CN113594655B - 一种立体Marchand巴伦带线结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种立体Marchand巴伦带线结构，采用5层带线层和4层带线介质基板交替层叠，上耦合传输线层和下耦合传输线层各分布两根耦合线，布线相同，同层耦合线镜像对称，连接接地金属柱和平衡端口过渡金属柱，不平衡端口传输线层分布传输线，连接不平衡端口过渡金属柱，传输线和四根耦合线的垂直投影重合，不平衡端口过渡金属柱作为输入，两个平衡端口过渡金属柱作为输出，均与上表面地的金属铺层绝缘隔离，下表面地采用金属铺层，无布线或布孔，两个接地金属柱贯穿并连接5层带线层。
Description
技术领域
本发明属于微波技术领域，具体涉及一种耦合电路技术。
背景技术
随着无线通讯技术的快速演变，无线系统越来越趋向于大功率、高效率、超宽带、高线性。面对这些技术需求，GaN微波功率器件具有更大禁带宽度、更高击穿电压、更高功率密度、更大功率承受能力，相同特征尺寸下比GaAs器件效率更高，成为了无线系统固态发射链路中的主要应用和发展目标。
高功率量级的GaN功率器件，为探测系统带来探测距离、功率密度、系统效率、孔径数量等方面的优势，对电路匹配和设计使用提出了新的要求。高功率GaN功率器件要求自身输出阻抗极低，通常为1至2Ω左右，常常采用推挽式电路结构，合成大功率输出。
传统设计方法为了实现50Ω到1至2Ω的阻抗变换，常使用同轴巴伦来进行4:1的阻抗变换，再利用微带线及电容的分布式匹配电路结构，将12.5Ω匹配到功率管输出端口，达到1至2Ω阻抗。
使用传统同轴巴伦匹配，一是实现50Ω至12.5Ω的阻抗变换，二是推挽电路平衡端到不平衡端50Ω的变换。匹配电路中的同轴巴伦电尺寸长为λ/8，在大功率低频段使用，尤其是P、UHF、VHF频段，会占用很大的印制板面积，需要弯折排布来减小占用的电路尺寸。对发射电路设计而言，增加的电路尺寸带来额外的设计成本，导致系统体积增加。
过大的电路尺寸，还会带来更大的散热金属，增加系统重量，对整个工作平台的负重载荷造成严重负担。特别是对卫通讯和移动平台，其负载能力有限，这种设计方式对系统设计造成很大影响；
电路尺寸过大，还会挤占控制、能源、冷却和其他系统设备的空间及重量，导致系统设计成本增加，使系统自身工作运行可靠性下降。
由此可知，巴伦电路的小型化或者新型的匹配电路，对整个无线通讯系统小型化、轻量化显得非常重要。小型化不仅能够减小功率放大电路的使用面积和重量体积，降低收发组件带来的载荷负重，还能减轻平台和系统承重负担，保证天线的口径功率和输出效率，带来轻量化的收益。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在的问题，提出了一种立体Marchand巴伦带线结构，为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。
采用5层带线层和4层带线介质基板交替层叠，从上到下分别为上表面地、上耦合传输线层、不平衡端口传输线层、下耦合传输线层、下表面地。
上耦合传输线层和下耦合传输线层各分布两根耦合线，布线相同，不平衡端口传输线层分布传输线，传输线和四根耦合线的垂直投影重合。
不平衡端口过渡金属柱垂直贯穿上表面地、上耦合传输线层、不平衡端口输入传输线层，作为输入；两个平衡端口过渡金属柱垂直贯穿上表面地、上耦合传输线层、不平衡端口传输线层、下耦合传输线层，作为输出；两个接地金属柱贯穿并连接5层带线层。
上表面地采用金属铺层，不平衡端口过渡金属柱和平衡端口过渡金属柱的外径小于孔径，与金属铺层绝缘隔离，下表面地采用金属铺层，无布线或布孔。
耦合线长度为λ/4，传输线的长度为λ/2，同层的两根耦合线镜像对称。
同层的一根耦合线的一端连接一个接地金属柱，另一端连接一个平衡端口过渡金属柱，另一根耦合线的一端连接另一个接地金属柱，另一端连接另一个平衡端口过渡金属柱。
传输线一端连接不平衡端口过渡金属柱，另一端开路。
耦合线和传输线可弯折，缩小电路尺寸，线间距大于2倍线宽，采用圆角过渡，弯折半径的内径不小于0.5倍线宽，限制传输过程中的驻波和损耗。
两个平衡端口过渡金属柱的间距大于2倍耦合线宽，减小平衡端口之间的耦合作用。
耦合线连接平衡端口过渡金属柱的一端增加低阻抗传输线，传输线采用低阻抗传输线，匹配阻抗变换后的低阻抗输出。
本发明的有益效果：电路结构简单，使用灵活方便，只要再额外增加一层耦合传输线，将带线巴伦集成在常用的微带匹配电路底部，直接替代同轴巴伦结构，减小功放电路的尺寸和面积，带来体积和重量上的得益，有效减小大功率GaN器件的匹配电路尺寸，带来小型化优势，在4:1的高阻抗变换过程中，实现宽带不平衡端口50Ω到平衡端口12.5Ω的转换，相比较传统型的Marchand带线巴伦，将工作带宽从24％左右提升至40％，减小传输损耗，两个平衡端口的分配损耗＜1.0dB，幅度不平衡度＜0.2dB，相位不平衡度＜0.8°，同样的电路结构可以直接移植到VHF、UHF、P、L等频段。
附图说明
图1是上表面地布孔图，图2是上耦合传输线层布线图，图3是不平衡端口传输线层布线图，图4是下耦合传输线层布线图，图5是带线结构侧视图，。
附图标记：1-上表面地、2-上耦合传输线层、3-不平衡端口传输线层、4-下耦合传输线层、5-下表面地、A3-不平衡端口过渡金属柱、传输线A4、B1-耦合线、B2-耦合线、B3-低阻抗传输线、B4-低阻抗传输线、B5-平衡端口过渡金属柱、B6-接地金属柱、C1-耦合线、C2-耦合线、C3-低阻抗传输线、C4-低阻抗传输线、C5-平衡端口过渡金属柱、C6-接地金属柱。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案做具体的说明。
立体Marchand巴伦带线结构如图5所示，包括5层带线层和4层带线介质基板6，带线介质基板介电常数为3.5，损耗角正切为0.002，两两带线层之间由一层带线介质基板固定，从上到下分别为上表面地1、上耦合传输线层2、不平衡端口传输线层3、下耦合传输线层4、下表面地5。
不平衡端口传输线层3和上耦合传输线层2、下耦合传输线层4的层间距为0.354mm，上表面地1和上耦合传输线层2的层间距为0.508mm，下耦合传输线层4和下表面地5的层间距为0.508mm。
耦合线B1和C1分布于上耦合传输线层2，传输线A4分布于不平衡端口传输线层3，耦合线B2和C2分布于下耦合传输线层4，耦合线B1和C1、传输线A4、耦合线B2和C2的垂直投影重合。
耦合线和传输线弯折半径的内径为0.4mm，外径为0.4mm，线宽为0.8mm，线间距为2.2mm，采用的金属厚度为18μm。
带线结构的尺寸为41mm×39mm，实际电路的尺寸为35.5mm×32.5mm。
不平衡端口过渡金属柱A3垂直贯穿上表面地1、上耦合传输线层2、不平衡端口传输线层3，作为输入。
平衡端口过渡金属柱B5和C5垂直贯穿上表面地1、上耦合传输线层2、不平衡端口传输线层3、下耦合传输线层4，作为输出。
平衡端口过渡金属柱B5和C5的间距为3.1mm，减小平衡端口之间的耦合作用。
接地金属柱B6和C6贯穿并连接5层带线层。
所有金属柱的半径为0.2mm。
上表面地1采用金属铺层，布孔如图1所示，不平衡端口过渡金属柱A3、平衡端口过渡金属柱B5和C5的外径小于孔径，与金属铺层绝缘隔离。
上耦合传输线层2布线如图2所示，耦合线B1的一端连接接地金属柱B6，另一端连接平衡端口过渡金属柱B5，耦合线C1的一端连接接地金属柱C6，另一端连接平衡端口过渡金属柱C5。
耦合线B1连接平衡端口过渡金属柱B5的一端增加低阻抗传输线B3，耦合线C1连接平衡端口过渡金属柱C5的一端增加低阻抗传输线C3，宽度为1.5mm，长度为2.4mm。
耦合线B1和C1长度为λ/4。
不平衡端口传输线层3布线如图3所示，传输线A4的一端连接不平衡端口过渡金属柱A3，另一端开路。
传输线A4的长度为λ/2。
传输线A4采用低阻抗传输线，匹配阻抗变换后的12.5Ω低阻抗输出。
下耦合传输线层4布线如图4所示，耦合线B2的一端连接接地金属柱B6，另一端连接平衡端口过渡金属柱B5，耦合线C2的一端连接接地金属柱C6，另一端连接平衡端口过渡金属柱C5。
耦合线B2连接平衡端口过渡金属柱B5的一端增加低阻抗传输线B4，耦合线C2连接平衡端口过渡金属柱C5的一端增加低阻抗传输线C4，宽度为1.5mm，长度为2.4mm。
耦合线B2和C2长度为λ/4。
下表面地5采用金属铺层，无布线或布孔。
上述作为本发明的实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种立体Marchand巴伦带线结构，采用5层带线层和4层带线介质基板交替层叠，从上到下分别为上表面地、上耦合传输线层、不平衡端口传输线层、下耦合传输线层、下表面地，其特征在于，包括：上耦合传输线层和下耦合传输线层各分布两根耦合线，布线相同，不平衡端口传输线层分布传输线，传输线和四根耦合线的垂直投影重合，耦合线长度为λ/4，传输线的长度为λ/2，耦合线和传输线可弯折，缩小电路尺寸，线间距大于2倍线宽，采用圆角过渡，弯折半径的内径不小于0.5倍线宽，同层的两根耦合线镜像对称，一根的一端连接一个接地金属柱，另一端经低阻抗传输线连接一个平衡端口过渡金属柱，另一根的一端连接另一个接地金属柱，另一端经低阻抗传输线连接另一个平衡端口过渡金属柱，传输线采用低阻抗，一端连接不平衡端口过渡金属柱，另一端开路，匹配阻抗变换后的低阻抗输出，不平衡端口过渡金属柱垂直贯穿上表面地、上耦合传输线层、不平衡端口输入传输线层，作为输入，两个平衡端口过渡金属柱的间距大于2倍耦合线宽，垂直贯穿上表面地、上耦合传输线层、不平衡端口传输线层、下耦合传输线层，作为输出，两个接地金属柱贯穿并连接5层带线层，上表面地采用金属铺层，不平衡端口过渡金属柱和平衡端口过渡金属柱的外径小于孔径，与金属铺层绝缘隔离，下表面地采用金属铺层，无布线或布孔。
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