。

所述端口P1，P2为直通端口，P3为耦合/隔离端口，当信号正向传输时，P1为输入端口，经由电阻功分电路一部分功率信号耦合到P3端口，另一部分功率信号经P2端口直通输出；当信号反相传输时，P2端口为输入端口，功率信号经过巴伦的不平衡到平衡的转换，在平衡端得到等幅反相的两路功率信号，两路功率信号分别经过功分电路在P3端口相消实现隔离，部分功率信号经P1端口直通输出。

所述两个微带片上均有印制电路和印制电阻，共同组成一个完整的功分电路，其中一个微带片上设置有电容，两个微带片用双管胶粘贴在靠近腔体一端不同高度的相应位置上。

所述同轴电缆内外导体分别搭接到两个微带片上，内导体通过锡焊连接到一个微带片，外导体通过压在反复对折的一段金带上与另一个微带片相连，以保证良好接触。

所述同轴电缆上套接有磁芯。

所述两个微带片上均有印制电路和印制电阻，具体为：以悬置带线技术为基础，微带片介质层正面印制电路，并制作印制电阻，其中一个微带片上设置有电容，构成电阻功分电路，介质层背面未金属化，离地悬空一定高度，填充空气介质层。

所述同轴巴伦由同轴电缆外串套不同磁导率磁环构成，可方便后期调试。

一种基于三维组装的定向电桥的组装工艺，包括：

步骤一：在腔体侧壁及底部相应位置使用硅胶粘贴U型槽吸收体，自然晾干后切除溢出的多余硅胶；

步骤二：在两个微带片上分别压接金带，以金锡焊料焊接金带，焊接温度为300±10℃；第一微带片上用焊锡膏锡焊装配贴片电容，焊接温度为180～200℃；

步骤三：第二微带片用双管胶粘贴在腔体相应下部位置，第二微带片到两边侧壁距离为0.05～0.1mm，并把两个微带片上的预置金带压接到腔体上；

步骤四：第一微带片用双管胶粘贴在腔体相应上部位置，第一微带片到两边侧壁距离为0.05～0.1mm，第一微带片上其中两根金带向下压到第二微带片上，并多次叠压，另两根待用；将两微带片分别用双管胶粘贴在腔体相应的位置上后，将腔体垂直放置使微带片处于腔体相应位置的左上方，放入恒温箱中固化；

步骤五：同轴电缆套磁环，电缆接头固定于腔体上，操作过程中控制另一端同轴电缆摆幅，不得损伤微带片，外导体压在第二微带片处经过叠压的金带上，并接触良好，同轴电缆截面距离第二微带片边缘0.05～0.1mm，电缆内导体与第一微带片搭接长度0.3～0.35mm，锡膏焊料焊接，焊接温度为180～200℃；

步骤六：第一微带片上剩余两根金带向上包接到同轴电缆外导体上，铟铅焊料焊接；

步骤七：清理多余松香。

所述步骤中的焊接均在加热台上相应温度下进行，时间控制在2-4秒。

放入恒温箱中固化具体为：放入80℃烘箱烘40分钟固化。

本发明通过三维组装设计实现了一种基于同轴巴伦和电阻功分电路的高定向电桥。三维组装设计中引入了悬带结构设计，不同磁导率的磁芯组合的超宽带同轴巴伦设计以及U型吸收槽吸波、结构支撑设计，以有效实现同轴巴伦平衡端对外传输的等路径控制，提高定向电桥的方向性和高频端工作能力。

本发明可以将基于巴伦和电阻功分电路的定向电桥的适用频率提高到毫米波段，实现更大的工作带宽，结构简单便于集成。同时，良好的可调性设计和精确的实现工艺带来更高效的功率传输，更好的定向传输能力，工程实用性高。

本发明的有益效果：

本发明所提出的基于三维组装工艺实现超宽带定向电桥的技术方案有以下的创新点：

1.高频性好。选用的同轴巴伦有较好的高频工作能力；两片微带分上下层安装，分布特点有利于同轴内外导体传输路径高频下等长的控制，提高幅相平衡特性。

2.超宽带工作能力。同轴巴伦通过磁环调整输出频响，最大程度与电阻功分电路的幅频特性匹配，实现全频段的幅相平衡。悬置功分设计提高了电路有效精度。

3.可调性好。同轴巴伦可通过磁环调试，引入的悬带功分电路方便增设调谐机构改善互连匹配。

4.可靠性高。合理的工艺实现可保证高频工作性能，提高互连一致性和产品可靠性。

5.可提高集成度，产品结构紧凑利于小型化。

附图说明

图1本发明组合定向电桥原理图；

图2本发明组合定向电桥三维组装示意图；

图中，1、P2端口，2、P1端口，3、P3端口，4、同轴电缆，5、磁芯，6、微带片，7、U型槽吸收体，8、贴片电容。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

本发明以同轴线巴伦与集总参数电阻功分电路的定向电桥为基础，图1所示为基于同轴巴伦和电阻功分电路的组合定向电桥的原理图，P1端口2和P2端口1是直通端口，P3端口3为耦合/隔离端口。电阻和电容构成电阻功分电路，信号正向传输时，P1端口2为输入端口，经电阻功分后部分功率耦合到P3端口输出，部分通过P2端口1直通输出；当信号反向传输时，P2端口1为输入端口，信号经过巴伦的不平衡到平衡的转换，(理想的1：1平衡不平衡转换情况下)在平衡端得到等幅反相的两路信号，两路信号分别经过功分电路在P3端口3相消，对P3端口3实现信号隔离，部分信号功率由P1端口直通输出。

同轴巴伦由同轴电缆4外串套不同磁导率磁芯5构成，高频工作时信号波长变短(40GHz时约7.5mm)，内外导体间距不可忽略，与功分电路的连接时需通过设计和制作工艺保证两路平衡信号传输路径一致。内外导体即同轴电缆4的内导体和外导体，需要分别连接到上下两片悬置微带片6上，经由内外导体的两路信号传输不完全在同一平面，两路的传输路径等长问题需要特别应对。本发明在基于同轴巴伦和功分电路的定向电桥设计中引入三维组装设计：

在两个陶瓷基片上实现电阻功分电路并分层安装，以实现与内外导体短距离连接，并保证传输路径等长，实现同轴巴伦平衡端两路信号经过相等的电长度路径后叠加相消。

电桥含两个微带片6，该两个微带片6粘贴于腔体靠近一端的位置，两微带的位置不在同一平面，分别与同轴电缆4的内外导体互连，分层可保证更短距离的互连。

以同轴电缆4一端为出发点，同轴电缆4的内导体和外导体为同轴巴伦的两个输出端，两端输出信号将经过不同的路径到达端口P 3，即耦合端口，保证两传输路径等长用于等幅相消。

采用悬带功分电路设计技术，加宽传输线宽带，以降低基片电路加工精度对阻抗的影响，方便下层基片安装，同时可增加调谐机构改善同轴—悬带变化的不理想性。悬置基片的高度、电路的接地处理、连接点对准等均需严格控制以保证整体性能。调谐机构也可作为方向性指标的调控手段。悬带功分电路设计：以悬置带线技术为基础，介质层上印制功分电路，介质层背面未金属化，下方悬空，隔一定的空气层到地。

调谐机构：同轴到微带的转换涉及传输路径的不连续性和传输系统突变问题，这种不连续性将引入反射点，合理的调谐设计能减少反射，比如开路线相当于并联电容，增加对高次波的吸收。

通过组合同轴巴伦上不同磁导率磁环的数量和顺序，并调节磁环的固定位置，可改变输出频响，最大程度与电阻功分电路的幅频特性匹配，实现全频段的幅相平衡并在耦合端口叠加相消。磁环和腔体间设计U型槽吸收体7，以吸收空间辐射，减少空间耦合，并对同轴巴伦有固定和支撑作用。

调节磁环的固定位置：该调节属于微波部件调试，调试过程通过矢网实时观测产品的驻波，插损等S参数，根据测试值确定调试的有效性。

综合应用不同的焊接、粘接工艺，选择合适的焊料和环氧胶、硅胶，按照阶梯温度分步安装微带片6、U型槽吸收体7、同轴巴伦和同轴连接器；应用金带焊接和键合工艺，实现电路基片与同轴巴伦、腔体的可靠连接，并严格控制其电长度；应用精细的焊接技术实现同轴连接器、同轴巴伦内导体与电路基片连接。组装工艺确保定向电桥具有较高的电性能和环境适应性。并严格控制其电长度，长度具体指：指巴伦平衡端到耦合端的传输路径长度，巴伦平衡端即同轴截面处。传输路径长度用于实现信号的相位控制，也常用电长度代指。

本发明引入三维组装设计，可保证平衡信号等路径传输，实现了一种超宽带高方向性的定向电桥，集成度高，体积小，并可调谐改善材料、加工和组装工艺中的不理想性，提高定向电桥的性能。具体的组合定向电桥三维组装示意图如图2所示。

一种基于三维组装的定向电桥的组装工艺，包括：

步骤一：在腔体侧壁及底部相应位置使用硅胶粘贴U型槽吸收体7，自然晾干后切除溢出的多余硅胶；

步骤二：在两个微带片6上分别压接金带，以金锡焊料焊接金带，焊接温度为300±10℃；第一微带片上用焊锡膏锡焊装配贴片电容8，焊接温度为180～200℃；

步骤三：第二微带片用双管胶粘贴在腔体相应下部位置，第二微带片到两边侧壁距离为0.05～0.1mm，并把两个微带片6上的预置金带压接到腔体上；

步骤四：第一微带片用双管胶粘贴在腔体相应上部位置，第一微带片到两边侧壁距离为0.05～0.1mm，第一微带片上其中两根金带向下压到第二微带片上，并多次叠压，另两根待用；将两微带片6分别用双管胶粘贴在腔体相应的位置上后，将腔体垂直放置使微带片6处于腔体相应位置的左上方，放入恒温箱中固化；

步骤五：同轴电缆4套磁环，电缆接头固定于腔体上，操作过程中控制另一端同轴电缆4摆幅，不得损伤微带片6，外导体压在第二微带片处经过叠压的金带上，并接触良好，同轴电缆4截面距离第二微带片边缘0.05～0.1mm，电缆内导体与第二微带片搭接长度0.3～0.35mm，锡膏焊料焊接，焊接温度为180～200℃；

步骤六：第一微带片上剩余两根金带向上包接到同轴电缆4外导体上，铟铅焊料焊接；

步骤七：清理多余松香。

所述步骤中的焊接均在加热台上相应温度下进行，时间控制在2-4秒。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于三维组装的定向电桥，其特征是，包括腔体、同轴电缆及两个微带片，两个微带片为第一微带片及第一微带片，所述腔体内设置有U型槽吸收体，所述同轴电缆一端通过接头固定在腔体上，同轴电缆另一端的内外导体分别搭接到所述两个微带片上，以同轴电缆一端为出发点，同轴电缆的内导体和外导体为同轴巴伦的两个输出端，两输出信号将经过不同的路径到达耦合端口，两传输路径等长，用于等幅相消。

2.如权利要求1所述的一种基于三维组装的定向电桥，其特征是，所述定向电桥对外设有三个互连端口P1，P2，P3，端口P1和P3为连接到微带片上的两个射频端口，端口P2连接到巴伦不平衡端。

3.如权利要求2所述的一种基于三维组装的定向电桥，其特征是，所述端口P1，P2为直通端口，P3为耦合端口，当信号正向传输时，P1为输入端口，经由电阻功分电路一部分功率信号耦合到P3端口，另一部分功率信号经P2端口直通输出；当信号反相传输时，P2端口为输入端口，功率信号经过巴伦的不平衡到平衡的转换，在平衡端得到等幅反相的两路功率信号，两路功率信号分别经过功分电路在P3端口相消实现隔离，部分功率信号经P1端口直通输出。

4.如权利要求1所述的一种基于三维组装的定向电桥，其特征是，两个微带上均有印制电路和印制电阻，共同组成一个完整的功分电路，其中第一微带片上设置有电容，两个微带片用双管胶粘贴在靠近腔体一端不同高度的相应位置上。

5.如权利要求1所述的一种基于三维组装的定向电桥，其特征是，所述同轴电缆内外导体分别搭接到两个微带片上，内导体通过锡焊连接到第一微带片上，外导体通过压在反复对折的一段金带上与第二微带片上相连，以保证良好接触。

6.如权利要求1或5所述的一种基于三维组装的定向电桥，其特征是，所述同轴电缆上套接有磁芯。

7.如权利要求1或4所述的一种基于三维组装的定向电桥，其特征是，所述两个微带片上均有印制电路和印制电阻，具体为：以悬置带线技术为基础，微带片介质层正面印制电路，并制作印制电阻，其中一个微带片上设置有电容，构成电阻功分电路，介质层背面未金属化，离地悬空一定高度，填充空气介质层。

8.如权利要求1所述的一种基于三维组装的定向电桥，其特征是，所述同轴巴伦由同轴电缆外串套不同磁导率磁环构成。

9.一种基于如权利要求1的三维组装的定向电桥的组装工艺，其特征是，包括：

步骤一：在腔体侧壁及底部相应位置使用硅胶粘贴U型槽吸收体，自然晾干后切除溢出的多余硅胶；

步骤二：在两个微带片上分别压接金带，以金锡焊料焊接金带，焊接温度为300±10℃；第一微带片上用焊锡膏锡焊装配贴片电容，焊接温度为180～200℃；

步骤三：第二微带片用双管胶粘贴在腔体相应下部位置，第二微带片到两边侧壁距离为0.05～0.1mm，把两个微带片上的预置金带压接到腔体上；

步骤四：第一微带片用双管胶粘贴在腔体相应上部位置，第一微带片到两边侧壁距离为0.05～0.1mm，第一微带片上其中两根金带向下压到第二微带片上，并多次叠压，另两根待用；将两微带片分别用双管胶粘贴在腔体相应的位置上后，将腔体垂直放置使微带片处于腔体相应位置的左上方，放入恒温箱中固化；

步骤五：同轴电缆套磁环，电缆接头固定于腔体上，操作过程中控制另一端同轴电缆摆幅，不得损伤微带片，外导体压在第二微带片处经过叠压的金带上，并接触良好，同轴电缆截面距离第二微带片边缘0.05～0.1mm，电缆内导体与第二微带片搭接长度0.3～0.35mm，锡膏焊料焊接，焊接温度为180～200℃；

步骤六：第一微带片上剩余两根金带向上包接到同轴电缆外导体上，铟铅焊料焊接；

步骤七：清理多余松香。

10.如权利要求9所述的三维组装的定向电桥的组装工艺，其特征是，所述步骤中的焊接均在加热台上相应温度下进行，时间控制在2-4秒。