一种用于射频电源的大功率微带线定向耦合器的设计方法与流程

本发明涉及射频微波，具体为一种用于射频电源的大功率微带线定向耦合器的设计方法。

背景技术：

1、在微波技术中定向耦合器应用广泛，按传输信号功率大小，可以大致分为大功率定向耦合器和小功率定向耦合器，两者有不同的使用场景，波导耦合器和同轴线耦合器可以用来传输大功率信号，但是这类定向耦合器往往比平面传输线结构的定向耦合器尺寸大，重量重，这些缺点限制了其使用，微带线和带状线等平面传输线结构的定向耦合器尺寸相对较小，加工简单，耦合度、方向性和小型化是设计重点，但是由于结构的限制，传输信号功率有限，一般用于小功率的工作场景，很少研究如何用其传输大功率信号，用于大功率场景的波导耦合器和同轴线耦合器通常难以小型化，而且功率信号通过定向耦合器之后还需要其他的电路进行后续处理，在低频400khz时电磁波的波长很长，即使是用微带线尺寸也会变得很大，定向耦合器的尺寸会极大影响整套检测系统的体积，目前常用于大功率检测的磁芯线圈耦合器体积较小，不过线圈缠绕的机械位置不固定，结构稳定性差，因此不能保证良好的性能，会对功率检测造成较大影响，而传统的微带线定向耦合器结构稳定，性能良好，但是无法承受大功率信号，并且方向性不高。

2、而现有定向耦合器尺寸大、传输信号功率不高、方向性差、性能不稳定等问题，这些都会影响定向耦合器在如射频电源等大功率信号传输场景中的使用，进而对实际电路及产品造成不良影响。

3、因此，针对上述问题提出一种用于射频电源的大功率微带线定向耦合器的设计方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于射频电源的大功率微带线定向耦合器的设计方法，以解决上述背景技术中提出现有存定向耦合器尺寸大、传输信号功率不高、方向性差、性能不稳定等，这些都会影响定向耦合器在如射频电源等大功率信号传输场景中的使用，进而对实际电路及产品造成不良影响的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于射频电源的大功率微带线定向耦合器的设计方法，包括定向耦合器，所述定向耦合器包括上层介质板、下层介质板、微带传输线、微带耦合线和金属柱，所述微带传输线和耦合线的一部分均印刷在上层介质板的上表面，所述微带耦合线的另一部分印刷在下层介质板的上表面。

3、通过采用上述技术方案，将微带耦合线的一部分印刷在两层介质板中间，即下层介质板的上表面，变成带状线，线的两端通过金属柱打通介质层连接，平衡奇偶模阻抗的同时可以延长耦合线长度，减小尺寸，提高其方向性。

4、进一步地，所述微带传输线由100层厚度为0.1mm的铜层和99层厚度为0.01mm的sio2绝缘层叠加组成，所述耦合线由上层耦合线和下层耦合线组成，所述上层介质板和下层介质板均是2mm的fr-4介质板，介电常数为4.4，长104mm，宽60mm。

5、通过采用上述技术方案，对叠加层数的调整，提升了定向耦合器微带传输线功率容量的同时避免出现趋肤效应，当需要传输不同功率时，只需根据相应功率改变铜层和绝缘层的叠加层数即可。

6、进一步地，所述上层耦合线和下层耦合线的尺寸为长100mm，宽1mm，且分别由一层铜印刷在上层介质板的上表面和下层介质板的上表面，所述上层介质板和下层介质板之间设有金属柱，且通过金属柱连接在一起。

7、通过采用上述技术方案，由于传输线用多层铜层和sio2绝缘层叠加以提升传输线的功率容量、用上下两层微带线作为耦合线并用金属柱的连接方式来延长耦合线和缩小尺寸，同时图2是俯视图，因此金属柱在上层微带线的下面，被微带线挡住，所以没有显示，金属柱通过过孔和下层的微带线接触，把上层微带线和下层微带线连接在一起。

8、进一步地，所述上层介质板表面的两端均开设有多个过孔，所述上层耦合线和下层耦合线的两端分别由金属柱通过上层介质板1的过孔进行连接。

9、通过采用上述技术方案，使得上层耦合线和下层耦合线组合成一条微带耦合线从而平衡奇偶模阻抗，如图4所示，微带线右侧有3个金属柱对应3个过孔，左侧有2个金属柱对应2个过孔。

10、进一步地，所述微带传输线的一端为输入端，所述微带传输线的另一端为直通端，所述耦合线靠近输入端的一端为耦合端，所述耦合线远离输入端的一端则为隔离端。

11、通过采用上述技术方案，微带传输线和微带耦合线之间通过电磁场的作用进行功率耦合，微调两条微带线之间的距离可以改变定向耦合器的耦合度，距离变大则耦合减弱，距离变小则耦合增强。

12、进一步地，所述上层介质板和下层介质板的尺寸均为104mm*57mm*2mm，所述传输线的线宽20mm，所述耦合线的线宽1mm，所述传输线和耦合线之间相距5mm，所述耦合线两部分之间相距的距离为11mm。

13、通过采用上述技术方案，微带传输线和微带耦合线之间互相隔离距离为5mm，可以进一步平衡奇偶模阻抗，提升定向耦合器的方向性。

14、进一步地，所述输入端可将功率传输至传输线，所述传输线的一部分将功率从直通端输出，所述传输线的另一部分将功率通过耦合作用耦合到耦合线中，且从耦合线输出，所述耦合线内远离功率输出的一端为隔离端。

15、通过采用上述技术方案，微带传输线和微带耦合线之间通过电磁场的作用进行功率耦合，微调两条微带线之间的距离可以改变定向耦合器的耦合度，距离变大则耦合减弱，距离变小则耦合增强。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、1、该用于射频电源的大功率微带线定向耦合器的设计方法，此定向耦合器是由金属印刷在两层pcb板上而成，由金属柱连接两层金属使得整体不可拆卸，物理稳定性好，避免了因拆卸安装而造成机械上的不一致，同时也方便了整机产品的标准化生产；

18、2、该用于射频电源的大功率微带线定向耦合器的设计方法，不采用常见的在磁芯上绕线圈的方式，将传输线和耦合线利用叠层技术和金属柱集成到pcb板上，物理结构固定，可以提升产品性能的稳定性，加工简单，有利于产品的标准化生产，并且安装方便，不需要像磁芯线圈耦合器一样考虑引脚折弯，降低了难度并且减小了尺寸。

技术特征：

1.一种用于射频电源的大功率微带线定向耦合器的设计方法，其特征在于，包括：定向耦合器，所述定向耦合器包括上层介质板、下层介质板、微带传输线、微带耦合线和金属柱，所述微带传输线和耦合线的一部分均印刷在上层介质板的上表面，所述微带耦合线的另一部分印刷在下层介质板的上表面。

2.根据权利要求1所述的一种用于射频电源的大功率微带线定向耦合器的设计方法，其特征在于：所述微带传输线由100层厚度为0.1mm的铜层和99层厚度为0.01mm的sio2绝缘层叠加组成，所述耦合线由上层耦合线和下层耦合线组成，所述上层介质板和下层介质板均是2mm的fr-4介质板，介电常数为4.4，所述fr-4介质板尺寸为长104mm，宽60mm。

3.根据权利要求1所述的一种用于射频电源的大功率微带线定向耦合器的设计方法，其特征在于：所述上层耦合线和下层耦合线的尺寸为长100mm，宽1mm，且分别由一层铜印刷在上层介质板的上表面和下层介质板的上表面，所述上层介质板和下层介质板之间设有金属柱，且通过金属柱连接在一起。

4.根据权利要求3所述的一种用于射频电源的大功率微带线定向耦合器的设计方法，其特征在于：所述上层介质板表面的两端均开设有多个过孔，所述上层耦合线和下层耦合线的两端分别由金属柱通过上层介质板的过孔进行连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于射频电源的大功率微带线定向耦合器的设计方法，其特征在于：所述微带传输线的一端为输入端，所述微带传输线的另一端为直通端，所述耦合线靠近输入端的一端为耦合端，所述耦合线远离输入端的一端则为隔离端。

6.根据权利要求1所述的一种用于射频电源的大功率微带线定向耦合器的设计方法，其特征在于：所述上层介质板和下层介质板的尺寸均为104mm*57mm*2mm，所述传输线的线宽20mm，所述耦合线的线宽1mm，所述传输线和耦合线之间相距5mm，所述耦合线两部分之间相距的距离为11mm。

7.根据权利要求5所述的一种用于射频电源的大功率微带线定向耦合器的设计方法，其特征在于：所述输入端可将功率传输至传输线，所述传输线的一部分将功率从直通端输出，所述传输线的另一部分将功率通过耦合作用耦合到耦合线中，且从耦合线输出，所述耦合线内远离功率输出的一端为隔离端。

技术总结
本发明公开了一种用于射频电源的大功率微带线定向耦合器的设计方法，涉及射频微波技术领域，为解决现有定向耦合器尺寸大、传输信号功率不高、方向性差、性能不稳定等，都会影响定向耦合器在如射频电源等大功率信号传输场景中的使用，进而对实际电路及产品造成不良影响的问题。定向耦合器包括上层介质板、下层介质板、微带传输线、微带耦合线和金属柱。该用于射频电源的大功率微带线定向耦合器的设计方法，用通孔穿层的方式将耦合微带线分布于两层介质板以缩小耦合器的尺寸，用叠层的铜层作为耦合器的传输线，以提升传输线的功率容量和传输大功率信号。

技术研发人员：朱培文,李谭,尹巧星,赵俊君
受保护的技术使用者：江苏神州半导体科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15