CN109687081A - 基于LTCC的新型3dB180度平面电桥 - Google Patents

基于LTCC的新型3dB180度平面电桥 Download PDF

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杨冕
赵子豪
常钰敏
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Abstract

本发明公开了一种基于LTCC的新型3dB180度平面电桥，属于微波技术领域，包括同相功分器和反相巴伦两部分，同相功分器为T型结功分器，反相部分为宽边耦合线Marchand巴伦，通过将两者输出端口并联构成180°电桥。本发明使用低温共烧陶瓷(LTCC)工艺技术实现三维集成，实现了体积的小型化，具有输入输出驻波比小端口匹配好、幅度/相位不平衡度小、端口间隔离度好、集成度高、工作稳定性高、电性能好可大批量生产等优势，可以广泛使用在单脉冲和差馈电网络、天线波束形成等通信领域中。

Description

基于LTCC的新型3dB180度平面电桥
技术领域
本发明属于微波技术领域，具体为一种基于LTCC的新型3dB180度平面电桥。
背景技术
3dB电桥是一种四端口无源器件，其可以看成一种3dB定向耦合器，它可以将一路信号等分为两路有固定相位差的信号，其中90度电桥能输出同幅正交信号，180度电桥能输出同幅同相或同幅反相信号。3dB电桥在如今的通信系统中应用十分普遍，由于其具备的多方面优势而成为微波通信系统的重要组成部分。
从上世纪40年代定向耦合器就开始发展了，从最初有学者发现两根四分之一波长的线耦合可以形成定向耦合器到如今已有许多仿真软件可以方便快捷的设计出各种类型的定向耦合器，这期间定向耦合器经历了低耦合到高耦合，低频段到高频段的发展。对于宽带定向耦合器的发展始于上世纪50年代，三节对称定向耦合的提出，明显了加宽了定向耦合器的使用带宽，在上世纪80年代之后，就已经有学者研制出了超宽带定向耦合器，但是这些耦合器均存在着体积过大，隔离度较低等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于LTCC的新型3dB180度平面电桥，通过低温共烧陶瓷(LTCC)三维集成技术实现，具有小型化、输入输出驻波比小、端口匹配好、幅度/相位不平衡度小、端口间隔离度好、集成度高、工作稳定性高、电性能好可大批量生产等优势。
实现本发明目的的技术方案是：一种基于LTCC的新型3dB180度平面电桥，包括由下往上依次设置的第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层、第六金属层、第七金属层、第八金属层、第九金属层以及第一连接柱、第二连接柱、第三连接柱、第四连接柱、第五连接柱、第六连接柱、第七连接柱、第八连接柱、第九连接柱；
所述第一金属层的前端从左至右依次间隔设有第一端口、第二端口，后端从左至右依次间隔设有第三端口、第四端口，所述第一金属层上设有接地端口；
所述第二金属层上设有第一端口连接线、巴伦第一段下层耦合线、第二端口连接线、巴伦第二段下层耦合线；
所述第三金属层上设有第二接地电容；
所述第四金属层上设有巴伦第一段上层耦合线、巴伦第二段上层耦合线、补偿电路；
所述第五金属层上设有第三端口连接线、第二段连接线；
所述第六金属层上设有接地层；
所述第七金属层上设有第一接地电容；
所述第八金属层上设有第四端口连接线、T型结第一段连接线、T型结第二段连接线、第一段连接线；
所述第九金属层上设有T型结功分器第一段四分之一波长阻抗变换线、功分器第二段四分之一波长阻抗变换线；所述第一端口与第一端口连接线的一端连接，第一端口连接线的另一端连接巴伦第一段下层耦合线的一端以及第一连接柱的下端，巴伦第一段下层耦合线的另一端通过第三连接柱连接接地端口，第二端口与第二端口连接线的一端连接，第二端口连接线的另一端连接巴伦第二段下层耦合线的一端以及第二连接柱的下端，巴伦第二段下层耦合线的另一端通过第四连接柱连接接地端口，第一连接柱的上端连接T型结功分器第一段四分之一波长阻抗变换线的一端，T型结功分器第一段四分之一波长阻抗变换线的另一端通过第六连接柱连接T型结第一段连接线的一端，第二连接柱的上端连接T型结功分器第二段四分之一波长阻抗变换线的一端，T型结功分器第二段四分之一波长阻抗变换线的另一端通过第七连接柱连接T型结第二段连接线的一端，T型结第一段连接线的另一端与T型结第二段连接线的另一端相连后连接第一段连接线的一端，第一段连接线的另一端同时连接第八连接柱的上端以及第四端口连接线的一端，第四端口连接线的另一端连接第四端口，第八连接柱的下端连接第一接地电容，巴伦第一段上层耦合线的一端开路，另一端同时连接补偿电路以及巴伦第二段上层耦合线的一端，巴伦第二段上层耦合线的另一端通过第七连接柱连接第二段连接线的一端，第二段连接线的另一端同时连接第九连接柱的上端以及第三端口连接线的一端，第三端口连接线的另一端连接第三端口，第九连接柱的下端连接第二接地电容，接地端口与接地层相连。
优选地，所述第一端口、第二端口、第三端口、第四端口、接地端口的特征阻抗均为50欧姆。
优选地，所述第一端口、第二端口、第三端口和第四端口、接地端口、接地层、第一端口连接线、第二端口连接线、第三端口连接线、第四端口连接线、巴伦第一段下层耦合线、巴伦第二段下层耦合线、巴伦第一段上层耦合线、巴伦第二段上层耦合线、T型结功分器第一段四分之一波长阻抗变换线、T型结功分器第二段四分之一波长阻抗变换线、T型结第一段连接线、T型结第二段连接线、第一段连接线、第二段连接线、补偿电路、第一接地电容、第二接地电容、第一连接柱、第二连接柱、第三连接柱、第四连接柱、第五连接柱、第六连接柱、第七连接柱、第八连接柱、第九连接柱均通过低温共烧陶瓷工艺技术实现。
优选地，所述T型结功分器第一段四分之一波长阻抗变换线、T型结功分器第二段四分之一波长阻抗变换线均为螺旋线结构。
优选地，所述巴伦第一段下层耦合线、巴伦第二段下层耦合线、巴伦第一段上层耦合线、巴伦第二段上层耦合线均为螺旋线结构。
优选地，所述第一连接柱、第二连接柱均通过在接地层上打孔与相应的耦合线连接。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明采用低温共烧陶瓷(LTCC)工艺技术实现三维集成，具有结构紧凑、体积小、电性能良好、高集成度、高成品率以及膨胀系数低等优势，可以广泛使用在单脉冲和差馈电网络、天线波束形成等通信领域中。
附图说明
图1是本发明一种基于LTCC的新型3dB180度平面电桥的示意图。其中图1(a)是主要结构示意图，图1(b)俯视图。
图2是本发明一种基于LTCC的新型3dB180度平面电桥的端口隔离度曲线。
图3是本发明一种基于LTCC的新型3dB180度平面电桥的端口回波损耗曲线。
图4是本发明一种基于LTCC的新型3dB180度平面电桥的相位平衡度曲线。
图5是本发明一种基于LTCC的新型3dB180度平面电桥的幅度平衡度曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，一种基于LTCC的新型3dB180度平面电桥，包括由下往上依次设置的第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层、第六金属层、第七金属层、第八金属层、第九金属层以及第一连接柱H1、第二连接柱H2、第三连接柱H3、第四连接柱H4、第五连接柱H5、第六连接柱H6、第七连接柱H7、第八连接柱H8、第九连接柱H9；
所述第一金属层的前端从左至右依次间隔设有第一端口P1、第二端口P2，后端从左至右依次间隔设有第三端口P3、第四端口P4，所述第一金属层上设有接地端口P5；
所述第二金属层上设有第一端口连接线L1、巴伦第一段下层耦合线BL1a、第二端口连接线L2、巴伦第二段下层耦合线BL2a；
所述第三金属层上设有第二接地电容C2；
所述第四金属层上设有巴伦第一段上层耦合线BL1b、巴伦第二段上层耦合线BL2b、补偿电路COM；
所述第五金属层上设有第三端口连接线L3、第二段连接线L6；
所述第六金属层上设有接地层GND；
所述第七金属层上设有第一接地电容C1；
所述第八金属层上设有第四端口连接线L4、T型结第一段连接线PDL1、T型结第二段连接线PDL2、第一段连接线L5；
所述第九金属层上设有T型结功分器第一段四分之一波长阻抗变换线PD1、功分器第二段四分之一波长阻抗变换线PD2；所述第一端口P1与第一端口连接线L1的一端连接，第一端口连接线L1的另一端连接巴伦第一段下层耦合线BL1a的一端以及第一连接柱H1的下端，巴伦第一段下层耦合线BL1a的另一端通过第三连接柱H3连接接地端口P5，第二端口P2与第二端口连接线L2的一端连接，第二端口连接线L2的另一端连接巴伦第二段下层耦合线BL2a的一端以及第二连接柱H2的下端，巴伦第二段下层耦合线BL2a的另一端通过第四连接柱H4连接接地端口P5，第一连接柱H1的上端连接T型结功分器第一段四分之一波长阻抗变换线PD1的一端，T型结功分器第一段四分之一波长阻抗变换线PD1的另一端通过第六连接柱H6连接T型结第一段连接线PDL1的一端，第二连接柱H2的上端连接T型结功分器第二段四分之一波长阻抗变换线PD2的一端，T型结功分器第二段四分之一波长阻抗变换线PD2的另一端通过第七连接柱H7连接T型结第二段连接线PDL2的一端，T型结第一段连接线PDL1的另一端与T型结第二段连接线PDL2的另一端相连后连接第一段连接线L5的一端，第一段连接线L5的另一端同时连接第八连接柱H8的上端以及第四端口连接线L4的一端，第四端口连接线L4的另一端连接第四端口P4，第八连接柱H8的下端连接第一接地电容C1，巴伦第一段上层耦合线BL1b的一端开路，另一端同时连接补偿电路COM以及巴伦第二段上层耦合线BL2b的一端，巴伦第二段上层耦合线BL2b的另一端通过第七连接柱H7连接第二段连接线L6的一端，第二段连接线L6的另一端同时连接第九连接柱H9的上端以及第三端口连接线L3的一端，第三端口连接线L3的另一端连接第三端口P3，第九连接柱H9的下端连接第二接地电容C2，接地端口P5与接地层GND相连。
进一步的实施例中，所述第一端口P1、第二端口P2、第三端口P3、第四端口P4、接地端口P5的特征阻抗均为50欧姆。
进一步的实施例中，所述第一端口P1、第二端口P2、第三端口P3和第四端口P4、接地端口P5、接地层GND、第一端口连接线L1、第二端口连接线L2、第三端口连接线L3、第四端口连接线L4、巴伦第一段下层耦合线BL1a、巴伦第二段下层耦合线BL2a、巴伦第一段上层耦合线BL1b、巴伦第二段上层耦合线BL2b、T型结功分器第一段四分之一波长阻抗变换线PD1、T型结功分器第二段四分之一波长阻抗变换线PD2、T型结第一段连接线PDL1、T型结第二段连接线PDL2、第一段连接线L5、第二段连接线L6、补偿电路COM、第一接地电容C1、第二接地电容C2、第一连接柱H1、第二连接柱H2、第三连接柱H3、第四连接柱H4、第五连接柱H5、第六连接柱H6、第七连接柱H7、第八连接柱H8、第九连接柱H9均通过低温共烧陶瓷LTCC工艺技术实现。
进一步的实施例中，所述T型结功分器第一段四分之一波长阻抗变换线PD1、T型结功分器第二段四分之一波长阻抗变换线PD2均为螺旋线结构。
进一步的实施例中，所述巴伦第一段下层耦合线BL1a、巴伦第二段下层耦合线BL2a、巴伦第一段上层耦合线BL1b、巴伦第二段上层耦合线BL2b均为螺旋线结构。
进一步的实施例中，所述第一连接柱H1、第二连接柱H2均通过在接地层GND上打孔与相应的耦合线连接。
本发明的工作原理为：T型结功分器部分采用两段对称螺旋线，实现功率等分配输出的特性。包括连接线L5、连接线PDL1、连接线PDL2构成功分器的T型结部分，四分之一波长阻抗变换线PD1与四分之一波长阻抗变换线PD2在连接线PDL2处相连，由此形成并联，实现功率等幅同相一分为二输出，由此形成同相T型功分器。巴伦部分由两段耦合线级联组成，实现输出端口相位反相的特性。包括第二段连接线L6、巴伦第一段上层耦合线BL1b、巴伦第一段下层耦合线BL1a、巴伦第二段上层耦合线BL2b、巴伦第二段下层耦合线BL2a、补偿电路COM、第一接地电容C1、第二接地电容C2、第三连接柱H3、第四连接柱H4、第八连接柱H8、第九连接柱H9。巴伦第一段上层耦合线BL1b、巴伦第一段下层耦合线BL1a、巴伦第二段上层耦合线BL2b、巴伦第二段下层耦合线BL2a均由螺旋形结构构成四分之一波长线长度，形成3dB180度相移的两路平衡信号输出。巴伦第一段上层耦合线BL1b、巴伦第一段下层耦合线BL1a、巴伦第二段上层耦合线BL2b、巴伦第二段下层耦合线BL2a形成左右对称结构，有较好的幅度与相位平衡度输出。补偿电路COM作为并联的开路短截线加入电路呈现电容特性，第一接地电容C1、第二接地电容C2作为接地电容加入巴伦结构中，使输出信号有较好的平坦度。本3dB 180度平面电桥通过第一连接柱H1连接同相功分器四分之一波长阻抗变换线PD1与巴伦第一段下层耦合线BL1a，通过第二连接柱H2连接四分之一波长阻抗变换线PD1与巴伦第二段上层耦合线BL2b。由此巴伦与功分器形成反向对接，形成了一种新型3dB180度电桥。综上，本发明将T型结功分器与巴伦反向连接实现了新型3dB180度平面电桥。
本发明通过低温共烧陶瓷LTCC工艺技术实现立体三维集成，因此具有稳定性高、封装密度强、生产成品率高、生产成本低、抗恶劣环境能力强等优点。
实施例
本发明一种基于LTCC的新型3dB180度平面电桥的尺寸仅为7.2mm×4.5mm×2mm，工作频率为1.4GHz～2GHz，从图2、图3、图4以及图5可以看出，此平面魔T的端口隔离度优于24dB，回波损耗优于20dB，相位平衡度优于5°，幅度平衡度优于0.25dB。

Claims (6)

1.一种基于LTCC的新型3dB180度平面电桥，其特征在于，包括由下往上依次设置的第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层、第六金属层、第七金属层、第八金属层、第九金属层以及第一连接柱(H1)、第二连接柱(H2)、第三连接柱(H3)、第四连接柱(H4)、第五连接柱(H5)、第六连接柱(H6)、第七连接柱(H7)、第八连接柱(H8)、第九连接柱(H9)；
所述第一金属层的前端从左至右依次间隔设有第一端口(P1)、第二端口(P2)，后端从左至右依次间隔设有第三端口(P3)、第四端口(P4)，所述第一金属层上设有接地端口(P5)；
所述第二金属层上设有第一端口连接线(L1)、巴伦第一段下层耦合线(BL1a)、第二端口连接线(L2)、巴伦第二段下层耦合线(BL2a)；
所述第三金属层上设有第二接地电容(C2)；
所述第四金属层上设有巴伦第一段上层耦合线(BL1b)、巴伦第二段上层耦合线(BL2b)、补偿电路(COM)；
所述第五金属层上设有第三端口连接线(L3)、第二段连接线(L6)；
所述第六金属层上设有接地层(GND)；
所述第七金属层上设有第一接地电容(C1)；
所述第八金属层上设有第四端口连接线(L4)、T型结第一段连接线(PDL1)、T型结第二段连接线(PDL2)、第一段连接线(L5)；
所述第九金属层上设有T型结功分器第一段四分之一波长阻抗变换线(PD1)、功分器第二段四分之一波长阻抗变换线(PD2)；所述第一端口(P1)与第一端口连接线(L1)的一端连接，第一端口连接线(L1)的另一端连接巴伦第一段下层耦合线(BL1a)的一端以及第一连接柱(H1)的下端，巴伦第一段下层耦合线(BL1a)的另一端通过第三连接柱(H3)连接接地端口(P5)，第二端口(P2)与第二端口连接线(L2)的一端连接，第二端口连接线(L2)的另一端连接巴伦第二段下层耦合线(BL2a)的一端以及第二连接柱(H2)的下端，巴伦第二段下层耦合线(BL2a)的另一端通过第四连接柱(H4)连接接地端口(P5)，第一连接柱(H1)的上端连接T型结功分器第一段四分之一波长阻抗变换线(PD1)的一端，T型结功分器第一段四分之一波长阻抗变换线(PD1)的另一端通过第六连接柱(H6)连接T型结第一段连接线(PDL1)的一端，第二连接柱(H2)的上端连接T型结功分器第二段四分之一波长阻抗变换线(PD2)的一端，T型结功分器第二段四分之一波长阻抗变换线(PD2)的另一端通过第七连接柱(H7)连接T型结第二段连接线(PDL2)的一端，T型结第一段连接线(PDL1)的另一端与T型结第二段连接线(PDL2)的另一端相连后连接第一段连接线(L5)的一端，第一段连接线(L5)的另一端同时连接第八连接柱(H8)的上端以及第四端口连接线(L4)的一端，第四端口连接线(L4)的另一端连接第四端口(P4)，第八连接柱(H8)的下端连接第一接地电容(C1)，巴伦第一段上层耦合线(BL1b)的一端开路，另一端同时连接补偿电路(COM)以及巴伦第二段上层耦合线(BL2b)的一端，巴伦第二段上层耦合线(BL2b)的另一端通过第七连接柱(H7)连接第二段连接线(L6)的一端，第二段连接线(L6)的另一端同时连接第九连接柱(H9)的上端以及第三端口连接线(L3)的一端，第三端口连接线(L3)的另一端连接第三端口(P3)，第九连接柱(H9)的下端连接第二接地电容(C2)，接地端口(P5)与接地层(GND)相连。
2.根据权利要求1所述的基于LTCC的新型3dB180度平面电桥，其特征在于，所述第一端口(P1)、第二端口(P2)、第三端口(P3)、第四端口(P4)、接地端口(P5)的特征阻抗均为50欧姆。
3.根据权利要求1所述的基于LTCC的新型3dB180度平面电桥，其特征在于，所述第一端口(P1)、第二端口(P2)、第三端口(P3)和第四端口(P4)、接地端口(P5)、接地层(GND)、第一端口连接线(L1)、第二端口连接线(L2)、第三端口连接线(L3)、第四端口连接线(L4)、巴伦第一段下层耦合线(BL1a)、巴伦第二段下层耦合线(BL2a)、巴伦第一段上层耦合线(BL1b)、巴伦第二段上层耦合线(BL2b)、T型结功分器第一段四分之一波长阻抗变换线(PD1)、T型结功分器第二段四分之一波长阻抗变换线(PD2)、T型结第一段连接线(PDL1)、T型结第二段连接线(PDL2)、第一段连接线(L5)、第二段连接线(L6)、补偿电路(COM)、第一接地电容(C1)、第二接地电容(C2)、第一连接柱(H1)、第二连接柱(H2)、第三连接柱(H3)、第四连接柱(H4)、第五连接柱(H5)、第六连接柱(H6)、第七连接柱(H7)、第八连接柱(H8)、第九连接柱(H9)均通过低温共烧陶瓷(LTCC)工艺技术实现。
4.根据权利要求1所述的基于LTCC的新型3dB180度平面电桥，其特征在于，所述T型结功分器第一段四分之一波长阻抗变换线(PD1)、T型结功分器第二段四分之一波长阻抗变换线(PD2)均为螺旋线结构。
5.根据权利要求1所述的基于LTCC的新型3dB180度平面电桥，其特征在于，所述巴伦第一段下层耦合线(BL1a)、巴伦第二段下层耦合线(BL2a)、巴伦第一段上层耦合线(BL1b)、巴伦第二段上层耦合线(BL2b)均为螺旋线结构。
6.根据权利要求1所述的基于LTCC的新型3dB180度平面电桥，其特征在于，所述第一连接柱(H1)、第二连接柱(H2)均通过在接地层(GND)上打孔与相应的耦合线连接。
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