CN103745029B - 一种大功率微波功分器中隔离电阻及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率微波功分器中隔离电阻及设计方法，采用的双引线法兰电阻，其内部图形采用了一种“王”字形结构来减小面积，在减小寄生电容的同时，减少了对功率容量的影响。大功率电阻的尺寸较大，且含有金属散热金属底座，功率容量要求越大时，需要选择更大的封装尺寸，其寄生电容对功分器的性能影响也就更大。本发明采用ANSOFT Designer和ANSOFT HFSS软件进行协同仿真，将电阻内部图形的尺寸也作为三维电磁场全波仿真的优化变量，与功分器中微波传输线的尺寸一起优化，以便在不影响功率容量的情况下，最终得出最佳的电阻内部图形，完成电阻的设计。

Description

一种大功率微波功分器中隔离电阻及设计方法

技术领域

本发明属于微带线、带状线等微波平面传输线器件领域，具体涉及一种大功率微波功分器中隔离电阻及设计方法，应用于提高大功率微波功分器的性能。

背景技术

为了减小相控阵天线的副瓣，往往需要用多路微波功分器来实现各天线单元间的幅度加权。在P、L、S等频率较低的微波波段，因为金属波导的尺寸太大，大功率馈电网络一般采用微带线、带状线等微波平面传输线结构。

为了减小阵列间单元的相互影响，对幅相精度要求较高的相控阵天线，一般要求馈电网络中单元之间的隔离度大于18dB，也就是说馈电网络中的功分器需采用隔离电阻。大功率隔离电阻的尺寸较大，导致其寄生电感和电容都很大，如果直接采用市面上现有的隔离电阻来实现大功率功分器，功分器的驻波和损耗性能必然不好。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种大功率微波功分器中隔离电阻及设计方法，克服市面上现有大功率隔离电阻的不足，在微波频段获得高指标的大功率功分器。

技术方案

一种大功率微波功分器中隔离电阻，其特征在于：隔离电阻为双引线法兰电阻，电阻内部图形为“王”字形结构，引线焊盘5的长度为1.2mm，引线焊盘5的宽度比外部引线1宽0.2mm，内部引线区域6的宽度为0.5mm，电阻膜搭接区7和电阻膜8的宽度相同，电阻内部图形的总面积小于陶瓷载体3面积的一半。

一种所述大功率微波功分器中隔离电阻的设计方法，其特征在于：采用ANSOFTDesigner软件，具体步骤如下：

步骤1：根据功分器的理论值在ANSOFT Designer中建立包含了隔离电阻寄生电容的功分器纯电路模型，将需要优化的各传输线的阻抗和长度设置为变量，将功分器3个端口的驻波设置为优化目标，对该模型中的变量进行优化，得出在当前隔离电阻寄生电容值下，功分器能达到的最优驻波性能和寄生电容带来的损耗，根据功分器的指标要求，得出寄生电容的最大允许值，并通过优化得出对应的最佳传输线阻抗和长度；

步骤2：根据功分器的功率容量要求，确定电阻的封装尺寸，然后在ANSOFT HFSS中建立大功率电阻及电阻焊盘的全三维模型，同时建立微带线T形分支、微带线匹配拐角、微带线宽度跳变台阶等不连续性部分的全三维模型；

步骤3：在ANSOFT Designer软件中，将前面在ANSOFT HFSS软件中建立的大功率电阻及电阻焊盘、微带线T形分支、微带线匹配拐角、微带线宽度跳变台阶等不连续性部分的全三维模型，作为元件导入，在不连续性部分的全三维模型之间加入均匀传输线，建立协同仿真模型的原理图和版图，根据在步骤1中由ANSOFT Designer软件得出的结果，得出均匀传输线的阻抗和长度的初始值；

步骤4：在ANSOFT Designer软件中，通过遗传算法对协同仿真模型进行优化，对微带线尺寸和电阻内部图形的尺寸进行了多个变量的大量优化计算后，得出最佳结果；将电阻内部图形的尺寸作为三维电磁场全波仿真的优化变量，与功分器中微波传输线的尺寸一起优化，得到使功分器的微波性能达到最优的电阻内部图形，完成电阻的设计。

有益效果

本发明提出的一种大功率微波功分器中隔离电阻及设计方法，大功率电阻的尺寸较大，且含有金属散热金属底座，功率容量要求越大时，需要选择更大的封装尺寸，其寄生电容对功分器的性能影响也就更大。本发明采用的双引线法兰电阻，其内部图形采用了一种“王”字形结构来减小面积，在减小寄生电容的同时，减少了对功率容量的影响。本发明采用ANSOFT Designer和ANSOFT HFSS软件进行协同仿真，将电阻内部图形的尺寸也作为三维电磁场全波仿真的优化变量，与功分器中微波传输线的尺寸一起优化，以便在不影响功率容量的情况下，最终得出最佳的电阻内部图形(图11)，完成电阻的设计。

一般的大功率电阻内部图形，会填充到陶瓷载体面积的90％以上。本发明采用的双引线法兰电阻(图3)，其内部图形采用了一种“王”字形结构(图4)来减小面积，在减小寄生电容的同时，减少了对功率容量的影响。

附图说明

图1常用的功分器纯电路模型

图2包含了隔离电阻寄生电容的功分器纯电路模型

图3双引线法兰电阻外形

图4电阻内部图形采用的一种“王”字形结构

1-外部引线；2-陶瓷盖板；3-陶瓷载体；4-金属底座；5-引线焊盘；6-内部引线区域；7-电阻膜搭接区；8-电阻膜的宽度；

图5大功率电阻及电阻焊盘的全三维模型

图6微带线T形分支的全三维模型

图7微带线匹配拐角的全三维模型

图8微带线宽度跳变台阶的全三维模型

图9协同仿真模型的原理图

图10协同仿真模型的版图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实现本发明目的的技术方案是：

1)隔离电阻内部图形采用了一种“王”字形结构来减小电路图形面积，从而减小电阻的寄生电容；

2)采用ANSOFT Designer和ANSOFT HFSS软件进行协同仿真，将电阻内部图形的尺寸也作为三维电磁场全波仿真的优化变量，与功分器中微波传输线的尺寸一起优化，最终得出最佳的电阻内部图形，完成电阻的设计。

所述采用ANSOFT Designer和ANSOFT HFSS软件，设计大功率隔离电阻的实现过程如下：

1)在ANSOFT Designer软件中建立功分器的纯电路模型，得出隔离电阻寄生电容的最大允许值，并通过优化得出对应的最佳传输线阻抗和长度。在ANSOFT Designer软件中，常用的功分器纯电路模型(图1)因为没考虑隔离电阻的寄生电容，因此只适合仿真小功率的功分器。根据功分器的理论值在ANSOFT Designer中建立包含了隔离电阻寄生电容的功分器纯电路模型(图2)，图2中C329为隔离电阻的寄生电容。考虑了隔离电阻的寄生电容后，功分器中各段微带线的阻抗和长度需要在理论值基础上进行优化，才能得出最佳的功分器性能，因此在模型(图2)中将需要优化的各传输线的特性阻抗和长度设置为变量，将3个端口的驻波设置为优化目标，对模型(图2)中的变量进行优化，得出在当前隔离电阻寄生电容值下，功分器能达到的最优驻波性能和寄生电容带来的损耗。寄生电容值越大，功分器的最优驻波和损耗都会越大，由功分器的指标要求得出寄生电容值的最大允许值，并通过优化得出对应的最佳传输线阻抗和长度。

2)由功分器的功率容量要求，选择电阻的封装尺寸，在ANSOFT HFSS中建立大功率电阻及电阻焊盘(图5)的全三维模型，同时建立微带线T形分支(图6)、微带线匹配拐角(图7)、微带线宽度跳变台阶(图8)等不连续性部分的全三维模型。为了应对较高的工作环境温度和保留足够的功率容量设计冗余，选择的隔离电阻为双引线法兰电阻(图3)，外部引线1焊接在陶瓷载体3上，陶瓷盖板2和陶瓷载体3之间涂覆密封胶，陶瓷载体3通过焊膏焊接到金属底座4上。一般的双引线法兰电阻，其内部图形会填充到陶瓷载体3面积的90％以上。为了在减小寄生电容的同时，减少对功率容量的影响，本发明采用了一种“王”字形结构(图4)来减小电阻内部图形的面积。电阻内部图形包括引线焊盘5、内部引线区域6、电阻膜搭接区7和电阻膜8。引线焊盘5的长度为1.2mm，引线焊盘5的宽度比外部引线1宽0.2mm，内部引线区域6的宽度为0.5mm，电阻膜搭接区7和电阻膜8的宽度相同，电阻内部图形的总面积小于陶瓷载体3面积的一半。电阻的寄生电容正比于电阻内部图形的总面积，引线焊盘5的尺寸由外部引线1的尺寸决定，电阻膜8的尺寸太小会导致散热不好，从而减小电阻的功率容量，因此通过采用“王”字形结构(图4)，减小内部引线区域6的面积是减小电阻寄生电容的有效办法。由平板电容的计算公式，即可得出电阻内部图形的初始尺寸，并将该尺寸用于大功率电阻及电阻焊盘(图5)的全三维模型。

3)在ANSOFT Designer软件中，将前面在ANSOFT HFSS软件中建立的大功率电阻及电阻焊盘(图5)、微带线T形分支(图6)、微带线匹配拐角(图7)、微带线宽度跳变台阶(图8)等不连续性部分的全三维模型，作为元件导入，加入各种不连续性之间的均匀传输线，建立协同仿真模型的原理图(图9)和版图(图10)，根据在步骤1中由ANSOFT Designer软件得出的结果，得出均匀传输线的阻抗和长度的初始值。

4)在ANSOFT Designer软件中，通过遗传算法对协同仿真模型进行优化，对微带线尺寸和电阻内部图形的尺寸进行了多个变量的大量优化计算后，得出最佳结果，这样可以将电阻内部图形的尺寸也作为三维电磁场全波仿真的优化变量，与功分器中微波传输线的尺寸一起优化，最终得出使功分器的微波性能达到最优的电阻内部图形，完成电阻的设计。

本发明的具体实施的为L波段微带线大功率功分器中大功率电阻的设计，该功分器为一分二不等分功分器，其工作频率为1.28GHz～1.38GHz，功率分配比为1:0.75，输入峰值功率为2000W，占空比10％。通过采用本发明的设计方法，实现的驻波小于1.1，损耗小于0.05dB。

首先对功分器的纯电路模型进行仿真，得出隔离电阻寄生电容的最大允许值，并通过优化得出对应的最佳传输线阻抗和长度。在ANSOFT Designer软件中，常用的功分器纯电路模型(图1)因为没考虑隔离电阻的寄生电容，因此只适合仿真小功率的功分器。根据功分器的理论值在ANSOFT Designer中建立包含了隔离电阻寄生电容的功分器纯电路模型(图2)，图2中C329为隔离电阻的寄生电容。考虑了隔离电阻的寄生电容后，功分器中各段微带线的阻抗和长度需要在理论值基础上进行优化，才能得出最佳的功分器性能，因此在模型(图2)中将需要优化的各传输线的特性阻抗和长度设置为变量，将3个端口的驻波设置为优化目标，对模型(图2)中的变量进行优化，即可得出在当前寄生电容值下，功分器能达到的最优驻波性能，和由寄生电容带来的损耗。寄生电容值越大，功分器的最优驻波和损耗都会越大，由功分器的指标要求得出寄生电容值的最大允许值，并通过优化得出对应的最佳传输线阻抗和长度。通过对模型(图2)进行仿真即可发现，寄生电容C329分别为0.5pF、0.6pF时，寄生电容导致的电阻吸收的微波功率峰值分别为25.2W、34.3W，为了提高功率容量(即减小电阻吸收的功率)、减小损耗，选择寄生电容值≤0.5pF。图2中，E表示该段微带线的电长度，Z表示该段微带线的阻抗，Port2端口的功率与Port3端口的功率之比为1:0.75。当寄生电容为0.5pF，优化得到的Z02为62欧姆，Seta02为92.7°，Z03为82.5欧姆，Seta03为93.6°，Z04为45.9欧姆，Z05为55.3欧姆。

为了应对较高的工作环境温度和保留足够的功率容量设计冗余，选择的隔离电阻为双引线法兰电阻(图3)，外部引线1焊接在陶瓷载体3上，陶瓷盖板2和陶瓷载体3之间涂覆密封胶，陶瓷载体3通过焊膏焊接到金属底座4上。一般的双引线法兰电阻，其内部图形会填充到陶瓷载体3面积的90％以上。为了在减小寄生电容的同时，减少对功率容量的影响，本发明采用了一种“王”字形结构(图4)来减小电阻内部图形的面积。电阻内部图形包括引线焊盘5、内部引线区域6、电阻膜搭接区7和电阻膜8。引线焊盘(5)的长度为1.2mm，引线焊盘5的宽度比外部引线1宽0.2mm，便于外部引线1焊接。内部引线6宽度需尽量小，取为0.5mm，太细了可靠性不好。电阻膜搭接区7和电阻膜8的宽度相同，便于加工。电阻内部图形的总面积小于陶瓷载体3面积的一半。电阻的寄生电容正比于电阻内部图形的总面积，引线焊盘5的尺寸由外部引线1的尺寸决定，电阻膜8的尺寸太小会导致散热不好，从而减小电阻的功率容量，因此通过采用“王”字形结构(图4)，减小内部引线的面积是减小电阻寄生电容的最有效办法。

陶瓷盖板2的尺寸为9.5mm×6.3mm×0.6mm，陶瓷载体3的尺寸为9.5mm×6.3mm×3mm，金属底座的尺寸为22mm×6.5mm×1.5mm。平板电容C_p的计算公式为：

$C_p={\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r\frac{S}{d}---\left(1\right)$

式(1)中，ε₀为真空电容率，ε_r为陶瓷介质的相对介电常数，S为电阻内部图形的总面积，d为陶瓷载体的厚度。

为了提高功率容量，陶瓷载体3选用氧化铍材料，其相对介电常数为6.8。由(1)式可得到C_p为0.5pF时，电阻内部图形的面积需为24.9mm²。再由“王”字形结构(图4)的设计要求，即可得出电阻内部图形的初始尺寸(图4)。

在ANSOFT HFSS中根据电阻的封装(图3)和内部图形的初始尺寸(图4)建立大功率电阻及电阻焊盘(图5)的全三维模型，同时建立微带线T形分支(图6)、微带线匹配拐角(图7)、微带线宽度跳变台阶(图8)等不连续性部分的全三维模型。

在ANSOFT Designer软件中，将前面在ANSOFT HFSS软件中建立的大功率电阻及电阻焊盘(图5)、微带线T形分支(图6)、微带线匹配拐角(图7)、微带线宽度跳变台阶(图8)等不连续性部分的全三维模型，作为元件导入，加入各种不连续性之间的均匀传输线，建立协同仿真模型的原理图(图9)和版图(图10)。这种基于三维电磁场全波仿真的协同仿真方法，既有三维电磁场全波仿真的精度，又有纯电路仿真的速度，每次仿真时间在5秒左右。通过遗传算法对微带线尺寸和电阻内部图形尺寸进行了12个变量的上万次优化后，得出最佳结果。这样可以将电阻内部图形的尺寸也作为三维电磁场全波仿真的优化变量，与功分器中微波传输线的尺寸一起优化，最终得出使功分器的微波性能达到最优的电阻内部图形(图11)，完成了电阻的设计。

用本发明的设计方法所设计的大功率电阻，能在不影响功率容量的情况下，大大提高大功率功分器的微波性能指标。

Claims (1)

1.一种大功率微波功分器中隔离电阻的设计方法，所述的大功率微波功分器中隔离电阻为双引线法兰电阻，电阻内部图形为“王”字形结构，引线焊盘(5)的长度为1.2mm，引线焊盘(5)的宽度比外部引线(1)宽0.2mm，内部引线区域(6)的宽度为0.5mm，电阻膜搭接区(7)和电阻膜(8)的宽度相同，电阻内部图形的总面积小于陶瓷载体(3)面积的一半，其特征在于：采用ANSOFT Designer软件，具体步骤如下：

步骤1：根据功分器的理论值在ANSOFT Designer中建立包含了隔离电阻寄生电容的功分器纯电路模型，将需要优化的各传输线的阻抗和长度设置为变量，将功分器3个端口的驻波设置为优化目标，对该模型中的变量进行优化，得出在当前隔离电阻寄生电容值下，功分器能达到的最优驻波性能和寄生电容带来的损耗，根据功分器的指标要求，得出寄生电容的最大允许值，并通过优化得出对应的最佳传输线阻抗和长度；

步骤2：根据功分器的功率容量要求，确定电阻的封装尺寸，然后在ANSOFT HFSS中建立大功率电阻及电阻焊盘的全三维模型，同时建立微带线T形分支、微带线匹配拐角、微带线宽度跳变台阶不连续性部分的全三维模型；

步骤3：在ANSOFT Designer软件中，将前面在ANSOFT HFSS软件中建立的大功率电阻及电阻焊盘、微带线T形分支、微带线匹配拐角、微带线宽度跳变台阶不连续性部分的全三维模型，作为元件导入，在不连续性部分的全三维模型之间加入均匀传输线，建立协同仿真模型的原理图和版图，根据在步骤1中由ANSOFT Designer软件得出的结果，得出均匀传输线的阻抗和长度的初始值；

步骤4：在ANSOFT Designer软件中，通过遗传算法对协同仿真模型进行优化，对微带线尺寸和电阻内部图形的尺寸进行了优化计算后，得出最佳结果；将电阻内部图形的尺寸作为三维电磁场全波仿真的优化变量，与功分器中微波传输线的尺寸一起优化，得到使功分器的微波性能达到最优的电阻内部图形，完成电阻的设计。