CN105244582A

CN105244582A - 一种基于微带线—槽线结构的宽带巴伦

Info

Publication number: CN105244582A
Application number: CN201510731494.5A
Authority: CN
Inventors: 马卉; 黄烽; 刘琳; 李昱燃; 王建朋
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2016-01-13

Abstract

本发明公开了一种基于微带线—槽线结构的宽带巴伦，包括介质基板上表面设置的输入端微带线导带、两个输出端微带线导带，介质基板下表面设置两段U型槽线、金属接地板；所述输入端微带线导带与两段U型槽线中间部分呈垂直立体交叉结构，与内侧槽线呈平行结构；两个输出端微带线导带分别置于输入端微带线导带的两侧，二者均由介质基板边缘开始向输入端微带线导带延伸且末端折叠呈L型；两个输出端微带线导带的折叠部分均与U型槽线的外侧槽线平行，且两侧的输出端微带线导带关于输入端微带线导带的中点呈中心对称分布。本发明具有结构紧凑、插入损耗小、匹配特性好等优点，便于无线通信向宽带、小型化发展。

Description

一种基于微带线—槽线结构的宽带巴伦

技术领域

本发明涉及微波无源器件技术领域，特别是一种基于新型互联结构的宽带巴伦。

背景技术

巴伦即平衡非平衡转换器，能够实现功率的等幅反相分配以及阻抗匹配功能。其应用领域非常广泛，比如在天线领域中，对于差分天线而言，就需要一个巴伦将不平衡信号转换为平衡信号来为其馈电。目前微波集成电路中最常见的信号传输线是微带线，传输的是非平衡信号，而共面波导和共面带状线都是单面传输线，具有尺寸小，易于集成，便于与微带结构实现宽带互联结构等特点。基于这一背景，我们采用微带线—槽线结构实现了一种低损耗、小型化、较好阻抗匹配的宽带巴伦。

已有文献报道了宽带巴伦的结构：

文献1(ZhanXu,andLeonardMacEachern,OptimumDesignofWidebandCompensatedandUncompensatedMarchandBalunsWithStepTransformers,IEEETransactiononMicrowaveTheoryTech.,2009,57,(8)：2064-2071)中利用Marchand巴伦的等效电路，通过分析其链式散射矩阵，级联多阶阶梯阻抗，从而设计出通带内等波纹的宽带巴伦，但是该巴伦的尺寸较大，并且插入损耗较大。

文献2(PengWu,YongZhang,Yu-LiangDong,andQinZhang,AnovelKa-bandplanarbalunusingmicrostrip-CPS-microstriptransition,IEEEMicrowaveWirelessCompon.Lett.,2011,21,(3):136-138)中利用两个对称的微带线-共面带状线的互联结构实现了宽带的巴伦，但巴伦的尺寸比较大且结构比较复杂。

文献3(JinShao,RongguoZhou,ChangChen,Xiao-HuaWang,HyoungsooKim,andHualiangZhang,Designofawidebandbalunusingparallelstrips,IEEEMicrowaveWirelessCompon.Lett.,2013,23,(3):125-127)中利用相位变换器实现了宽带的巴伦，有较好的端口匹配特性，但是巴伦的尺寸较大。

综上所述，现有技术中的宽带巴伦是基于传统的Marchand巴伦采用级联的方式来设计的，阻抗匹配不容易做到很好，并且其尺寸较大、结构复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型化、电路结构紧凑、插入损耗小、具有良好输出端口匹配特性的基于微带线—槽线结构的宽带巴伦。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于微带线—槽线结构的宽带巴伦，包括输入馈线、第一输出馈线和第二输出馈线，上述三个微带单元位于介质基板的上表面，金属接地板位于介质基板的下表面；其中介质基板为矩形，输入馈线的输入端位于矩形介质基板的宽边上，第一输出馈线和第二输出馈线分别位于矩形介质基板的两个长边上，且均由介质基板边缘开始向输入端微带线导带延伸且末端折叠呈L型；

输入馈线包括50欧姆微带线导带和二分之一波长传输线，其中二分之一波长传输线与介质基板的长边平行且位于矩形介质基板的中心线上；第一输出馈线包括50欧姆微带线导带和第一四分之一波长传输线，其中第一四分之一波长传输线的末端垂直指向矩形介质基板的一个宽边，该宽边设置有50欧姆微带线导带的输入端；第二输出馈线包括50欧姆微带线导带和第二四分之一波长传输线，其中第二四分之一波长传输线的末端垂直指向矩形介质基板的另一条宽边；

金属接地板上开有第一U型槽线和第二U型槽线，上述两个U型槽线结构相同，其中第一U型槽线的开口方向与第二四分之一波长传输线的末端指向相同，第二U型槽线的开口方向与第一U型槽线的开口方向相反，第一U型槽线包括依次连接的第一外侧槽线、第一中间槽线和第二外侧槽线，第一中间槽线与两个外侧槽线垂直；第二U型槽线包括依次连接的第三外侧槽线、第二中间槽线和第四外侧槽线，第二中间槽线与两个外侧槽线垂直；上述四个外侧槽线均与介质基板的长边平行；

第一四分之一波长传输线在金属接地板的投影与第三外侧槽线的内侧相切，二分之一波长传输线在金属接地板的投影与第四外侧槽线内侧相切，二分之一波长传输线在金属接地板的投影同时与第二外侧槽线的内侧相切，第二四分之一波长传输线与第一外侧槽线内侧相切。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1）本发明的基于微带线—槽线结构的宽带巴伦结构简单，可在单片PCB板上实现，便与加工，生产成本低；（2）能够实现功率的等幅反相分配和阻抗匹配功能，因此在差分天线等射频元件馈电时就无需再使用阻抗匹配段；（3）本发明的基于微带线—槽线结构的宽带巴伦具有尺寸小、工作频带宽（从4.8GHz至8.2GHz）、插入损耗小、两输出端口具有优异幅度及相位平衡特性等优点。

附图说明

图1是本发明基于微带线—槽线结构的宽带巴伦的结构示意图。

图2是本发明基于微带线—槽线结构的宽带巴伦的结构侧视图。

图3是本发明基于微带线—槽线结构的宽带巴伦的实施例的结构尺寸示意图。

图4是本发明实施例中S参数仿真图。

图5是本发明实施例中两个输出端口幅度差和相位差的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行清楚、完整地描述。

结合图1~2，本发明的一种基于微带线—槽线结构的宽带巴伦，包括输入馈线1、第一输出馈线2和第二输出馈线3，上述三个微带单元位于介质基板7的上表面，金属接地板6位于介质基板7的下表面；其中介质基板7为矩形，输入馈线1的输入端位于矩形介质基板7的宽边上，第一输出馈线2和第二输出馈线3分别位于矩形介质基板7的两个长边上，且均由介质基板7边缘开始向输入端微带线导带1延伸且末端折叠呈L型；

输入馈线1包括50欧姆微带线导带11和二分之一波长传输线12，其中二分之一波长传输线12与介质基板7的长边平行且位于矩形介质基板7的中心线上；第一输出馈线2包括50欧姆微带线导带21和第一四分之一波长传输线22，其中第一四分之一波长传输线22的末端垂直指向矩形介质基板7的一个宽边，该宽边设置有50欧姆微带线导带11的输入端；第二输出馈线3包括50欧姆微带线导带31和第二四分之一波长传输线32，其中第二四分之一波长传输线32的末端垂直指向矩形介质基板7的另一条宽边；

金属接地板6上开有第一U型槽线4和第二U型槽线5，上述两个U型槽线结构相同，其中第一U型槽线4的开口方向与第二四分之一波长传输线32的末端指向相同，第二U型槽线5的开口方向与第一U型槽线4的开口方向相反，第一U型槽线4包括依次连接的第一外侧槽线41、第一中间槽线42和第二外侧槽线43，第一中间槽线42与两个外侧槽线垂直；第二U型槽线5包括依次连接的第三外侧槽线51、第二中间槽线52和第四外侧槽线53，第二中间槽线52与两个外侧槽线垂直；上述四个外侧槽线均与介质基板7的长边平行；

第一四分之一波长传输线22在金属接地板6的投影与第三外侧槽线51的内侧相切，二分之一波长传输线12在金属接地板6的投影与第四外侧槽线53内侧相切，二分之一波长传输线12在金属接地板6的投影同时与第二外侧槽线43的内侧相切，第二四分之一波长传输线32与第一外侧槽线41内侧相切。

所述50欧姆微带线导带21和第一四分之一波长传输线22之间的弯折角度为90度，50欧姆微带线导带31和第二四分之一波长传输线32之间的弯折角度为90度。

所述介质基板7的相对介电常数为3.55，厚度为0.508mm。

所述介质基板7的尺寸为A×B=24.3×22.8mm²，在介质基板7的正面所蚀刻的50欧姆微带线导带11、50欧姆微带线导带21和50欧姆微带线导带31的宽度与长度均为W=1.18mm，L=4mm；二分之一波长传输线12的宽度与长度为W ₁=0.8mm，L ₁=16.6mm，第一四分之一波长传输线22和第二四分之一波长传输线32的宽度与长度均为W ₂=0.3mm，L ₂=8mm；第一U型槽线4和第二U型槽线5的外侧槽线宽度与长度均为W ₃=0.1mm，L ₂=8mm，其中间部分槽线宽度与长度均为W ₄=0.2mm，L ₃=8mm，两个U型槽中间部分槽线的间距W ₅=0.2mm。

所述基于微带—槽线结构的宽带巴伦，工作原理如下：输入端50欧姆微带线导带11作为电磁波信号馈入源，输出端50欧姆微带线导带21和50欧姆微带线导带31分别与金属接地板7组成输出端微带线作为电磁波信号输出。二分之一波长传输线12与第一中间槽线42和第二中间槽线52垂直，与第二外侧槽线43和第四外侧槽线53平行，形成第一过渡互联结构；输出端50欧姆微带线导带21和50欧姆微带线导带31分别与第三外侧槽线51和第一外侧槽线41垂直，第一四分之一波长传输线22和第二四分之一波长传输线32分别与第三外侧槽线51和第一外侧槽线41平行，形成第二过渡互联结构。当信号通过上述两个过渡互联结构后最终实现相位的反相，从而实现超宽带的巴伦特性。

结合图1、图2，介质基板7在图中为浅灰色阴影填充，输入馈线1、第一输出馈线2和第二输出馈线3在图1中为深灰色阴影填充，位于介质基板7的正面。金属接地板6在图2中为深灰色线条表示，位于介质基板7的背面，U型槽线4和5蚀刻于金属接地板6上，关于输入馈线1的中心点呈中心对称分布。

实施例1

本实施例中基于微带线—槽线结构的宽带巴伦的结构尺寸如图3所示，所述介质基板7的尺寸为A×B=24.3×22.8mm²，在介质基板7的正面所蚀刻的50欧姆微带线导带11、50欧姆微带线导带21和50欧姆微带线导带31的宽度与长度均为W=1.18mm，L=4mm；二分之一波长传输线12的宽度与长度为W ₁=0.8mm，L ₁=16.6mm，第一四分之一波长传输线22和第二四分之一波长传输线32的宽度与长度均为W ₂=0.3mm，L ₂=8mm；第一U型槽线4和第二U型槽线5的外侧槽线宽度与长度均为W ₃=0.1mm，L ₂=8mm，其中间部分槽线宽度与长度均为W ₄=0.2mm，L ₃=8mm，两个U型槽中间部分槽线的间距W ₅=0.2mm。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，可将介质基板7的相对介电常数设定为其他值，可将输入馈线1、第一输出馈线2和第二输出馈线3得尺寸设定为其他值，可将U型槽线4和5的尺寸设定为其他数值，这些改进也将视为本发明的保护范围。

在制造上，通过印制电路板制造工艺对电路基板正面电路及背面的电路加工形成所需的金属图案。本实例宽带巴伦是在电磁仿真软件HFSS.13中建模仿真的。

结合图4，本实施例基于微带线—槽线结构的宽带巴伦的回波损耗示意图。从图中可以看出，巴伦的S参数在4.8-8.2GHz的范围内是小于-10dB的，具有宽带的特点。

结合图5，本实施例基于微带线—槽线结构的宽带巴伦的两个平衡输出端口幅度差和相位差示意图，从图中可以看出，该实例巴伦的两个平衡输出端口幅度差在0.4dB以内，两个平衡输出端口相位差在±2.5度以内。

综上所述，本发明基于新型微带线—槽线结构的宽带巴伦，利用两种不同类型的宽带互联结构实现了宽带巴伦，该宽带具有小型化、低插损、较好阻抗匹配特性等优点。

Claims

1.一种基于微带线—槽线结构的宽带巴伦，其特征在于，包括输入馈线（1）、第一输出馈线（2）和第二输出馈线（3），上述三个微带单元位于介质基板（7）的上表面，金属接地板（6）位于介质基板（7）的下表面；其中介质基板（7）为矩形，输入馈线（1）的输入端位于矩形介质基板（7）的宽边上，第一输出馈线（2）和第二输出馈线（3）分别位于矩形介质基板（7）的两个长边上，且均由介质基板（7）边缘开始向输入端微带线导带（1）延伸且末端折叠呈L型；

输入馈线（1）包括50欧姆微带线导带（11）和二分之一波长传输线（12），其中二分之一波长传输线（12）与介质基板（7）的长边平行且位于矩形介质基板（7）的中心线上；第一输出馈线（2）包括50欧姆微带线导带（21）和第一四分之一波长传输线（22），其中第一四分之一波长传输线（22）的末端垂直指向矩形介质基板（7）的一个宽边，该宽边设置有50欧姆微带线导带（11）的输入端；第二输出馈线（3）包括50欧姆微带线导带（31）和第二四分之一波长传输线（32），其中第二四分之一波长传输线（32）的末端垂直指向矩形介质基板（7）的另一条宽边；

金属接地板（6）上开有第一U型槽线（4）和第二U型槽线（5），上述两个U型槽线结构相同，其中第一U型槽线（4）的开口方向与第二四分之一波长传输线（32）的末端指向相同，第二U型槽线（5）的开口方向与第一U型槽线（4）的开口方向相反，第一U型槽线（4）包括依次连接的第一外侧槽线（41）、第一中间槽线（42）和第二外侧槽线（43），第一中间槽线（42）与两个外侧槽线垂直；第二U型槽线（5）包括依次连接的第三外侧槽线（51）、第二中间槽线（52）和第四外侧槽线（53），第二中间槽线（52）与两个外侧槽线垂直；上述四个外侧槽线均与介质基板（7）的长边平行；

第一四分之一波长传输线（22）在金属接地板（6）的投影与第三外侧槽线（51）的内侧相切，二分之一波长传输线（12）在金属接地板（6）的投影与第四外侧槽线（53）内侧相切，二分之一波长传输线（12）在金属接地板（6）的投影同时与第二外侧槽线（43）的内侧相切，第二四分之一波长传输线（32）与第一外侧槽线（41）内侧相切。

2.根据权利要求1所述的基于微带线—槽线结构的宽带巴伦，其特征在于，50欧姆微带线导带（21）和第一四分之一波长传输线（22）之间的弯折角度为90度，50欧姆微带线导带（31）和第二四分之一波长传输线（32）之间的弯折角度为90度。

3.根据权利要求1所述的基于微带线—槽线结构的宽带巴伦，其特征在于，所述介质基板（7）的相对介电常数为3.55，厚度为0.508mm。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于微带线—槽线结构的宽带巴伦，其特征在于，介质基板（7）的尺寸为A×B=24.3×22.8mm²，在介质基板（7）的正面所蚀刻的50欧姆微带线导带（11）、50欧姆微带线导带（21）和50欧姆微带线导带（31）的宽度与长度均为W=1.18mm，L=4mm；二分之一波长传输线（12）的宽度与长度为W ₁=0.8mm，L ₁=16.6mm，第一四分之一波长传输线（22）和第二四分之一波长传输线（32）的宽度与长度均为W ₂=0.3mm，L ₂=8mm；第一U型槽线（4）和第二U型槽线（5）的外侧槽线宽度与长度均为W ₃=0.1mm，L ₂=8mm，其中间部分槽线宽度与长度均为W ₄=0.2mm，L ₃=8mm，两个U型槽中间部分槽线的间距W ₅=0.2mm。