微帶巴倫的研究2

1、 本科畢業(yè)（設(shè)計）論文題題 目目： 微微 帶帶 巴巴 倫倫 的的 研研 究究 系（院）：系（院）：電電 子子 信信 息息 工工 程程 學院學院 姓姓 名：名： 王王 杰杰 專專 業(yè)業(yè)： ： 電 子 信 息 工 程 學學 號號 201110312214 年年級級 2011 級級指指導導教教師師 高山山高山山 職職稱稱 講師講師 二零一五年二零一五年 月月 日日微帶巴倫的研究專 業(yè)：電子信息工程 學 號：201110312214 學 生：王杰 指導教師：高山山 摘要：在天線領(lǐng)域中，巴倫可以實現(xiàn)某些天線饋電的不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換。隨著當今通訊技術(shù)的發(fā)展，通訊容量的不斷擴大，要求天線在更寬的頻帶內(nèi)工作，

2、因此，對巴倫的工作頻帶要求越來越寬。由于微帶巴倫具有易加工、可實現(xiàn)寬頻帶的特性，寬頻帶微帶巴倫的研究已經(jīng)成為當今的一個熱門課題。本文結(jié)合有限元(finite element method，F(xiàn)EM)算法的理論分析，研究并設(shè)計了一類寬頻帶微帶巴倫。介紹了巴倫的作用與原理，針對于微帶線巴倫列出了詳細計算阻抗的方法和公式，講解在較高頻率上如何設(shè)計微帶線巴倫并進行ADS 仿真。采用仿真的方法，對微帶巴倫進行了深入的研究，微帶線巴倫在幅度不同的范圍內(nèi)平衡輸出基本保持一致，在很大頻寬內(nèi)都保持 180正交相位，插入損耗約為 0.5dB。首次應(yīng)用接地共面波導(Copl anar Waveguide Ground

3、，CPWG)和耦合微帶線(Coupled Strip Line，CSL)設(shè)計了一種新型的寬頻帶微帶巴倫，該類型微帶巴倫可以在低相對介電常數(shù)的介質(zhì)板上制作，具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、制作簡單的特點。關(guān)鍵詞：微帶巴倫；微帶線；頻寬Microstrip balun researchDepartment：Electronic and Information Engineering Student Number：201110312214 Student：WangJie Supervisor：Gao Shan Shan In the antenna field, Barron can achieve som

4、e antenna feed unbalanced to balanced conversion. With todays communications technology, communication capacity continues to expand, requires an antenna in a wider band, therefore, become increasingly demanding Barrons operating band width. Because microstrip balun easy processing, wideband characte

5、ristics can be achieved, research broadband microstrip balun has become a hot topic. In this paper, FEM (finite element method, FEM) algorithm theory analysis, research and design a class broadband microstrip balun. Describes the role of the principle of Barron, Barron for microstrip line lists the

6、methods and formulas detailed calculations impedance at higher frequencies to explain how to design microstrip balun and ADS simulation. Using simulation method, the microstrip balun in-depth research, microstrip line balun different ranges within range balanced output remained the same, in a wide b

7、andwidth have maintained 180 quadrature phase, insertion loss is about is 0.5dB.The first application of ground coplanar waveguide (Copl anar Waveguide Ground, CPWG) and coupled microstrip line (Coupled Strip Line, CSL), a new type of broadband microstrip balun, the type microstrip balun can be low

8、relative permittivity in dielectric constant of the dielectric plate production, with a compact, low cost, making simple features.KeywordsKeywords: Microstrip balun; Microstrip line; Bandwidth目 錄第一章 緒論 .51.1 巴倫簡介 .51.2 背景與國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .61.3 工作原理與分類 .71.3.1 抑制法.71.3.2 高頻開路法 .71.3.3 U 型管對稱變換器.71.3.4 變壓器法 .

9、81.3.5 抵消法 .8第二章 巴倫的阻抗算法 .92.1 阻抗的基本理論 .92.2 微帶阻抗計算方法 .92.2.1 微帶接地共面波導阻抗計算 .102.2.2 保角變換法 .102.2.3 切比雪夫阻抗變換計算方法和原理 .11第三章 設(shè)計概述 .14第四章 設(shè)計原理及仿真 .154.1 設(shè)計原理及方法 .154.1.1 L-C 巴倫.154.1.2 傳輸線 .164.1.3 微帶線 .174.2 成果及仿真 .19第五章 結(jié)論 .24參考文獻 .26致 謝 .27第一章第一章 緒論緒論1.1 巴倫簡介 平衡器即Balancing Device，其主要作用是完成由單端傳輸（如：同軸線、

10、微帶線等）變換為差分傳輸（如：半波振子天線，推挽電路等）之間的變換，又稱為平衡-不平衡變換器即Balance-Unbalance，英文將其合并縮寫成一個新詞Balun，音譯為巴倫。巴倫是連接偶極天線和同軸電纜的器件，同軸電纜屬于非平衡傳輸線，偶極天線屬平衡型天線，直接將它們連接在一起的話，高頻電流就會流過電纜的外皮層，這樣就會出現(xiàn)問題。同軸電纜的外皮層是屬于屏蔽層，如果高頻電流從內(nèi)部流動到屏蔽層，就會影響天線的輻射，這就違反了同軸電纜的傳輸原理。為了能攻克這個使用中出現(xiàn)的問題和困難，所以，為了能夠切斷電纜內(nèi)部的高頻電流流入外層的屏蔽層，這就需要在天線與電纜之間加入平衡非平衡轉(zhuǎn)換器這個元件，也就

11、是說去除表皮屏蔽層的電流。所謂的截斷同軸電纜外層的高頻電流，不是說要完全截斷所有流向屏蔽外層的高頻電流，而我們要做的只是將電纜里面的電流與外層的屏蔽層隔斷。就好比有個水管子，水本來就應(yīng)該在水管里面流，如果沒有一個轉(zhuǎn)換平衡的接口轉(zhuǎn)換器，水就會流到管子外面，影響使用效率，造成大大的浪費。所以加入巴倫的作用就是防止水的跑、冒、滴、漏，迫使水都能在水管里流。天線需要巴倫來達到某些匹配。例如制作v天線的時候，必須要把天線架設(shè)的盡量的高，而且要在盡量開闊的地方假設(shè)，還要將其架設(shè)在離干擾源很遠的地方。平常的電源線就可以用作天線振子，無論是裸銅線還是帶絕緣層的對其影響都不大，如果要提高機械強度和提高輻射效率的

12、話可以選粗一點的線，為了可以使得實用的電纜和天線更加的匹配我們可以改變振子的長短。以上所說的特點，我們可以用來變換巴倫的阻抗，而且可以用來轉(zhuǎn)換一部分天線反饋電流的非平衡與平衡點。而到如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用在了微波技術(shù)的天線領(lǐng)域，在未來的發(fā)展中還需要很大的改善與提升，與此同時有巨大的發(fā)展空間。1.2 研究背景與國內(nèi)外現(xiàn)狀在天線領(lǐng)域，比如平面螺旋天線（sprialnaetmras），印刷偶極子天線（printeddipoleantennas），彎曲臂天線（sinuousantennas）和對稱偶極子天線等等。如果需要天線饋電的時候，不但要求阻抗匹配，而且要求饋電網(wǎng)絡(luò)有寬帶的帶寬。微帶傳輸線除了可以方便連

13、接微波集成電路，它還具有體積小，重量輕，頻帶比較寬，而且具備可以用它來構(gòu)成大部分的微波元器件等優(yōu)點，到現(xiàn)在已經(jīng)使用的非常廣泛了。隨著天線使用頻帶的逐漸變寬，我們對于巴倫頻帶寬度的研究已經(jīng)不能滿足實際使用的頻寬范圍了。而今隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，通信需求的日益增加，這就使得天線需要在很大的頻寬范圍內(nèi)工作，我們對于巴倫的使用性能要求和質(zhì)量要求都要求非常的高，所以要使得巴倫可以很好的使用在天線饋電網(wǎng)絡(luò)上還需要我們更加深入的開發(fā)和完善巴倫的技術(shù)。因為擁有超過一個微帶傳輸線的性能和能實現(xiàn)寬頻帶特性的微帶巴倫組成的微帶傳輸，它能夠有利于發(fā)揮使用中的最大工作效率，放大使用中的工作效率，所以寬帶微帶巴倫已經(jīng)成

14、了一個很火的研究方向。在國內(nèi)相當多的文獻中都對微帶巴倫進行了大量不同層次的研究，也同樣設(shè)計研發(fā)出了很多新型的不同結(jié)構(gòu)的微帶巴倫，有的還對以前的微帶巴倫進行了不同程度的應(yīng)用性改進。在最近的幾年中，隨著科技不斷進步與社會不斷的發(fā)展，越來越多的傳媒和社會行業(yè)來共同關(guān)注并研究微帶巴倫?，F(xiàn)在在國內(nèi)外已經(jīng)研發(fā)生產(chǎn)了各種獨特的新型結(jié)構(gòu)微帶巴倫，這些新研發(fā)的微帶巴倫在微波通信應(yīng)用中的城果得到了來自各個國家和個人的認可與好評。目前設(shè)計使用的巴倫應(yīng)用于不同的場合，而且使用的方法和理論依據(jù)有很大程度上的區(qū)別，在各自使用中都存在相應(yīng)的缺點和需要改進的地方。有的寬帶微帶巴倫，成功的使用了互補結(jié)構(gòu)的共面波導(Coplan

15、ar Waveguide, CPW)和共面帶狀線(Coplanar Strip Line, CPS)，可以完成50歐姆不平衡到80歐姆的平衡饋電轉(zhuǎn)換，而其工作頻帶屬于低頻范圍內(nèi)?？墒沁@種微帶巴倫還存在一些缺點：如果選擇相對介電常數(shù)為10.2的大介質(zhì)作為基板，這就會使得應(yīng)用成本變得非常高；而且這個設(shè)計還使用了相當復雜的扇形槽結(jié)構(gòu)，讓它的設(shè)計方案和設(shè)計方法變得非常的艱難與缺乏，使它的加工工藝和制作增加了很大的困難。因為需要確保被金屬導帶分割的兩個共面波導金屬接地面具有相同的電勢，所以采用導電橋的連接方式將兩個金屬地面連接，而這樣的連接方式會使得巴倫變得不是那么緊湊美觀，使用產(chǎn)生不利的影響。1.3

16、工作原理與分類為了達到使天線與電纜連接相匹配的目的，所以根據(jù)天線的工作原理，要在天線和同軸電纜之間加入平衡非平衡轉(zhuǎn)換器，以此來扼制流入屏蔽層的高頻電流，也就是說將從振子流過傳輸電纜外層屏蔽層的高頻電流截斷。達到這個目的有很多種方法，不同的方法根據(jù)不同的設(shè)計有不同的工作原理，其基本的工作方法有以下幾節(jié)的內(nèi)容。1.3.1 抑制法使用一個高頻扼流線圈連接到振子和傳輸電纜的外層屏蔽層，以此來阻止高頻電流從振子流向傳輸電纜外層屏蔽層，這種方法相對來說比較簡單，原理就是將傳輸電纜單獨繞十圈左右，或者是將其繞在磁環(huán)上面，這樣效果會更好，一般如果是頻率比較低就相對多繞幾圈，頻率比較高就少繞幾圈。1.3.2 高

17、頻開路法在傳輸線電纜的外層屏蔽層四分之一波長的地方連接與其相同波長的金屬套筒，因為四分之一波長開路線段對相應(yīng)的頻率被視為開路，所以可以達到截斷高頻電流的作用，這種方法工作的帶寬很窄，特別是當工作頻率很低時，需要的四分之一波長的套筒就顯得很長，因此這種方法適合在大功率高頻電路中使用。1.3.3 U 型管對稱變換器U型管對稱變換器擁有很主要的特點，那就是它的頻帶非常窄，除此之外其結(jié)構(gòu)簡單，成本很低，它由同軸電纜組成，還可以起到300到75的變換作用，因此我們將這種結(jié)構(gòu)的變換器應(yīng)用到電視轉(zhuǎn)換的接收裝置。變換器的結(jié)構(gòu)是同軸電纜線線芯的連接點與天線振子的右臂直接連在一起，再將同軸電纜線以這個點彎曲成U型

18、的半波波長的長度，并且將另外一個點和振子的左臂相連接，以此來達到同軸電纜有一個180度的相移，這兩個點相對于地面有相同的相位差但是相位方向相反。這個彎曲的設(shè)計不僅具備對稱變換的功能，而且還能具備阻抗變換的作用。如果天線輸入端接收到的輸入阻抗是300，則U型臂左右臂的輸入端和零點電位之間的阻抗是輸入阻抗的一半150。根據(jù)天線傳輸?shù)睦碚撛淼弥氩ㄩL電纜的輸入阻抗與負載阻抗相匹配時，也就是說U型管的輸入阻抗和電纜的負載阻抗值相等，那么它的等效值就是兩個純電阻相加。以此使得電纜的負載阻抗等于特性阻抗值75，達到更好的匹配。 1.3.4 變壓器法 對于高頻信號而言，使用高頻變壓器的轉(zhuǎn)換功能來實現(xiàn)平衡

19、非平衡的轉(zhuǎn)換，根據(jù)推挽輸出變壓器的原理，以此將雙向平衡輸入電流轉(zhuǎn)變成單向非平衡單向電流輸出。而這個方法對于變壓器沒有太嚴格的要求，不論是磁芯繞制還是空芯繞制而成都沒有關(guān)系，總之變壓器法適合在大功率的環(huán)境下使用。1.3.5 抵消法原理是使用一定的方法讓流入的電流大小相等但是方向相反，以此來形成相互抵消的效果。這種方法最常見的應(yīng)用是用磁環(huán)三線繞城的轉(zhuǎn)換器，但是會產(chǎn)生相對較寬的頻帶，而且在使用過程中會受到磁環(huán)磁飽和的限制，因此這個設(shè)計只能適合在低頻小功率的電路中使用。第二章第二章 巴倫的阻抗算法巴倫的阻抗算法2.1 阻抗的基本理論阻抗是電子元件在交變電路或直流電路中對電流起到阻礙作用，元件包括電阻、

20、電感和電容等。阻抗常用Z來表示，單位是在歐姆。在電路中電阻、電感和電容共同形成阻抗，不同的元器件阻值不是絕對的相加，而是相對計算后的疊加。在直流電路中，對電流的阻礙效應(yīng)稱為電阻，所有構(gòu)成電路的材料都會有一定的電阻，但所形成的電阻值大小卻不一樣，因為構(gòu)成電路的材料材質(zhì)不相同，它們具備不同的電阻率。電阻率很小的材料通常叫做導體，比如金屬金、銀、銅、鐵等：電阻率很大的材料物質(zhì)被稱為絕緣體，像木材和塑料等等；還有另外一種處在絕緣體和導體之間的材料其電阻值會隨著環(huán)境的變化而變化的叫做半導體。在交流電路中除了電阻會阻礙電流以外，還有電容和電感同樣也會阻礙交變電流的流動，只是它們阻礙電流的方式不一樣，他們形

21、成的阻礙作用稱為電抗，也分別叫做容抗和感抗。容抗和阻抗阻值的大小和交流電的頻率相關(guān)，容抗與頻率的變化成反比，頻率越高容抗越大，反之感抗與頻率的變化成正比，頻率越高感抗越小。而且，電容抗和電感抗的區(qū)別還在于相位角度，具有向量上的關(guān)系式，所以才有阻抗是電阻和電抗的矢量和之說。在一個特定的電路中，阻抗不是定值，而是隨頻率改變而變化的。如果將電阻、電容和電感串聯(lián)在電路中，這時電路形成的阻抗一般要高于電阻。相反，如果將電容和電感并聯(lián)在電路中，諧振阻抗會增加到最大值。2.2 微帶阻抗計算方法微帶線巴倫的設(shè)計，耦合微帶線和接地共面波導兩部分組成，耦合微帶線也就是所謂的平衡端口，而接地共面波導被稱作非平衡端口

22、。根據(jù)微帶線巴倫的結(jié)構(gòu)可分析出其中的一些主要的計算方法，計算方法主要有：接地共面波導阻抗的計算、耦合微帶線阻抗的計算和切比雪夫阻抗變換的計算，其中切比雪夫阻抗變換計算是在接地共面波導部分結(jié)構(gòu)中加入阻抗變換。2.2.1 微帶接地共面波導阻抗計算微波傳輸線是當今社會和研究機構(gòu)共同關(guān)注的話題，眾多的傳輸線的研究中共面波導與其變形結(jié)構(gòu)，這種有固定傳輸特點的新型傳輸線已經(jīng)成為了一個新的研究方向和熱點。在各種變換的計算方法中，經(jīng)過長時間的驗證和比較后，其中保角變化分析法最為合理和實用，此算法在TME波為主模的接地共面波導傳輸中使用便捷，切合實際環(huán)境，而且此算法的表達式最大程度的化簡了以往復雜的計算。但是，

23、保角變換公式分析法也是存在著自身的使用限制。嚴格來說，此計算方法理論上能達到的準確程度只能在零頻率的推導中才能得到實現(xiàn)。在實際的微波集成電路里面，因為材質(zhì)基板和布線尺寸都很小，所以傳輸參數(shù)和頻率的關(guān)系在這種特殊的環(huán)境中可以忽略不計，即便在很高頻率的條件下，也可以認為頻率為零，它們二者毫無關(guān)聯(lián)，所以說這種情況下還是可以用保角變換分析法來計算阻抗的。特別是在共面波導中變形結(jié)構(gòu)的研究上，保角變化的靜態(tài)分析法具備非常強的優(yōu)越性和重要性。因此，在大部分有關(guān)于接地共面波導阻抗的計算中都采用保角變換法來計算內(nèi)容。最突出的是在介質(zhì)基片上接地共面波導能在一邊產(chǎn)生中心導體帶，作用是巨大提高了傳輸線的有效傳輸效率，

24、這個相比于傳統(tǒng)的微帶傳輸線來說，共面波導擁有更多強大獨特的優(yōu)勢。除了這個功能外，它還在緊靠中心導體的側(cè)面產(chǎn)生地面層可以降低與地面間的寄生電感，與此同時還會在介質(zhì)基片的另一邊產(chǎn)生金屬層，可以非常有效的降低傳輸過程中產(chǎn)生的輻射。共面波導除了制造難度小，各種元器件在使用安裝起來很方便等特點外，而且它在很多方面具備非常巨大的重要優(yōu)勢。隨著這個新型傳輸線的廣泛應(yīng)用，使得更多的人來關(guān)注了解研究，使其成為發(fā)展?jié)摿薮蟮男屡d科技。2.2.2 保角變換法采用保角變換的方法來計算接地共面波導的阻抗，具體的計算阻抗公式如下： 0121260( )()()()effZK kK kK kK k （2.1） 上式子中1(

25、 )K k稱作第一類完全橢圓積分，1k為模數(shù)，1k為余模數(shù)，即2111kk，而1()K k稱作余模數(shù)的第一類完全橢圓積分，又稱1()K k是第一類余橢圓積分。在實際應(yīng)用中此式利用的是橢圓函數(shù)微積分的問題，這里又不方便推導，所以它的實際應(yīng)用不是很方便，這里只作為介紹在這里引用下。上式中的等效介電常數(shù)eff的值為： 221212()/()1(1)( )()()()effrK kK kK kK kK kK k （2.2） 其中r為介質(zhì)板的相對介電常數(shù)值。計算微帶耦合微帶線阻抗：在無源和有源的微波集成電路中，特別是在定向耦合器，濾波器和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中耦合微帶線有著非常廣泛的應(yīng)用。其中有一種相互耦合的微

26、帶線具有相同的大小，相同的地面材料和導體帶，以及具有相同的介質(zhì)填充，這種微帶線稱之為對稱耦合微帶線。耦合微帶線由部分介質(zhì)組成的具有分散特點的混合模式組成的不均勻系統(tǒng)。TME模式是耦合微帶線的傳輸模式，最常用的計算分析方法是準靜態(tài)分析法，但是其分析算法也是越來越復雜。由于存在兩種電磁耦合的狀態(tài)，即奇數(shù)模式耦合與耦合模式，在耦合線的雙單線激勵（即奇數(shù)模式激發(fā)和激勵模式激發(fā)）的同時，就會導致耦合線將出現(xiàn)兩種不同的傳輸模式，即奇模波和偶模波。 2.2.3 切比雪夫阻抗變換計算方法和原理 由于連接兩節(jié)傳輸線的特性阻抗不同，或者是傳輸線的特性阻抗與負載阻抗不相等，所以就會產(chǎn)生兩個阻抗不匹配的反射，最后嚴重

27、時就會導致傳輸效率低下和傳輸容量降低，從而導致負載不能獲得最大的電力負荷。因此要避免這種對使用過程中有害的反射現(xiàn)象，就要在傳輸線與負載之間加一個阻抗變換器，來幫組兩個阻抗更好的相匹配。在微帶線電路中，最常見的阻抗變換器的形式有：1）漸變線對不同的阻抗來說，傳輸線的特性阻抗值會在兩個阻抗值之間逐漸轉(zhuǎn)變。這樣既可以提高寬帶又可以使變換器的尺寸不會變得太大，從而可以將連接區(qū)域的反射系數(shù)控制在所接受的范圍里面。2）/4式變阻器已廣泛應(yīng)用于電磁微波技術(shù)和微帶電路中。利用多段變阻器來控制寬帶變阻。使用最緊湊的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，在實際中，還采用了綜合設(shè)計的方法，它屬于窄帶阻抗變壓器。3）短節(jié)變阻器型顧名思義

28、這種短節(jié)變阻器的每節(jié)的長度都特別的短，基本上只有/32或/16長。嚴格定義來說，短節(jié)變阻器是由L、C集總參數(shù)變阻電路改變而來。和/4多節(jié)變阻器比較，大大改善和提高了這種變阻器的功能，相比于同樣長度的變阻器，這種結(jié)構(gòu)的特性有著明顯的優(yōu)勢與提高。在實際應(yīng)用中它結(jié)構(gòu)外觀看起來緊湊簡單，廣泛應(yīng)用于微波電路中。綜上所述：切比雪夫阻抗變換器是一種較短的變阻器，切比雪夫阻抗變換器的設(shè)計方法又稱之為“優(yōu)化方法”，因為它具備其它阻抗變換器所沒有的優(yōu)點與特點。在給定相同的工作頻段和允許的最大反射模式的前提條件下，切比雪夫阻抗變換器它在過渡期段的總長度是最短的，也就是說要有著最寬的工作頻帶，就要具備最大的反射系數(shù)和

29、總長度。在設(shè)計這種轉(zhuǎn)換器時，轉(zhuǎn)換器的總反射系數(shù)的模在通帶內(nèi)按一定的規(guī)律在變化，這種有規(guī)律的變化符合n階第一類切比函數(shù)規(guī)律，所以又稱之為切比雪夫阻抗變換器。具體的函數(shù)規(guī)律變換不做詳細推理，在這里，只作一個簡單的了解性的介紹。 在微帶線電路的運作過程中所損失的能量統(tǒng)一稱之為插入損耗，其中導體的損耗，介質(zhì)的損耗和輻射的損耗三個部分共同組成微帶線電路的損耗。所謂的介質(zhì)損耗是因為微波基板中大分子碰撞交替極化和互相摩擦引起的熱損失而造成的，簡單來說就是因為漏電造成的損耗。在整個電路中最主要的損耗是導體的損耗，一方面是由于接地面和導體帶中的有限電導率造成的能量損失，另一方面的損耗是因為電阻的耐磨損耗而造成的

30、。介電損耗和導體的損耗共同構(gòu)成輻射損耗，它是由帶兩邊的半開放的地區(qū)對電磁波的輻射而產(chǎn)生的。綜合各個方面的原因與因素，結(jié)合以上所講的幾種損耗，總結(jié)出了幾個影響微帶線損耗的主要因素：1）電導率。導體材料都有自身的電導率，其電導率與損耗成反比關(guān)系，即隨著導體材料的導電性增加微帶線的損耗減小，反之損耗增大。2）工作頻率。這里所說的工作頻率是微帶線的工作頻率，工作頻率與損耗成正比，隨著微帶線頻率的增大其損耗也越大，反之頻率越低損耗越小。3）導體表面光潔度。要增加電流流動的有效途徑，不僅僅是可以利用正常電流的流動，也包含了沒有被利用而損耗的電流流動，要達到最大程度的有效電流，就要使得導體表面的粗糙程度大于

31、或等于這個導體的投入深度。導體的表面越粗糙其損耗就會越大，所以說微帶線的損耗會隨著導體表面光潔度的改變會發(fā)生重大的影響。綜合巴倫實際的應(yīng)用和設(shè)計的理論，可以看出，想要在使用中獲得更高的工作效率，就要選擇相對介電常數(shù)比較大的，單片基板的厚度保持相對不變，選擇電阻率高的導體材料，介電強度高的材料，且導熱系數(shù)也應(yīng)該比較大，最重要的是在需要的頻率和溫度范圍內(nèi)要有一個不變的介電常數(shù)，即一個常數(shù)。理想的基片材料就是要滿足以上所有特點和要求，這樣特別是在微博集成電路中，可以利用這種理想的基片材料做出更合理論的研究推論以及更加先進準確的工程開發(fā)設(shè)計。所以說我們通常選擇相對介電常數(shù)遠遠大于1的介質(zhì)材料基板，這樣

32、就可以設(shè)計出性能更強的介質(zhì)基板，而且使其具有讓幾乎所有的高頻能量集中在金屬帶與絕緣材料內(nèi)的作用與特性，可以在很多實際工程應(yīng)用中得到應(yīng)用。第三章第三章 設(shè)計概述設(shè)計概述在常用的設(shè)計電路中，比如混頻器設(shè)計電路，push-pull放大器設(shè)計電路等，平衡傳輸電路和不平衡傳輸電路常用巴倫連接。在巴倫設(shè)計要求存在最小的插入損耗，輸出輸入端具有相等平衡的阻抗和要有精準的180相移。在功率放大電路中存在的對稱插損會降低電路的工作效率，除此之外，還村在寄生震蕩，要消除這個震蕩，在對稱平衡端口必須和接地之間有很好的隔離。要想產(chǎn)生180相移，在巴倫的設(shè)計中其基本結(jié)構(gòu)要包含兩條90相移線，這就要用到/4 和/2的繞線

33、?？梢杂美@線變壓器來替做一個優(yōu)秀的巴倫。在市場上各種頻率的小型繞線變壓器都可以用來作為巴倫。 在實際的混頻器電路設(shè)計中通常使用印刷巴倫或者集總器件巴倫這兩種，但是這兩種巴倫相對于繞線變壓器來說成本要高出不少。值得注意的是在混頻器電路設(shè)計中，要考慮大多數(shù)集總器件和印刷巴倫沒有中心引線地這種情況。LC巴倫電路中由于電感和電容的寄生效應(yīng)，在工作頻率很高的情況下，一般大于1GHz，和自諧震蕩頻率的影響，巴倫的工作性能將變得很差，但是在高頻環(huán)境中，通常用微帶線設(shè)計的巴倫，它的使用性能，和尺寸大小都比較理想，因此本文講解在較高頻率上如何設(shè)計微帶線巴倫并進行ADS仿真。第四章第四章 設(shè)計原理及仿真設(shè)計原理及

34、仿真4.1 設(shè)計原理及方法4.1.1 L-C 巴倫根據(jù)電橋的原理設(shè)計了LC巴倫電路，而LC電路又稱之為“格子形式”的巴倫電路。為了能在電路中產(chǎn)生 90相移，所以在電路中加入兩個電容和兩個電感。LC巴倫電路原理圖如下面圖4.1所示。圖4.1 LC集總器件巴倫電路原理圖在工作頻率時，滿足； （4.1）； （4.2）因為電路中電容電感自身存在著自身諧振頻率，特別是使用貼片電容時要慎重考慮，所以LC巴倫電路工作頻率要遠遠低于電容電感的自身諧振頻率。上圖所示的電路中是將推挽放大器的輸出端的平衡信號轉(zhuǎn)換成所希望的不平衡信號輸出。除以上的工作電路外通常還使用螺旋繞線形式的巴倫，其電路原理圖在圖4.2中給出。

35、圖4.2 推挽電路巴倫輸出平衡與不平衡的轉(zhuǎn)換然而，用之前表述的集總器件巴倫實現(xiàn)芯片級的繞線巴倫更為方便，如圖4.3所示。圖4.3 利用集總器件代替繞線變壓器實現(xiàn)平衡轉(zhuǎn)換4.1.2 傳輸線巴倫的傳輸可以通過/4傳輸線實現(xiàn)或者同軸線可以實現(xiàn)。其中同軸傳輸線如圖4.4所示。（a）1:1同軸巴倫圖4.4 四分之一波長同軸線實現(xiàn)的同軸巴倫，1:1阻抗傳輸 如有需要我們可以使用如圖4.5中所示的U型傳輸線，來將阻抗變換為1:4。（b）1:4同軸巴倫圖4.5 四分之一波長實現(xiàn)的同軸巴倫，實現(xiàn)1:4阻抗變換4.1.3 微帶線在現(xiàn)代應(yīng)用科技中所有器件電路都模塊化，使得體積越來越小，因此，產(chǎn)生了微帶印刷巴倫，這種

36、微帶印刷巴倫具有相當多的設(shè)計形式，最重要的特點是價格低廉，他可以通過設(shè)計將其印刷在pcb板上或者集成微波電路的介質(zhì)板上。當功能電路工作在頻率相當?shù)偷沫h(huán)境中時，微帶巴倫尺寸相當大。耦合線巴倫是最簡單的印刷式巴倫，通常我們也稱之為平行線巴倫，其原理如圖4.6所示。為了能提供足夠高的微帶線之間的耦合，通常用帶寬可以達到1倍頻率的中心頻率的四分之一波長微帶線構(gòu)成。而在實際應(yīng)用電路中單邊耦合巴倫并不常用。圖4.6 單一耦合線巴倫圖4.7 多線耦合巴倫在實際電路中往往用的更多的是多耦合微帶線巴倫，其原理圖如圖4.7所示。或者使用多層介質(zhì)板的寬帶耦合拓撲結(jié)構(gòu)，其作用原理如圖4.8所示，而其中的寬帶巴倫又時常

37、涉及到平面巴倫。圖4.8 寬帶耦合結(jié)構(gòu)耦合線巴倫Marchand巴倫是一種改進的平行雙線巴倫，這種巴倫根據(jù)同軸巴倫改進而來，1944由Nathan Marchand提出。下面給出最簡單的印刷形式的Marchand巴倫，如圖4.9所示。圖4.9 印刷Marchand 巴倫通過綜上所述，LC型的巴倫我們可以用微帶線技術(shù)來實現(xiàn)，其中電路中的電感和電容元件都可以用微帶線來替代將其印刷在板子上，具體設(shè)計原理如圖4.10所示。圖4.10 等效LC巴倫的微帶線電路4.2 成果及仿真微帶巴倫的結(jié)果如圖4.11所示： 圖 4.11如圖所示，模擬實際通信微波傳輸，其中微帶線A的長度為0.5個波長，微帶線B的長度為

38、0.25個波長，這里所說的波長為實際電路板上所發(fā)出的信號波長，因此在進行仿真的時候要慎重考慮電路所使用基板的介電常數(shù)。 理論上分析，巴倫的信號傳輸性能與微帶線的節(jié)數(shù)有關(guān)，其節(jié)數(shù)越多它的頻寬越寬，然而當增加的節(jié)數(shù)越多微帶線的尺寸也越長，如上圖所示為4節(jié)微帶線巴倫。下面分別用ADS對一節(jié)，兩節(jié)，三節(jié)微帶線巴倫進行仿真。一節(jié)微帶線巴倫如圖4.12： 圖4.12仿真結(jié)果如圖4.13： 圖4.13仿真結(jié)果可見相位在很大頻寬內(nèi)都保持180正交，幅度在100MHz范圍內(nèi)基本兩路平衡輸出保持一致，插損在0.5dB左右。 二節(jié)微帶線巴倫如圖4.14： 圖4.14仿真結(jié)果如圖4.15： 圖4.15仿真結(jié)果可見相位

39、在很大頻寬內(nèi)都保持180正交，幅度在200MHz范圍內(nèi)基本兩路平衡輸出保持一致，插損在0.5dB左右。三節(jié)微帶線巴倫如圖4.16： 圖4.16仿真結(jié)果如圖4.17： 圖4.17 仿真結(jié)果可見相位在很大頻寬內(nèi)都保持180正交，幅度在400MHz范圍內(nèi)基本兩路平衡輸出保持一致，插損在0.5dB左右。通過仿真發(fā)現(xiàn)巴倫節(jié)數(shù)越高，幅度平衡帶寬越大，不過節(jié)數(shù)對插損基本影響不大。 第五章第五章 結(jié)論結(jié)論現(xiàn)代科技的發(fā)展，巴倫技術(shù)在無線電傳輸?shù)阮I(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛，由于其結(jié)構(gòu)的多樣性，多變性和相互組合的特性，使得很多不懂的巴倫的人在自制巴倫的時候無從下手，到底什么樣的電路適合那種巴倫，到底如何組合巴倫才能使電路

40、性能更加優(yōu)化，如何選擇材料才能使得阻抗最小傳輸效率最大化，怎么樣來設(shè)計制作參數(shù)來計算巴倫的工作性能？對于非專業(yè)性的愛好者和實用者來說，我們就是要在天線反饋電路和傳輸線路，以及高頻功放電路中完成平衡與非平衡之間的轉(zhuǎn)換及阻抗的變換作用，讓其工作在特定的頻率環(huán)境中，簡單取材做出來就成功了。通過巴倫的知識可了解到為了使它取材方便，制作容易，并且性能好，我們認為一般的傳輸線結(jié)構(gòu)的巴倫，更適合短波通信，由于很多人對其理論理解的不夠透徹，很多朋友將巴倫搞成磁耦合變壓器結(jié)構(gòu)，如此就會出現(xiàn)頻帶窄，功率容量小和駐波不平坦的問題，從而起不到平衡轉(zhuǎn)換的效果。我們知道巴倫作為平衡與非平衡的傳輸線轉(zhuǎn)化器，那么傳輸線平衡端

41、出現(xiàn)的不平衡的分量，就是來衡量平衡變換器的一個重要指標，這個轉(zhuǎn)換的不平衡的分量我們可以用模擬電路中的共模信號和差模信號來表述不平衡信號和平衡信號，也就就是說，可以用共模抑制比來表述這個指標了。但是這種方法他受到阻抗變換比例的影響，同樣共模電感量也是影響它的關(guān)鍵。在現(xiàn)在新型的微帶巴倫的設(shè)計中，為了最大程度的節(jié)約成本，使用了介電常數(shù)相對小的介質(zhì)板，從自身的材料特點在設(shè)計中發(fā)揮其最大的特效。在以往的設(shè)計方法中都是選擇了相對介電常數(shù)較大的介質(zhì)板，按照共面波導和共面?zhèn)鬏斁€的方法設(shè)計，不僅在成本上增加了，而且增加了平衡輸出的阻抗，這種方法在實際工程中需要共面顯得距離非常的小，這就會直接增加設(shè)計實施的難度。因此我們選擇合適的微帶巴倫進行仿真可以更加準確說明其問題與優(yōu)點。因為測試條件和儀器本身的限制，其振幅和相位的值都是沒有測試的，都是在理想的情況下通過理論計算得到的。所以，這種理論的結(jié)果只是給與我們方向性的知道與對比于實際情況的一個參照，在實際的設(shè)計工程里，是會有一定的誤差的。仿真過程中LC型巴倫由于電感電容的自身寄生效應(yīng)和自諧震蕩頻率的影響在較高頻