CN107425251B - 一种基于平面电路板的镜像功率合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于平面电路板的镜像功率合成方法，其特征在于：所述平面电路板采用双面板结构，分为表层和底层，表层的微带线和底层的微带线以相邻层为参考构成微带线传输结构；平面电路板板厚在二十分之一波长以内；两只功率放大器分置于表层和底层，呈镜像对称的结构；金属微孔将功率放大器的输入级和输出级分别连接起来，表层的微带线直接激励表层的功率放大器，通过微孔功分后激励底层的功率放大器，底层的微带线汲取两只功率放大器放大后的信号，合二为一，从而实现功率合成。该方法不仅传输损耗低而且幅相一致性更能得到保证，工作带宽更宽，可靠性更强。

Description

一种基于平面电路板的镜像功率合成方法
技术领域
本发明属于射频微波功率合成技术领域，具体涉及一种基于平面电路板的镜像功率合成方法。
背景技术
关于射频微波的功率合成方法，现有产品对大功率合成通常采用3dB电桥与对称的功率放大器进行功率合成，对小功率合成常采用变压器与对称的功率放大器进行功率合成，也有采用微带线功分器配合两只以上的放大器进行功率合成的(如《基于双层平面电路的功率合成放大器》，华南理工大学学报，2010.10)，或者在芯片内部实现功率合成，等等。
射频微波的频率高，波长与平面电路板的尺寸相比拟时，电磁波行进过程中相位和幅度都在发生变化。因此，射频微波的功率合成无法回避相位一致性和阻抗控制的问题，否则功率合成效率大大降低。为控制好相位和实现阻抗匹配，业界常用耦合器、3dB-0°功分，3dB-90°电桥和3dB-180°变压器将信号幅度一分为二，相位差保持0°，90°或180°，然后分别去驱动两只对称的功率放大器，最后在放大器输出用同型号的电桥或变压器再将两路信号的相位补偿回来，幅度合二为一。
可是，射频功率合成受限于电桥和变压器的工作带宽，由于这些无源器件的工作带宽有限，难以实现宽带和超宽带功率合成。当然，它们也受限于加工精度，无论是电桥、变压器还是微带电路，实际上都不可能完全对称，即幅度不可能完全均分，相位不可能完全正交或差分，微带电路的设计也难以保证完全一样。以Anren公司的3dB电桥1F1304-3为例证，其最大相位非正交性可达3°，幅度非均衡性达0.9dB。此外，器件运用多、微带电路走线越长，电磁波能量损失也就越大。如此种种，这不仅会导致功率合成的效率随频率升高而下降，还会因无源器件和微带电路的使用而占用大量的平面电路板面积，成本因此而上升。例如，在射频频率的合成效率可达80～90％，微波频段的合成效率仅60～70％，毫米波太赫兹的合成效率则更低。除此之外，使用单只放大器接收的通信和雷达前端在压制干扰和电子对抗中易被损毁，可靠性不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于平面电路板的镜像功率合成方法，以解决上述背景技术中提出的问题。与现有技术相比，本发明专利的特点是摒弃了电桥、变压器、耦合器等的使用，直接基于平面电路板进行镜像功率合成，不仅传输损耗低而且幅相一致性更能得到保证，工作带宽更宽，可靠性更强。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于平面电路板的镜像功率合成方法，其特征在于：所述平面电路板采用双面板结构，分为表层和底层，表层的微带线和底层的微带线以相邻层为参考构成微带线传输结构；平面电路板板厚在二十分之一波长以内；两只功率放大器分置于表层和底层，呈镜像对称的结构；金属微孔将功率放大器的输入级和输出级分别连接起来；表层的微带线直接激励表层的功率放大器，通过微孔功分后激励底层的功率放大器，底层的微带线汲取两只功率放大器放大后的信号，合二为一，从而实现功率合成。
所述金属微孔的阻抗通过微孔孔径大小、板材相对介电常数及与接地过孔的距离进行控制，阻抗计算式为
Figure GDA0002688856270000021
其中Z0为金属微孔的特性阻抗，εr为相对介电常数，b为金属微孔到接地过孔的距离，a为金属微孔的半径。
进一步的，优化金属微孔的特性阻抗与微带线的阻抗变换，功率合成的效率会进一步提升，具体为：金属微孔的特性阻抗和微带线特性阻抗均为Z1，两者功率合成后的特性阻抗变成Z2＝Z1/2，采用1/4波长的转阻线进行转阻，减少阻抗失配带来的反射损失，变换线的阻抗Z3＝(Z1*Z2)1/2，转阻线的物理尺寸根据中心频率和介电常数而计算得到。
进一步的，增加所述表层和底层的金属层厚度，并在电路板两侧装导冷的金属散热片。
进一步的，平面电路板采用导热性能好的基材，如陶瓷粉末、玻璃纤维、碳氢化合物等基材。
与现有技术相比，本发明具有如下如下技术效果：
第一，两金属微孔的深度与板厚相同，电长度的一致性更好实现；
第二，金属微孔的阻抗可根据孔径大小、介电常数等因子控制到要求的值，即便过孔的阻抗控制不理想，但由于板厚很薄，小于二十分之一波长，失配损耗和信号失真也很小，工作带宽更宽；
第三，省去了电桥、耦合器的使用，以及对称的布线设计，降低了插损也节省了硬件成本和劳动力；
第四，应用在接收前端可提高线性度和可靠性，降低同时失效的概率；
第五，通过了优化设计，平面电路板散热效果更好，功率合成效率更高。
附图说明
图1为镜像功率合成示意图；；
图2为功率合成表层示意图；
图3为功率合成底层示意图；
图4为功率合成叠层结构示意图；
图5为S11曲线；
图6为S22曲线；
图7为S21曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
一种基于平面电路板的镜像功率合成方法，其特征在于：所述平面电路板采用双面板结构，分为表层和底层，表层的微带线和底层的微带线以相邻层为参考构成微带线传输结构；平面电路板板厚在二十分之一波长以内；两只功率放大器分置于表层和底层，呈镜像对称的结构；金属微孔将功率放大器的输入级和输出级分别连接起来；表层的微带线直接激励表层的功率放大器，通过微孔功分后激励底层的功率放大器，底层的微带线汲取两只功率放大器放大后的信号，合二为一，从而实现功率合成。
所述金属微孔的阻抗通过微孔孔径大小、板材相对介电常数及与接地过孔的距离进行控制，阻抗计算式为
Figure GDA0002688856270000031
其中Z0为金属微孔的特性阻抗，εr为相对介电常数，b为金属微孔到接地过孔的距离，a为金属微孔的半径。
进一步针对某一工作频点进行设计，优化金属化过孔的阻抗与微带线的阻抗变换，功率合成的效率会进一步提升。优化阻抗变换方法为：金属微孔的特性阻抗和微带线特性阻抗均为Z1，两者功率合成后的特性阻抗变成Z2＝Z1/2，采用1/4波长的转阻线进行转阻，减少阻抗失配带来的反射损失，变换线的阻抗Z3＝(Z1*Z2)1/2，转阻线的物理尺寸根据中心频率和介电常数而计算得到。针对复数阻抗，也可先通过微带线或LC匹配到实数阻抗后再利用1/4波长转阻线进行转阻。总而言之，通过采取以上措施，可降低阻抗失配带来的功率损失，提高合成效率。
射频功率放大器的效率不高，这导致发热量大，特别是线性度高的功率放大器，为解决散热的问题，一方面增加金属层厚度并在电路板两侧装导冷的金属散热片，另一方面采用导热性能好的基材，更利于散热。
实施例一：
在本实施例中采用板厚0.6mm的双层板，材质FR4，介电常数4.2，宽带射频功率放大器的型号为SBB5089Z，布局如附图二和图三所示，一只在表层，另一只在底层，呈镜像对称的结构。栅极采用直径0.3048mm的金属化过孔互连，并与表层的微带线连在一起；漏极采用直径0.3048mm的金属化过孔互连，并与底层的微带线连在一起，如图四。
参考传输线理论将两金属化过孔的阻抗控制在50欧姆左右。已知板材的介电常数为4.2，以金属微孔为中心，在其四周等间距设置5个直径0.3048mm的接地过孔，金属微孔与接地过孔之间的距离均为0.9mm，依公式(1)计算得到金属微孔的特性阻抗
Figure GDA0002688856270000041
欧姆。上表层微带线与信号源连接，下表层微带线与频谱仪连接，将其调谐到2.4GHz附近，采用网络分析仪实测在2-6GHz的S参数如图5-图7。可知，在2.4GHz上，输入端反射损耗S11约-0.23dB，输出端反射损耗S22约-22.7dB，放大器的增益S21约15.8dB。然后将信号源和频谱仪的频率设为2.4GHz，用信号源去激励镜像功率合成的放大器，频谱仪测得饱和功率为20.5dBm，直流功耗为5*0.18W＝0.9W。去掉表层或底层的任意一只放大器，再用信号源激励，频谱仪测得饱和功率为18.25dBm，直流功耗为5*0.089W＝0.445W，比合成后的饱和功率低2.25dB，由此计算出实施例的功率合成效率约为84％，符合理论预期。
实施例二：
如实施例一的平面电路板，金属微孔的特性阻抗按50欧姆进行控制，与放大器相连的微带线特性阻抗亦为50欧姆，两者功率合成后的特性阻抗变成25欧姆。为与输入输出端50欧姆的源、负载阻抗进行匹配，采用1/4波长的转阻线进行转阻，减少阻抗失配带来的反射损失，变换线的阻抗可设计为Z＝(50*25)1/2＝35.4欧姆，转阻线的物理尺寸根据中心频率和介电常数而计算得到。通过采取以上措施，降低了阻抗失配带来的功率损失，反射损耗S11下降9.3dB，增益S21增加2.6dB，合成效率提高到88％。
实施例三
增加表层和底层金属层的厚度有利于热的传导，如将电路板上常用的1盎司的铜加厚至2-3盎司。除此之外，在电路板的表面处理时大面积开窗，用沉金或喷锡处理，并设计金属块或散热片与电路板的金属层紧密贴合，增加散热面积，以实现优良的散热。陶瓷粉末、玻璃纤维、碳氢化合物等基材的导热性能比普通FR4基带优异，设计时选用导热性能好的基材更利于散热，降低因热引起的放大失真和器件失效，比如陶瓷粉末的介质。通过上述处理，有效的解决了散热问题，可提高线性度和可靠性，降低了失效的概率。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于平面电路板的镜像功率合成方法，其特征在于：所述平面电路板采用双面板结构，分为表层和底层，表层的微带线和底层的微带线以相邻层为参考构成微带线传输结构；平面电路板板厚在二十分之一波长以内；两只功率放大器分置于表层和底层，呈镜像对称的结构；金属微孔将两个功率放大器的输入级和输出级分别连接起来；表层的微带线直接激励表层的功率放大器，通过金属微孔功分后激励底层的功率放大器，底层的微带线汲取两只功率放大器放大后的信号，合二为一，从而实现功率合成。
2.如权利要求1所述的一种基于平面电路板的镜像功率合成方法，其特征在于：在金属微孔四周设置接地过孔，所述金属微孔的阻抗通过微孔孔径大小、电路板的相对介电常数及与接地过孔的距离进行阻抗控制，计算公式为：
Figure FDA0002787472000000011
其中Z0为金属微孔的特性阻抗，εr为电路板的相对介电常数，b为金属微孔到接地过孔的距离，a为金属微孔的半径。
3.如权利要求1所述的一种基于平面电路板的镜像功率合成方法，其特征在于：增加所述表层微带线和底层微带线的金属层厚度，并在电路板两侧装导冷的金属散热片。
4.如权利要求1所述的一种基于平面电路板的镜像功率合成方法，其特征在于：平面电路板采用导热性能好的基材，所述基材的材料采用陶瓷粉末、玻璃纤维、碳氢化合物中的任意一种。
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