CN113163575B - 一种多层板微波功率电路 - Google Patents

Abstract

一种多层板微波功率电路，其特征在于：电路板板材为四层板，信号分两层布线，一层在介质层1和介质层2之间，另一层在介质层3和介质层4之间；整个多层板有3层屏蔽层接地，分别分布在多层板顶层、底层以及两信号层之间，以保证信号在介质层传输过层中不受外界信号干扰以及信号层之间也不会引起干扰；在多层板中，信号输入端和输出端结构在层与层之间采用金属化的过孔结构。本发明体积小、集成度高，通过大量集成，形成高集成度的馈电网络，从而实现车载地面站重量轻、体积小、工作性能稳定及机动灵活等优点。

Description

一种多层板微波功率电路

技术领域

本发明涉及一种多层板微波功率电路。

背景技术

近年来，随着微波通信有关技术的快速发展，小型化、低成本和高可靠性的产品需求与日俱增。T/R组件作为雷达系统的关键部件之一，其体积大小直接影响整个系统的大小。因此，设计出性能优良、可靠性高的小型化T/R组件，对相控阵天线、雷达等系统的研制有着重要的意义。而馈电网络结构直接决定了微波T/R组件体积大小和工作性能，进而影响系统整体性能的优劣。另外，与微波有源器件相比，无源元件体积相对较大，其电路对加工工艺要求较高，高性能的无源馈电网络成为收发组件研究的难点。因此，研制出一种工作性能优良的高集成度微波电路是对现代雷达卫星通信及导航应用等领域的发展将有着深远的影响。

发明内容

本发明提供一种多层板微波功率电路，针对卫星导航车载地面站小型化的需要进行的一项研究，目的在于设计一种体积小、集成度高的多层板双十六路微波信号分路器，通过大量集成，形成高集成度的馈电网络，从而实现车载地面站重量轻、体积小、工作性能稳定及机动灵活等优点。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种多层板微波功率电路，电路板板材为四层板，信号分两层布线，一层在介质层1和介质层2之间，另一层在介质层3和介质层4之间；整个多层板有3层屏蔽层接地，分别分布在多层板顶层、底层以及两信号层之间，以保证信号在介质层传输过层中不受外界信号干扰以及信号层之间也不会引起干扰；

在多层板内分别布局了带宽100MHz,中心频率为f₁和中心频率为f₂的两种十六路的功分器；两路功分器电路的输入端口特性阻抗为Z_o，两段分支微带线电长度为λ/4，特性阻抗分别为Z_o2和Z_o3，终端分别接负载R₂和R₃；

功分器各个端口特性如下：

1)端口1无反射

2)端口2和端口3输出电压相等且同相

3)端口2和端口3输出功率比值为任意指定值1/K

则有：

U₂＝U₃ (3)

由四分之一波长传输线阻抗变换理论得：

Z_in2xR₂＝Z_o2 ²,Z_in3xR₃＝Z_o3 ² (4)

若R₂＝KZ_o，则Z_o2，Z_o3，R₃有：

当K＝1时，为功率等分情况。

其中U1是输入端口电压，U2、U3是输出端口电压。

电路板板材的每层板厚度为0.254mm；两信号层隔离度大于180dB。

在多层板中，信号输入端和输出端结构在层与层之间采用金属化的过孔结构。

频率发射本振分路分布在电路最上层，由SMA接头送来的一路信号分成十六路幅度相位相同信号，每路信号通过SMP接头馈入后续功能模块；接收本振分路分布在电路中间层，由功能模块通过16个SMP接头将十六路幅度相位相同信号馈入合成一路信号，然后通过SMA输送到处理功能模块。

根据威尔金森功分电路原理，一路信号分成两路信号，且在分成的两路信号之间加入隔离电阻R，降低两支路信号干扰，然后通过一分二、二分四、四分八、八分十六的方式，采用四级改良后电路结构进行级联，实现16路电路功分结构。

本发明是一种多层板高集成度多路微波信号接收合路和多路微波信号发射分路电路，体积小、集成度高，通过大量集成，形成高集成度的馈电网络，从而实现车载地面站重量轻、体积小、工作性能稳定及机动灵活等优点。

附图说明

图1为本发明的两路功分器电路结构图；

图2为本发明的电路板结构图；

图3为本发明的发射/接收本振电原理图；

图4为本发明的金属化过孔结构图；

图5为本发明的本振分路电路板结构示意图。

具体实施方式

实施例：如图1-5所示，一种多层板微波功率电路，电路板板材为四层板，每层板厚度为0.254mm；信号分两层布线，一层在介质层1和介质层2之间，另一层在介质层3和介质层4之间；整个多层板有3层屏蔽层接地，分别分布在多层板顶层、底层以及两信号层之间，以保证信号在介质层传输过层中不受外界信号干扰以及信号层之间也不会引起干扰；

在多层板内分别布局了带宽100MHz,中心频率为f₁和中心频率为f₂的两种十六路功分器；经过仿真，两信号层隔离度大于180dB，基本上可以认为两信号在传输过程中之间没有影响。两路功分器电路的输入端口特性阻抗为Z_o，两段分支微带线电长度为λ/4，特性阻抗分别为Z_o2和Z_o3，终端分别接负载R₂和 R₃；

功分器各个端口特性如下：

4)端口1无反射

5)端口2和端口3输出电压相等且同相

6)端口2和端口3输出功率比值为任意指定值1/K

则有：

U₂＝U₃ (3)

由四分之一波长传输线阻抗变换理论得：

Z_in2xR₂＝Z_o2 ²,Z_in3xR₃＝Z_o3 ² (4)

若R₂＝KZ_o，则Z_o2，Z_o3，R₃有：

当K＝1时，为功率等分情况；

其中U1是输入端口电压，U2、U3是输出端口电压。电路板板材的每层板厚度为0.254mm；两信号层隔离度大于180dB。在多层板中，信号输入端和输出端结构在层与层之间采用金属化的过孔结构。

在多层板中，信号输入端和输出端结构有很多种形式，不同的结构形式对整个电路工作特性有不同的影响；本设计在层与层之间采用金属化的过孔结构，通过仿真确定孔的最终结构尺寸。

图5中红色为频率发射本振分路，分布在电路最上层，由SMA接头送来的一路信号分成十六路幅度相位相同信号，每路信号通过SMP接头馈入后续功能模块。黄色为接收本振分路，分布在电路中间层，由功能模块通过16个SMP 接头将十六路幅度相位相同信号馈入合成一路信号，然后通过SMA输送到处理功能模块。

根据威尔金森功分电路原理(图2所示)，可实现1路信号分成两路信号，但直接分成的两路信号之间存在信号串扰，本设计在分成的两路信号之间加入隔离电阻R，见图中局部放大区域。降低了两支路信号干扰，然后通过一分二、二分四、四分八、八分十六的方式，采用四级改良后电路结构进行级联，实现16 路电路功分结构。

本发明所设计的多层板双十六路微波信号本振分路有如下优点：体积小，重量轻、长宽高仅264mmx264mx2mm，可将接收和发射32路信号集成在一块电路板上，极大地缩小了T/R组件尺寸，对于车载地面站小型化有非常重要的意义；输入及输出端口采用针插式孔状结构，便于拆卸和安装：信号传输过程中不受外界信号干扰，接受与发射信号之间不会相互影响，无论接收还是发射本振分路，每路信号的幅度和相位一致性良好，从而保证了系统工作的稳定性；结构新颖，安装紧凑，工艺难度小，加工方便，对于未来雷达、卫星通信、导航等应用领域T/R组件小型化设计有非常重要的意义。

经过大量的理论计算、电磁场仿真设计及结构设计，该本振分路电路板已加工、组装、调试完毕，经过测试，指标完全满足应用要求。不仅能够满足工程应用的指标，而且极大的缩小了车载站的体积，提高了车载站的机动灵活性，为设备小型化提供了强有力的技术支持，并为后续相关工作的进行奠定了一项技术基础。同时该发明结构新颖小巧、集成度高、重量轻，为后续相关系统的小型化设计提供了非常有价值的借鉴。

Claims (5)

1.一种多层板微波功率电路，其特征在于：电路板板材为四层板，信号分两层布线，一层在介质层1和介质层2之间，另一层在介质层3和介质层4之间；整个多层板有3层屏蔽层接地，分别分布在多层板顶层、底层以及两信号层之间，以保证信号在介质层传输过层中不受外界信号干扰以及信号层之间也不会引起干扰；

在多层板内分别布局了带宽100MHz,中心频率为f₁和中心频率为f₂的两种十六路的功分器；两路功分器电路的输入端口特性阻抗为Z_o，两段分支微带线电长度为λ/4，特性阻抗分别为Z_o2和Z_o3，终端分别接负载R₂和R₃；

功分器各个端口特性如下：

1)端口1无反射

2)端口2和端口3输出电压相等且同相

3)端口2和端口3输出功率比值为任意指定值1/K

则有：

U₂＝U₃ (3)

由四分之一波长传输线阻抗变换理论得：

Z_in2xR₂＝Z_o2 ²,Z_in3xR₃＝Z_o3 ² (4)

若R₂＝KZ_o，则Z_o2，Z_o3，R₃有：

当K＝1时，为功率等分情况，

其中U1是输入端口电压，U2、U3是输出端口电压。

2.根据权利要求1所述的一种多层板微波功率电路，其特征在于：电路板板材的每层板厚度为0.254mm；两信号层隔离度大于180dB。

3.根据权利要求1所述的一种多层板微波功率电路，其特征在于：在多层板中，信号输入端和输出端结构在层与层之间采用金属化的过孔结构。

4.根据权利要求1所述的一种多层板微波功率电路，其特征在于：频率发射本振分路分布在电路最上层，由SMA接头送来的一路信号分成十六路幅度相位相同信号，每路信号通过SMP接头馈入后续功能模块；接收本振分路分布在电路中间层，由功能模块通过16个SMP接头将十六路幅度相位相同信号馈入合成一路信号，然后通过SMA输送到处理功能模块。

5.根据权利要求1所述的一种多层板微波功率电路，其特征在于：根据威尔金森功分电路原理，一路信号分成两路信号，且在分成的两路信号之间加入隔离电阻R，降低两支路信号干扰，然后通过一分二、二分四、四分八、八分十六的方式，采用四级改良后电路结构进行级联，实现16路电路功分结构。