CN114976554A

CN114976554A - 一种基于P波段的小型化大功率Wilkinson功分器

Info

Publication number: CN114976554A
Application number: CN202210707937.7A
Authority: CN
Inventors: 朱建彬; 成爱强; 平培力; 顾黎明
Original assignee: CETC 55 Research Institute
Current assignee: CETC 55 Research Institute
Priority date: 2022-06-21
Filing date: 2022-06-21
Publication date: 2022-08-30

Abstract

本发明提出的是一种基于P波段的小型化大功率Wilkinson功分器，并在此基础上通过引入螺旋布线的方式实现了小型化目的，同时采用PCB板层压的形式实现带状线结构和大功率负载电阻的装配，进一步缩小了功分器的物理尺寸，峰值功率可达1000W。功分器在400MHz～500MHz的工作频带内，插入损耗＜0.3 dB，隔离度＞20 dB，驻波在1.3以下，最终通过实验论证了仿真结果。

Description

一种基于P波段的小型化大功率Wilkinson功分器

技术领域

本发明涉及的是一种基于P波段的小型化大功率Wilkinson功分器，属于无源电路技术领域。

背景技术

功分器是微波系统常用的模块之一。微波发射系统连接顺序通常是功率放大器、功分器、滤波器和天线，如果功分器损耗能减小、频率范围扩大、承受更大功率，或者在多通道系统中能有效提高它的隔离度、幅度和相位匹配等指标，整个微波系统的性能可以大幅度提升。

随着微波射频技术的不断发展，对系统和器件的小型化提出了更高的要求。微带结构的Wilkinson功分器结构简单，易于集成，但它的功分输出分支线为λ/4传输线，致使功分器在工作频率较低的时候尺寸较大。尤其在p波段，传统单节功分器无法适应宽带的需求，但随着节数的增加也导致尺寸扩大，制约了小型化的发展。

发明内容

本发明的目的在于克服现有功分器结构存在的上述缺陷，满足大功率射频电路需求，设计了一款满足大功率，低损耗、高隔离的小型化Wilkinson功分器，工作频率400MHz～500MHz，可承受峰值功率1000W。

本发明的技术解决方案：一种基于P波段的小型化大功率Wilkinson功分器，采用低温烧结在机加件上，其结构包括同轴馈线、双层电路板、铜箔电路线、金属化通孔；其中同轴馈线设于双层电路板的底部，铜箔电路线设于双层电路板的顶部表面，金属化通孔设于双层电路板的中央；述的铜箔电路线采取螺旋带状线结构。

进一步的，所述双层电路板采用多层PCB压合技术制作，其中上层电路板介质材料采用Rogers 6006板材，厚度为0.254mm，下层电路板介质材料采用Rogers 4003板材，厚度为0.508mm。

进一步的，所述双层电路板中间挖槽，用于安装大功率负载，同时带线引出端至于中层介质内。

进一步的，其结构还包括隔离电阻，安装于功分器的2个输出端口之间；所述隔离电阻采用双引线封装形式，峰值功率1000W，工作脉冲300us，占空比10％，为平均功率150W，阻值100Ω双引线负载电阻；基片材料为BeO，温度范围：-55～+150°，外形尺寸9mm*6mm*1mm。

进一步的，所述隔离电阻引出端搭载铜片，通过树脂塞孔的方式，实现上层与中层微带线的金属互连。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)采取多层PCB压合技术，选用成本低廉的罗杰斯板材，工艺成本大大减小，同时多层介质填充的方式使得电路的有效介电常数增大，明显缩小了体积，实现了小型化目的；

2)采取螺旋绕线代传统微带线，避免传统微带线结构单层布局的局限，同时延长了电路路径，进一步缩小了体积，实现了小型化目的；

3)在介质板中间挖槽，方便大功率负载的安装，同时带线引出端至于中层介质内，增加了隔离度，使其应用层面增加，应用领域更加广泛。

附图说明

附图1是基于P波段的小型化大功率Wilkinson功分器的结构原理图。

附图2是基于P波段的小型化大功率Wilkinson功分器的阻抗变换图。

附图3是隔离电阻示意图。

附图4是基于P波段的小型化大功率Wilkinson功分器的整体结构图。

附图5是基于P波段的小型化大功率Wilkinson功分器的局部放大图。

附图6是隔离度和耦合度以及驻波仿真结果图。

附图7～附图9是仿真与实测驻波、隔离度和耦合度对比结果图。

附图10是基于P波段的小型化大功率Wilkinson功分器的功率容量仿真图。

附图11是基于P波段的小型化大功率Wilkinson功分器的实物装配效果图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”“某些实施方式”“示意性实施方式”“示例”“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征结构材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征结构材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

如图1所示，从电路特点上来看，功分器属于多端口网络。功分器各个端口特征如下：(1)端口1无反射；(2)端口2、端口3输出电压相等且同相；(3)端口2、端口3输出功率比值为任意指定值1/K²，其作用是将某一输入功率按一定比例分配到各分支电路中去，尤其相控阵体制雷达中要将发射信号分配到各发射单元中。其中Wilkinson功分器是一款性能良好的功分器，具有一定的频率特性，当使用频率偏离器件中心频率一定带宽外，功分器的诸多指标均恶化，无法满足使用要求，此时通过增加功分器的节数，可以有效的改善宽带特性，扩宽工作频带范围。但是随着节数的增加也导致尺寸扩大，本发明功分器的工作频率范围为400MHz～500MHz，最高频率f₂与最低频率f₁之比f₂/f₁为1.25，采用单节结构可满足本次设计要求。

图2所示的功分器结构包含阻抗分别为Z₀₂和Z₀₃的两对λ/4传输线，以及两个匹配负载R₂和R₃，运用单节阻抗变换的原理可以计算出各级传输线的阻抗如下：

Z_in2×R₂＝Z₀₂ ² (1)

Z_in3×R₃＝Z₀₃ ² (2)

设R₂＝KZ₀，则Z₀₂、Z₀₃、R₃为

为了增加隔离度，在端口2和端口3之间加了一个隔离电阻R₁，隔离电阻的电阻值为：

因此查表可知，每节λ/4传输线的归一化阻抗分别为

隔离电阻的值选择100Ω。

如图3所示，隔离电阻选取深圳宇龙通大功率负载电阻，双引线封装形式，根据耐功率需求，峰值功率1000W，工作脉冲300us，占空比10％，综合考虑下选择平均功率150W，阻值100Ω双引线负载电阻，基片材料为BeO(氧化铍)，温度范围：-55～+150°，外形尺寸9mm*6mm*1mm，结构示意图如图所示。在焊接引线时，采用控温烙铁，温度保持在260°，引线处可做一个拱形桥，以便于释放热变形产生的应力，从而保证引线处接触良好。安装时，尽量少折，以防引线折断。

如图4所示，本实施例所述的小型化Wilkinson功分器分为上下两层，功分器整体外形长度为W1＝37.25mm(0.22λ₀)，宽度为L1＝18mm(0.1λ₀)，通过螺旋绕线的方式，极大缩小了电路路径，实现了小型化目的，厚度为3mm，图中具体尺寸分别为Ws1＝2mm，Ws2＝0.9mm，W2＝4.1mm，W3＝9mm，W4＝5.1mm，L2＝6mm。

如图5所示，介质板中间挖槽，目的在于方便大功率负载的安装，同时带线引出端至于中层介质内，增加了隔离度，这种新颖结构设计，使其应用层面大大增加，应用领域更加广泛；与此同时，隔离电阻引出端搭载铜片，通过树脂塞孔的方式，实现上层与中层微带线的金属互连，减小了微带线之间的耦合影响，进一步增加的隔离度。

如图6所示，从仿真结果可以看出，在400MHz～500MHz驻波在1.2以内，隔离度小于-20dB，耦合度在-3dB左右，且插损在0.1以内，相位差在0°左右，且相位一致性≤±2°。

如图7所示，从仿真与实测的驻波对比可以看出，实测驻波在1.3以内，达到预期效果，整体趋势一致。

如图8所示，从仿真与实测的隔离度对比可以看出，在400MHz～500MHz工作频段内，隔离度优于20dB，从趋势看，谐振点偏低频。

如图9所示，从仿真与实测的耦合度对比可以看出，在400MHz～500MHz工作频段内，耦合度在-3dB附近抖动，插损小于0.5dB，整体性能良好。

由图10电场强度分布图可看出，在端口处通过300W连续波功率时，模型中最大电场强度在印制线耦合度最强的区域，从图中可以看出，在400MHz时，最大场强为7.81e5V/m，在400MHz时，最大场强为，在450MHz时，最大场强为9.48e5V/m，在500MHz时，最大场强为1.09e6V/m，小于印制板的击穿场强

因此满足设计功率要求。并且产品的厚度较薄，在产品与腔体良好的接触下能够更好的将内部热量散发出去，减小由于散热不好导致产品内部烧毁的风险。

如图11所示，实物装配在组件内，采用同轴从底部馈电，整个Wilkinson功分器采用低温烧结在机加件上，内部挖槽放置大功率负载。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于P波段的小型化大功率Wilkinson功分器，采用低温烧结在机加件上，其结构包括同轴馈线、双层电路板、铜箔电路线、金属化通孔；其中同轴馈线设于双层电路板的底部，铜箔电路线设于双层电路板的顶部表面，金属化通孔设于双层电路板的中央；其特征在于：所述的铜箔电路线采取螺旋带状线结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于P波段的小型化大功率Wilkinson功分器，其特征在于：所述双层电路板采用多层PCB压合技术制作，其中上层电路板介质材料采用Rogers6006板材，厚度为0.254mm，下层电路板介质材料采用Rogers 4003板材，厚度为0.508mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于P波段的小型化大功率Wilkinson功分器，其特征在于：所述双层电路板中间挖槽，用于安装大功率负载，同时带线引出端至于中层介质内。

4.根据权利要求1所述的一种基于P波段的小型化大功率Wilkinson功分器，其特征在于：其结构还包括隔离电阻，安装于功分器的2个输出端口之间；所述隔离电阻采用双引线封装形式，峰值功率1000W，工作脉冲300us，占空比10%，为平均功率150W，阻值100Ω双引线负载电阻；基片材料为BeO，温度范围：-55～+150°，外形尺寸9mm*6mm*1mm。

5.根据权利要求4所述的一种基于P波段的小型化大功率Wilkinson功分器，其特征在于：所述隔离电阻引出端搭载铜片，通过树脂塞孔的方式，实现上层与中层微带线的金属互连。