宽频带LTCC微波3dB定向耦合器的研究与设计

论文摘要

现代电子对抗系统、测量仪器系统的发展,使得微波系统覆盖了越来越宽的频带；随着人们对便携化,集成化的不断追求,作为微波系统中广泛使用的定向耦合器,人们对其带宽和体积提出了更高的要求。众所周知,多节宽边耦合带状线定向耦合器和Lange耦合器可以达到宽频带、高性能。然而单节宽边耦合带状线耦合器的带宽一般只有一个倍频程左右,而Lange耦合器中有些互联必须使用金丝键合实现跳线或采用其它复杂工艺实现跨接互联。本文设计均用LTCC （Low Temperature Cofired Ceramic）叠层技术实现,LTCC作为提高射频电路集成度的模块技术成为了当前的研究热点和重点。本文从基础理论出发,实现了三款宽频带LTCC微波3dB定向耦合器,其显著优点是性能优、体积小、可靠性高、电性能一致性好、成本低且适于大批量生产。所设计三款宽频带LTCC微波3dB定向耦合器的工作频率分别为：200MHz～600MHz、1.7GHz～2.0GHz、2GHz～6GHz。其中200MHz～600MHz、1.7GHz～2.0GHz采用单节宽边耦合带状线结构,2GHz-6GHz耦合器是Lange结构结合LTCC工艺,实现Lange桥中电路的跨接互联,最终实现了微型、宽频带、高性能定向耦合器。对200MHz-600MHz、1.7GHz～2.0GHz两款定向耦合器进行了加工和测试,结果如下：200MHz～600MHz定向耦合器,体积17mm×12mm×1.8mm,实测插损0.4dB,驻波1.25,隔离20dB,幅度平衡0.3dB,相位平衡90±3°,平均功率容量80W。1.7GHz～2.0GHz定向耦合器,体积6.35mmx5.08mmx 1.36mm,实测插损0.4dB,驻波1.28,隔离18dB,幅度平衡0.35dB,相位平衡90±3°,平均功率容量35W。2GHz～6GHz Lange定向耦合器,体积7.0mm×2.2.2×1.4mm，软件仿真是插损0.3dB,驻波1.28,隔离18dB,幅度平衡1dB,相位平衡90±3°。设计结果与测试结果吻合良好。本文工作是国家自然科学基金项目（基金号：60671038）“基于封装的数字波束形成射频系统基础研究”的一部分。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 定向耦合器概述
• 1.2 LTCC工艺及其流程
• 1.3 传统工艺与LTCC工艺对比
• 1.4 本文的主要工作
• 2 定向耦合器的理论基础
• 2.2 定向耦合器的主要技术指标
• 2.2.1 耦合度
• 2.2.2 方向性
• 2.2.3 隔离度
• 2.2.4 输入驻波比
• 2.2.5 工作带宽的各种定义
• 2.2.6 幅度/相位一致性
• 2.2.7 插入损耗
• 2.3 定向耦合器网络理论
• 2.4 定向耦合器的重要特性
• 2.4.1 相移和频率的关系
• 2.4.2 隔离度和输入端口驻波分析
• 2.4.3 传输延时分析
• 2.5 本章小结
• 3 宽边耦合线耦合器与Lange的奇偶模分析
• 3.1 耦合器的奇偶模定义
• 3.2 耦合线耦合器的奇偶模分析
• 3.3 Lange耦合器的奇偶模分析
• 3.4 本章小结
• 4 几种LTCC微型耦合器的设计与实现
• 4.1 200MHz～600MHz耦合器的设计
• 4.1.1 奇偶模的计算
• 4.1.2 W和S的计算
• 4.1.3 ADS仿真及其参数验证设计
• 4.1.4 HFSS建模分析
• 4.1.5 折叠线耦合器的实现
• 4.1.6 添加端口和偏置接地
• 4.1.7 总结
• 4.2 1.7 GHz～2.0GHz耦合器的设计
• 4.2.1 设计参数仿真
• 4.2.2 三维实现
• 4.3 2GHz-6GHz耦合器的设计
• 4.3.1 空气桥Lange的LTCC实现
• 4.3.2 介质桥Lange的实现
• 4.3.3 无通孔Lange的实现
• 4.4 本章小结
• 5 样品加工与测试
• 5.1 产品加工
• 5.2 样品性能与功率测试
• 5.2.1 样品测试方法
• 5.2.2 连续波功率容量测试方法
• 5.3 测试结果
• 5.4 结果分析
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录