CN106684516B - 一种宽带三线巴伦 - Google Patents

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Abstract

一种宽带三线巴伦，包括一个接收不平衡信号的输入端口和一对输出振幅相等且相位相反的平衡信号的输出端口，输入端口通过中心金属线与第一个输出端口连接，第一个输出端口先后通过第一馈线和第一耦合线接地，第二个输出端口先后通过第二馈线和第二耦合线接地，第二耦合线比第一耦合线长第一补偿长度，以补偿幅度使平衡信号的振幅相等，第一馈线比第二馈线长第二补偿长度，以补偿相位使平衡信号的相位相反。本发明增加三线巴伦中心金属线的宽度使其大于常规预设宽度，提高三线巴伦的工作带宽，设定第二耦合线比第一耦合线长以补偿幅度、第一馈线比第二馈线长以补偿相位，最终实现本发明的小体积的同时维持巴伦的宽带平衡性输出。

Description

一种宽带三线巴伦
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种宽带三线巴伦。
背景技术
巴伦作为一种传输不平衡信号-平衡信号的关键器件，在微波电路和通信系统中扮演着极其重要的角色。从巴伦的理论被提出以来就有研究提出了各种各样的结构。经几十年的发展，Marchand巴伦因为其自身出色的平衡特性而被广泛应用，同时也有不少针对Marchand巴伦的研究，但是随着电路的设计进一步趋于小型化，对巴伦小型化的要求也越来越高。
为了能够获得更小的体积，现有技术中有提出一种结构更加紧凑三线巴伦。相较于Marchand巴伦的四根四分之一波长传输线，三线巴伦的结构只需要三根四分之一波长的传输线。为了满足日益发展的通信系统的要求，除了减小巴伦的体积，还需要进一步提高巴伦的带宽。有研究发现此结构存在两个传输极点，拥有较宽的带宽，但在通带范围内不能一直维持良好的平衡性输出，同时，有方案提出通过增加的匹配网络来拓展三线巴伦的带宽，但是因为结构的原因，电路的体积几乎增加了一倍。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种宽带三线巴伦。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种宽带三线巴伦，包括一个接收不平衡信号的输入端口和一对输出振幅相等且相位相反的平衡信号的输出端口，输入端口通过中心金属线与第一个输出端口连接，第一个输出端口先后通过第一馈线和第一耦合线接地，第二个输出端口先后通过第二馈线和第二耦合线接地，中心金属线的宽度大于常规预设宽度，第二耦合线比第一耦合线长第一补偿长度，以补偿幅度使平衡信号的振幅相等，第一馈线比第二馈线长第二补偿长度，以补偿相位使平衡信号的相位相反。
在本发明所述的宽带三线巴伦中，所述三线巴伦由上至下依次包括以下金属电路层：顶层金属地、设置有第一馈线的上方馈线层、设置有第一耦合线的上方耦合线层、设置有中心金属线的中间层、设置有第二耦合线的下方耦合线层、设置有第二馈线的下方馈线层、底层金属地；其中，第一耦合线的一端与顶层金属地连接，第一耦合线的另一端分别与第一馈线的一端、中心金属线的一端连接，第二耦合线的一端与底层金属地连接，第二耦合线的另一端与第二馈线的一端连接，第一馈线的另一端、第二馈线的另一端、中心金属线的另一端均延伸至所在金属电路层的边缘以与相应的端口连接。
在本发明所述的宽带三线巴伦中，不同金属电路层之间的需要连接的部分通过金属化通孔连接。
在本发明所述的宽带三线巴伦中，第一耦合线与第二耦合线宽度相等，第一馈线与第二馈线宽度相等。
实施本发明的宽带三线巴伦，具有以下有益效果：本发明增加三线巴伦中心金属线的宽度使其大于常规预设宽度，获得了两个传输极点，提高三线巴伦的工作带宽，而且一方面通过设定第二耦合线比第一耦合线长第一补偿长度，以补偿幅度使平衡信号的振幅相等，另一方面通过设定第一馈线比第二馈线长第二补偿长度，以补偿相位使平衡信号的相位相反，最终实现本发明的小体积的同时维持巴伦的宽带平衡性输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：
图1是本发明的宽带三线巴伦的结构示意图；
图2本发明的宽带三线巴伦的3D简图；
图3是图2中的每一层的结构示意图；
图4是S11曲线随着W1增加的变化趋势示意图；
图5是增加L3的长度的补偿幅度的效果图；
图6是增加L4的长度的补偿相位的效果图；
图7本发明的宽带三线巴伦的S参数的仿真和测试结果对比图；
图8本发明的宽带三线巴伦的三线巴伦的平衡特性示意图。
具体实施方式
在本发明实施例中，输入端口通过中心金属线与第一个输出端口连接，第一个输出端口先后通过第一耦合线和第一馈线接地，第二个输出端口先后通过第二耦合线和第二馈线接地，第二耦合线比第一耦合线长第一补偿长度，以补偿幅度使平衡信号的振幅相等，第一馈线比第二馈线长第二补偿长度，以补偿相位使平衡信号的相位相反。本发明增加三线巴伦中心金属线的宽度使其大于常规预设宽度，获得了两个传输极点，提高三线巴伦的工作带宽，而且一方面通过设定第二耦合线比第一耦合线长第一补偿长度，以补偿幅度使平衡信号的振幅相等，另一方面通过设定第一馈线比第二馈线长第二补偿长度，以补偿相位使平衡信号的相位相反，最终实现本发明的小体积的同时维持巴伦的宽带平衡性输出。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
参考图1，本发明的宽带三线巴伦包括一个接收不平衡信号的输入端口和一对输出振幅相等且相位相反的平衡信号的输出端口，参考图1，P1表示输入端口，P2、P3表示一对输出端口。输入端口P1通过中心金属线LINE1与第一个输出端口P2连接，第一个输出端口P2先后通过第一馈线LINE4和第一耦合线LINE2接地，第二个输出端口P3先后通过第二馈线LINE5和第二耦合线LINE3接地。
每根线的长度本应都是中心频率f0处对应的四分之波长λ/4，中心金属线的宽度本应设置为常规预设宽度。但是为拓宽带宽，本发明中，中心金属线的宽度大于常规预设宽度。而这种拓展带宽的方式会影响输出端口的平衡性，为维持巴伦的平衡输出，本发明中第二耦合线LINE3比第一耦合线LINE2长第一补偿长度C1，以补偿幅度使平衡信号的振幅相等，第一馈线LINE4比第二馈线LINE5长第二补偿长度C2，以补偿相位使平衡信号的相位相反。
从上可见，本发明仅需对某些线的长度或者宽度进行改变，因此本发明可以尽量小型化且可同时维持巴伦的宽带和平衡输出。
其中，上述线路是通过蚀刻或者涂覆等方式设置在不同的陶瓷层上以形成金属电路层，不同金属电路层之间的需要连接的部分通过金属化通孔连接。
具体实施例中，参考图2和图3，所述三线巴伦由上至下依次包括以下金属电路层：顶层金属地、设置有第一馈线LINE4的上方馈线层、设置有第一耦合线INEL2的上方耦合线层、设置有中心金属线LINE1的中间层、设置有第二耦合线LINE3的下方耦合线层、设置有第二馈线LINE5的下方馈线层、底层金属地。
其中，第一耦合线LINE2的一端与顶层金属地通过金属化通孔连接，第一耦合线LINE2的另一端通过金属化通孔分别与第一馈线LINE4的一端、中心金属线LINE1的一端连接，第二耦合线LINE3的一端与底层金属地通过金属化通孔连接，第二耦合线LINE3的另一端与第二馈线LINE5的一端通过金属化通孔连接，第一馈线LINE4的另一端、第二馈线L5的另一端、中心金属线LINE1的另一端均延伸至所在金属电路层的边缘以与相应的端口连接。
图2、3中，100即表示金属化通孔，Layer1表示中间层，Layer2表示上方耦合线层，Layer3表示下方耦合线层，Layer4表示上方馈线层，Layer5表示下方馈线层，TOP GND表示顶层金属地，BOTTOM GND表示底层金属地。
较佳实施例中，宽带三线巴伦是基于低温共烧陶瓷技术的工艺(介电常数5.9，损耗角0.002)设计而成，并可通过全波仿真软件HFSS进行验证。当然，可以理解的是本发明并不局限于低温共烧陶瓷工艺，只要是多层板的设计都在本发明的保护范围之内。
需要明确的是，进一步优选的，为了减小体积，各个金属线LINE1-LINE5(其长度表示为L1，L2，L3，L4，L5)，如果长度较长可以采用从内而外包绕的方式进行走线，虽然图3中示意的是矩形走线方式，但是实际上并不限于此，还可以是圆形或者其他不规则的走线方式，这些都是本实施例的简单变形，都在本发明的保护范围之内。
具体的，第一耦合线LINE2与第二耦合线LINE3宽度相等，第一馈线LINE4与第二馈线LINE5宽度相等，LINE1的宽度W1与通带内传输极点的个数和传输极点之间的距离有关。参考图4中实线所示即为常规预设宽度，此时W1＝0.2mm，当线宽W1较小时，只会出现一个传输极点。随着宽度W1的增加，会逐渐显现出两个传输极点，并会向两侧远离。这样设计的三线巴伦相比之前的设计就可以获得一个较大的带宽。
可见，为获得较大的带宽，需要选择较大的宽度W1，但是这样会对平衡输出产生影响。如图5、6中实线所表示的，如果L2＝L3，L4＝L5，则平衡输出是不能满足要求的。而本发明通过调整L2和L4的长度可以补偿该结构的平衡性。如图5，显示出了固定L2长度为12.8mm时增加L3长度的结果，图6，显示出了固定L5的长度为2.6mm时增加L4长度的结果。表1中给出了图3中各个标记参数的具体大小，同时从上到下的每层的间距分别是0.2mm、0.5mm、0.2mm、0.2mm、0.5mm、0.2mm。
表1：图3中的参数取值
为了验证本发明的效果，将加工好的巴伦贴片装配在测试基板上，并通过安捷伦的N5320A网络分析仪来测试。图7给出了仿真和测试的频率响应结果。这款中心频率在2.1GHz的三线巴伦可以在-15dB获得一个58％的相对带宽，面积大小为4.6mm×4.7mm(0.078λg×0.079λg)，同时在整个通带内的插入损耗都是小于3+0.8dB。从图中可以看出测试结果和仿真吻合的较好，除了装配的问题导致带宽上存在些误差。
图8给出了一对输出端口P2、P3的相频、幅频特性在通带内的差值，可以看出巴伦的相位不平衡只有180°±2.5°；幅度不平衡最大只有0.35dB。可见，本发明的巴伦在带宽、体积和平衡响应都有较好的效果。
综上所述，实施本发明的宽带三线巴伦，具有以下有益效果：本发明增加三线巴伦中心金属线的宽度，获得了两个传输极点，提高三线巴伦的工作带宽，而且一方面通过设定第二耦合线比第一耦合线长第一补偿长度，以补偿幅度使平衡信号的振幅相等，另一方面通过设定第一馈线比第二馈线长第二补偿长度，以补偿相位使平衡信号的相位相反，最终实现本发明的小体积的同时维持巴伦的宽带平衡性输出。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种宽带三线巴伦，包括一个接收不平衡信号的输入端口和一对输出振幅相等且相位相反的平衡信号的输出端口，输入端口通过中心金属线与第一个输出端口连接，第一个输出端口先后通过第一馈线和第一耦合线接地，第二个输出端口先后通过第二馈线和第二耦合线接地，其特征在于，中心金属线的宽度大于常规预设宽度，第二耦合线比第一耦合线长第一补偿长度，以补偿幅度使平衡信号的振幅相等，第一馈线比第二馈线长第二补偿长度，以补偿相位使平衡信号的相位相反。
2.根据权利要求1所述的宽带三线巴伦，其特征在于，所述三线巴伦由上至下依次包括以下金属电路层：顶层金属地、设置有第一馈线的上方馈线层、设置有第一耦合线的上方耦合线层、设置有中心金属线的中间层、设置有第二耦合线的下方耦合线层、设置有第二馈线的下方馈线层、底层金属地；其中，第一耦合线的一端与顶层金属地连接，第一耦合线的另一端分别与第一馈线的一端、中心金属线的一端连接，第二耦合线的一端与底层金属地连接，第二耦合线的另一端与第二馈线的一端连接，第一馈线的另一端、第二馈线的另一端、中心金属线的另一端均延伸至所在金属电路层的边缘以与相应的端口连接。
3.根据权利要求2所述的宽带三线巴伦，其特征在于，不同金属电路层之间的需要连接的部分通过金属化通孔连接。
4.根据权利要求1所述的宽带三线巴伦，其特征在于，第一耦合线与第二耦合线宽度相等，第一馈线与第二馈线宽度相等。
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