CN105938931A - 一种平衡不平衡转换器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平衡不平衡转换器，包括同心结构共面波导功分器，所述功分器采用两级级联形式，通过两个同心结构、以Rogers 4350B为基材的共面波导级联而成，每个同心结构从里向外依次由内环轨线、中心轨线和外环轨线组成，内环轨线与外环轨线电连接。用本发明的平衡不平衡转换器，可用的带宽较宽，并且易于测量全部的S参数，同时在较宽的频带范围内不仅有较好的端口隔离特性，还有较理想的相位特性。

Description

一种平衡不平衡转换器及其设计方法

技术领域

本发明涉及平衡不平衡转换器，特别涉及一种宽带平衡不平衡转换器及其设计方法。

背景技术

巴伦(Balun)是平衡不平衡转变器，是将单端信号转换成双端信号的重要器件。巴伦不仅能够起到很好的阻抗匹配作用，而且在平衡天线馈电网络、微波平衡混频器以及推挽放大器等多种微波射频器件中具有重要的作用。例如在天线设计中，具有偶极子结构(或可以等效成偶极子结构)的对称天线，要求馈入天线的电流是平衡的。如果馈入电流不平衡就会引起天线的方向图、极化方式等特性发生改变，使得天线的性能降低。尤其是在较宽频带内使用的对称天线对馈电网络有更高的要求。

巴伦用于实现单端电路和双端电路的信号转换。单端电路即阻抗变换器、滤波器之类的单端输入或单端输出电路，传输的信号是非平衡信号；双端电路是平衡混频器、对称阵子天线之类的双端输入电路，传输的是平衡信号。

现有技术中的很多巴伦要么可以方便的测试其全部S参数(平衡器件混合模散射参数)，但是带宽较小；要么带宽较宽，却难于测量其全部的S参数。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明，以便提供一种克服上述问题或至少部分地解决上述问题的一种平衡不平衡转换器。

根据本发明的一个方面，提供一种平衡不平衡转换器，包括同心结构共面波导功分器，所述功分器采用两级级联形式，通过两个同心结构、以Rogers 4350B为基材的共面波导级联而成，每个同心结构从里向外依次由内环轨线、中心轨线和外环轨线组成，内环轨线与外环轨线电连接。

进一步的，在输入输出端口阻抗(Z₀)给定的条件下，通过下述公式及推导可确定第二隔离电阻(R₂)的阻值、第一隔离电阻(R₁)的阻值，第一级微带阻抗(Z₁)和第二级微带阻抗(Z₂)的值：

$Z_1^2=2Z_2^2;Z_o=\frac{\frac{2Z_2^2}{R_1}*\frac{R_2}{2}}{\frac{2Z_2^2}{R_1}+\frac{R_2}{2}}=\frac{2Z_2^2*R_2}{4Z_2^2+R_1{R}_2};R_1{R}_2=4Z_2^2.$

进一步的，在输入输出端口阻抗(Z₀)给定50Ω的条件下，可确定第二隔离电阻(R₂)的阻值为200Ω、第一隔离电阻(R₁)的阻值为90Ω，第一级微带阻抗(Z₁)93Ω和第二级微带阻抗(Z₂)的值67Ω。

进一步的，在隔离电阻确定的情况下，使用Agilent的AppCAD软件计算共面波导对应特征阻抗的尺寸参数。

进一步的，所述同心结构为同心圆结构，或者同心矩形结构或者同心其他形状结构；所述轨线线宽为3mm。

进一步的，所述同心结构为同心圆结构，连接到输入端口的同心圆簇：从同心圆心到内环轨线中点半径为9.37mm，从同心圆心到中心圆环轨线中点半径为14mm，从同心圆心到外环轨线中点半径为18.63mm，同心圆之间的间隙为1.63mm；连接到输出端口的同心圆簇：从同心圆心到内环轨线中点半径为10.14mm，从同心圆心到中心圆环轨线中点半径为14mm，从同心圆心到外环轨线中点半径为17mm，同心圆之间的间隙为0.86mm；第一级与第二级之间的隔离电阻为90Ω，第二级与输出端的隔离电阻为200Ω。

进一步的，所述平衡不平衡转换器还包括功分器一个输出端口后面添加一个180°的反相器，使得同心结构功分器的两个输出端口具有180°相移特性。

根据本发明的另一方面，提供一种平衡不平衡转换器的设计方法，所述方法包括如下步骤：

设计一个同心结构共面波导功分器，在输入输出阻抗给定的条件下，确定隔离电阻的阻值以及共面波导的结构参数。

进一步的，所述同心结构共面波导功分器采用两级级联形式，在输入输出端口阻抗给定50Ω的条件下，可确定第二隔离电阻的阻值为200Ω、第一隔离电阻的阻值为80-100Ω，第一级微带阻抗93Ω和第二级微带阻抗的值67Ω。

进一步的，所述设计方法还包括如下步骤：

设计一个反相器，确保反相器两端的阻抗值稳定，使得同心结构功分器的两个输出端口具有180°相移特性。

应用本发明的平衡不平衡转换器，可用的带宽较宽，并且易于测量全部的S参数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例的经过两级级联的平衡不平衡转换器的示意图。

图2为本发明一实施例的功分器原理示意图。

图3为基于图2原理在偶模分析情况下的电路原理示意图。

图4为基于图2原理在奇模分析情况下的电路原理示意图。

图5为本发明另一实施例的经过一个功分器的平衡不平衡转换器的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细的描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明，而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能更透彻的理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1所示的平衡不平衡转换器，是采用两级级联的同心功分器结构，包括Wilkinson功分器、共面波导(CPW)和180°反相器，该平衡不平衡转换器可以测试其全部S参数的微带巴伦。具体原理分析如下：

1、Wilkinson功分器

其优点在于设计方法较简单、易于实现，并且在输入输出端口都匹配时，输出端口可以实现较高隔离。对于两级级联结构的Wilkinson功分器，其原理图如图2所示，工作频率为f，功分器输入输出阻抗为50Ω，且为电路的参考阻抗。第一级与第二级微带阻抗分别为Z₁，Z₂。电长度为在第一级和第二级通过连接电阻R₁，R₂实现隔离度。由于其结构是中心对称的，可以用奇偶模理论分析此电路。

(1)偶模分析

功分情况下，功分器的分支端口2(Port2)和端口3(Port3)信号幅度相等，相位相同。没有电流流过电路的对称面，电阻R₁，R₂视为开路，可以去掉。端口特征阻抗为Z₀。偶模电路分析如图3所示。

由于功分器关于中心线对称，因此只需要单独分析分支端口2或者端口3。在此情况下，功分器的公共端口1的端口电压不变，端口电流减小一半，特性阻抗等效为2Z₀。通过2段特性阻抗分别为Z₁和Z₂的1/4波长阻抗匹配线将公共端口阻抗2Z₀匹配到分支端口阻抗Z₀。

在工作频率f下，输出端口阻抗为

$Z_{o1}=Z_1\frac{2Z_0+j*Z_1*tan\left(\mathrm{\β}l\right)}{Z_1+j*2Z_0*tan\left(\mathrm{\β}l\right)}=\frac{Z_1^2}{2Z_0}---\left(1\right)$

$Z_o=Z_2\frac{Z_{o1}+j*Z_2*tan\left(\mathrm{\β}l\right)}{Z_2+j*Z_{o1}*tan\left(\mathrm{\β}l\right)}=\frac{Z_2^2}{Z_{o1}}=\frac{Z_2^2}{\frac{Z_1^2}{2Z_0}}=\frac{2Z_0{Z}_2^2}{Z_1^2}---\left(2\right)$

可以得到

$Z_1^2=2Z_2^2---\left(3\right)$

因此，只要匹配线的特性阻抗满足关系式(3)就可以将分支端口阻抗和公共端口阻抗匹配好。

(2)奇模分析

奇模情况下，功分器2，3端口信号幅度相等，但相位相差180°。功分器中心平面为零电位，即接地。电功分器奇模电路分析图如图4所示。

由于中心线为零电位面，因此公共端口等效阻抗为零，通过特性阻抗为Z₁的1/4阻抗线变换后在隔离电阻R₁处等效为开路，因此隔离电阻R₁处的阻抗满足：

$Z_{o1}=\frac{R_1}{2}---\left(4\right)$

Z₀₁通过特性阻抗为Z₂的1/4阻抗线变换后为，

$Z_{o2}=\frac{{Z_2}^2}{\frac{R_1}{2}}=\frac{2{Z_2}^2}{R_1}---\left(5\right)$

Z₀₂与隔离电阻R₂并联后匹配到分支端口阻抗Z₀，

$Z_o=\frac{\frac{2Z_2^2}{R_1}*\frac{R_2}{2}}{\frac{2Z_2^2}{R_1}+\frac{R_2}{2}}=\frac{2Z_2^2*R_2}{4Z_2^2+R_1{R}_2}---\left(6\right)$

同时需要隔离电阻R₁和R₂上消耗的功率尽可能的相等。假设Port2端口的电压为V。

则R₂上消耗的功率

$P_2=\frac{2V^2}{R_2}---\left(7\right)$

由传输线理论可知经过1/4阻抗线变换后隔离电阻R₁上的电流为

$I_1=-j\frac{V}{Z_2}---\left(8\right)$

则其消耗功率为

$P_1=I_1^2\frac{R_1}{2}=\frac{2V^2{R}_1}{Z_2^2}---\left(9\right)$

因为P₁＝P₂，由(7)式，(9)式可得

$R_1{R}_2=4Z_2^2---\left(10\right)$

式(3)、(6)，(10)给出了参数选择的准则，一般情况下取端口特性阻抗Z₀＝50Ω。为了达到在较宽的频段范围内，驻波比较小，隔离度大，经过一定的的取舍，将(10)式代入(6)式可得：R₂＝4Z₀＝200Ω。之后应用AppCAD软件仿真出R₁的近似取值为90Ω，从而推出Z₁＝93Ω，Z₂＝67Ω。

综上，选取如下电路参数：Z₁＝93Ω，Z₂＝67Ω，R₁＝90Ω，R₂＝200Ω。

2、共面波导(CPW)结构

共面波导CPW可以支持准TEM模式传播。与传统的微带线相比，具有以下优点：易于加工，易于并联和串联各种微波器件、辐射损耗小等。共面波导在滤波器、混频器、移相器等中有广泛应用。

使用Agilent的AppCAD软件计算CPW的对应特征阻抗的尺寸参数。HFSS采用有限元法，可以方便精确的求解任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。使用HFSS建模仿真，再进行优化，得到较好的指标。

本功分器采取两级级联的形式，具体通过两个同心结构级联构成，采用Rogers4350B为基材的共面波导，每个同心结构从里向外依次由内环轨线、中心轨线和外环轨线组成，内环轨线与外环轨线电连接。设计中所有轨线的线宽为3mm。如表1所示，连接到输入端口1(Port1)的同心圆簇：从同心圆心到内环轨线中点半径r11＝9.37mm,从同心圆心到中心圆环轨线中点半径r12＝14mm；从同心圆心到外环轨线中点半径r13＝18.63mm，同心圆之间的间隙为gap1＝1.63mm。连接到输出端口的同心圆簇：从同心圆心到内环轨线中点半径r11＝10.14mm，从同心圆心到中心圆环轨线中点半径r12＝14mm；从同心圆心到外环轨线中点半径r13＝17mm，同心圆之间的间隙为gap2＝0.86mm。第一级与第二级之间的隔离电阻为R1＝80-100Ω，优选90Ω，第二级与输出端的隔离电阻为R2＝200Ω。

参数	值	参数	值
				r11	9.37mm	r21	10.14mm
r12	14mm	r22	14mm
				r13	18.63mm	r23	17mm
gap1	1.63mm	gap2	0.86mm
				R1	90Ω,80-100Ω	R2	200Ω

表1

本发明采用两级级联结构的平衡不平衡转换器输出端口可以实现20dB以上的隔离度在所用频率范围的相位差为±5°。本发明所设计的平衡不平衡转换器可以通过矢量网络分析仪精确测得其全部S参数，进而用于需要精确S参数的电路中。比如可计算天线的研究中，需要精确了解巴伦的S参数，然后将其带入仿真结果，进而比较含有巴伦的天线的仿真值和实际测量值之间的差距。

3、反相器

为了实现反相功能，在功分器后面添加一个180°的反相器，由于使用共面波导，则只需将其地线和信号线颠倒即可。其微带结构为两级圆形拓扑结构，圆形结构可以减小本级微带线间的耦合和级间耦合，同时没有矩形结构在拐角处不连续的问题，且两级圆形拓扑结构增加了带宽。

本发明可应用于电磁兼容领域，微波电路领域，天线设计等领域，提供一种具有高隔离度的平衡不平衡转换器设计方法，覆盖了1GHz-2GHz频段的宽带微带巴伦，且可以通过网络适量分析精确测得其全部S参数(平衡器件混合模散射参数)，进而可用于需要精确S参数的电路中，比如可用于计算天线的研究中，需要精确了解巴伦的S参数，然后将其带入仿真结果，比较含有巴伦的天线的仿真值和实际测量值之间的差。

基于上述原理，本发明的另一个实施例是采用一级功分器，即只采用一个同心功分器结构，这样可以得到紧凑型的平衡不平衡转换器。采用Rogers 4350B为基材的共面波导，每个同心结构从里向外依次由内环轨线、中心轨线和外环轨线组成，内环轨线与外环轨线电连接。设计中所有轨线的线宽为3mm。如表2所示，连接到输入端口的同心圆簇：从同心圆心到内环轨线中点半径r11＝10.22mm,从同心圆心到中心圆环轨线中点半径r12＝14mm；从同心圆心到外环轨线中点半径r13＝17.78mm，同心圆之间的间隙为gap＝0.78mm，输入端口间的间隙及输出端口间的间隙均为gapr＝0.2mm，隔离电阻为R＝100Ω。

参数	值
		r11	10.22mm
r12	14mm
		r13	17.78mm
gap	0.78mm
		gapr	0.2mm
R	100Ω

表2

基于上述原理，本发明还提供一种平衡不平衡转换器的设计方法，所述方法包括如下步骤：

设计一个同心结构共面波导功分器，在输入输出阻抗给定的条件下，确定隔离电阻的阻值以及共面波导的结构参数。具体的：

一个实施例是，设计一个两级级联结构的共面波导功分器。如图1所示，级联结构功分器采用两级级联形式，用以提高输出端口的隔离度，在输入输出端口阻抗Z₀给定的条件下，通过公式(3)、(6)，(10)及推导可确定第二隔离电阻R₂的阻值，即R₂＝4Z₀，通过仿真软件反推出第一隔离电阻R₁的阻值，进而得到第一级微带阻抗Z₁和第二级微带阻抗Z₂的值。

比如，输入输出阻抗为Z₀＝50Ω的情况下，得到：

Z₁＝93Ω，Z₂＝67Ω，R₁＝90Ω，R₂＝200Ω。

进一步的，同心结构功分器可采用如图所示的同心圆结构，也可以采用同心矩形或同心其他形状结构。

另一个实施例是，设计一个一级级联结构的共面波导功分器。如图5所示，只采用一个同心功分器结构，可以得到紧凑型的平衡不平衡转换器。

进一步的，同心结构功分器可采用如图所示的同心圆结构，也可以采用同心矩形或同心其他形状结构。

作为上述几个实施例的进一步改进，一种平衡不平衡转换器的设计方法还包括如下步骤：

设计一个反相器，确保反相器两端的阻抗值稳定，使得同心结构功分器的两个输出端口具有180°相移特性。

应用本发明的平衡不平衡转换器，可用的带宽较宽，并且易于测量全部的S参数，同时在较宽的频带范围内不仅有较好的端口隔离特性，还有较理想的相位特性。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中各模块进行自适应性的改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。除非另有明确陈述，本说明书中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

以上所述仅为本发明之较佳实施例，并非用以限定本发明的权利要求保护范围。同时以上说明，对于相关技术领域的技术人员应可以理解及实施，因此其他基于本发明所揭示内容所完成的等同改变，均应包含在本权利要求书的涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种平衡不平衡转换器，包括同心结构共面波导功分器，其特征在于：所述功分器采用两级级联形式，通过两个同心结构、以Rogers 4350B为基材的共面波导级联而成，每个同心结构从里向外依次由内环轨线、中心轨线和外环轨线组成，内环轨线与外环轨线电连接。

2.根据权利要求1所述的平衡不平衡转换器，其特征在于：在输入输出端口阻抗(Z₀)给定的条件下，通过下述公式及推导可确定第二隔离电阻(R₂)的阻值、第一隔离电阻(R₁)的阻值，第一级微带阻抗(Z₁)和第二级微带阻抗(Z₂)的值：

$Z_1^2=2Z_2^2;Z_O=\frac{\frac{2Z_2^2}{R_1}*\frac{R_2}{2}}{\frac{2Z_2^2}{R_1}+\frac{R_2}{2}}=\frac{2Z_2^2*R_2}{4Z_2^2+R_1{R}_2};R_1{R}_2=4Z_2^2.$

3.根据权利要求2所述的平衡不平衡转换器，其特征在于：在输入输出端口阻抗(Z₀)给定50Ω的条件下，可确定第二隔离电阻(R₂)的阻值为200Ω、第一隔离电阻(R₁)的阻值为90Ω，第一级微带阻抗(Z₁)93Ω和第二级微带阻抗(Z₂)的值67Ω。

4.根据权利要求1所述的平衡不平衡转换器，其特征在于：在隔离电阻确定的情况下，使用Agilent的AppCAD软件计算共面波导对应特征阻抗的尺寸参数。

5.根据权利要求4所述的平衡不平衡转换器，其特征在于：所述同心结构为同心圆结构，或者同心矩形结构或者同心其他形状结构；所述轨线线宽为3mm。

6.根据权利要求4所述的平衡不平衡转换器，其特征在于：所述同心结构为同心圆结构，连接到输入端口的同心圆簇：从同心圆心到内环轨线中点半径为9.37mm，从同心圆心到中心圆环轨线中点半径为14mm，从同心圆心到外环轨线中点半径为18.63mm，同心圆之间的间隙为1.63mm；连接到输出端口的同心圆簇：从同心圆心到内环轨线中点半径为10.14mm，从同心圆心到中心圆环轨线中点半径为14mm，从同心圆心到外环轨线中点半径为17mm，同心圆之间的间隙为0.86mm；第一级与第二级之间的隔离电阻为90Ω，第二级与输出端的隔离电阻为200Ω。

7.根据权利要求1所述的平衡不平衡转换器，其特征在于：所述平衡不平衡转换器还包括功分器一个输出端口后面添加一个180°的反相器，使得同心结构功分器的两个输出端口具有180°相移特性。

8.一种平衡不平衡转换器的设计方法，所述方法包括如下步骤：

设计一个同心结构共面波导功分器，在输入输出阻抗给定的条件下，确定隔离电阻的阻值以及共面波导的结构参数。

9.根据权利要求8所述的平衡不平衡转换器，其特征在于：所述同心结构共面波导功分器采用两级级联形式，在输入输出端口阻抗给定50Ω的条件下，可确定第二隔离电阻的阻值为200Ω、第一隔离电阻的阻值为80-100Ω，第一级微带阻抗93Ω和第二级微带阻抗的值67Ω。

10.根据权利要求8所述的平衡不平衡转换器，其特征在于：所述设计方法还包括如下步骤：

设计一个反相器，确保反相器两端的阻抗值稳定，使得同心结构功分器的两个输出端口具有180°相移特性。