CN112073023A - 新型宽带高平衡度巴伦 - Google Patents
新型宽带高平衡度巴伦 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112073023A CN112073023A CN202010909813.8A CN202010909813A CN112073023A CN 112073023 A CN112073023 A CN 112073023A CN 202010909813 A CN202010909813 A CN 202010909813A CN 112073023 A CN112073023 A CN 112073023A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- balun
- coupling
- stage
- line
- transmission line
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 52
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 132
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 132
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 130
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 95
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 5
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N [Si].[Ge] Chemical compound [Si].[Ge] LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 abstract description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 16
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 7
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 4
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 4
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 3
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 3
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 3
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H7/00—Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
- H03H7/42—Networks for transforming balanced signals into unbalanced signals and vice versa, e.g. baluns
Landscapes
- Coils Or Transformers For Communication (AREA)
Abstract
本发明公开了新型宽带高平衡度巴伦，包括将不平衡信号转化为平衡信号的第一级巴伦，以及输入端与第一级巴伦输出端连接且用于改善第一级巴伦输出信号平衡度的第二级巴伦，所述第一级巴伦和第二级巴伦之间连接有相位补偿电容。本发明通过设置第一级巴伦和第二级巴伦，使不平衡信号通过第一级巴伦转换为差分信号后，再通过第二级巴伦将第一级巴伦产生的差分信号进行改善，从而提高差分信号的相位平衡度和幅度平衡度，使最终输出的差分信号相位差更加接近180°、幅度更趋于相等。本发明的结构适用于多种电路应用，如混频器、双工器等。此外，基于改进的巴伦结构，能设计出高性能的基于硅基、锗硅、砷化镓、氮化镓等半导体材料体系的混频器、双工器等。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及新型宽带高平衡度巴伦。
背景技术
巴伦有着悠久而辉煌的历史，1939年，它作为一种为帝国大厦提供电视发射天线的装置首次被文献记载。时至今日巴伦的设计已经发生了巨大的变化，其应用领域也不仅是驱动差分天线，还包括各种类型的平衡混频器、放大器、倍频器、单边带调制器等，例如在平衡式混频器的应用中，由于巴伦具有偶数阶信号抑制作用，因此可以用来消除或者大幅度降低混频器电路中的杂散信号，同时还可以降低本振信号泄漏至射频和中频端口的能量。此外，巴伦分为多种类型，其中的某些用于阻抗转换，还有一些用于连接具有不同阻抗的传输线。阻抗转换巴伦可实现阻抗匹配、直流隔离以及将平衡端口与单端端口匹配。
巴伦的关键指标包含插损、幅度平衡度、相位平衡度和共模抑制比。其中，幅度平衡度是指两输出功率大小之间的差值；相位平衡度即两个平衡输出与“功率水平相等，相位相差180°”这一理想状态的接近程度；共模抑制比是指两个相同信号从平衡端口传输至不平衡端口的过程中所发生的衰减量，并且共模抑制比由此两信号的矢量相加结果决定，而该矢量相加结果进一步取决于巴伦的幅度平衡度和相位平衡度。传统巴伦在工作状态下，因耦合微带线并不是无损的，故传统巴伦结构所输出的差分信号之间存在一定的相位和幅度不平衡，从而影响巴伦在工作时的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有巴伦在工作状态下存在一定的相位和幅度不平衡。提供了一种新型宽带高平衡度巴伦，通过设置第一级巴伦和第二级巴伦，并使其通过相位补偿电容连接，从而实现提高巴伦的相位平衡度和幅度平衡度的目的。
本发明通过下述技术方案实现：
新型宽带高平衡度巴伦，包括将不平衡信号转化为平衡信号的第一级巴伦，以及输入端与第一级巴伦输出端连接且用于改善第一级巴伦输出信号平衡度的第二级巴伦，所述第一级巴伦和第二级巴伦之间连接有相位补偿电容。
巴伦是一种实现平衡到非平衡的转换电路。在早期，微波巴伦电路主要应用于天线的馈电系统，后来，这个概念又被推广引入到了电路设计中。随着现代通信、测量和电子对抗等应用领域对宽带电路日益增长的需求，巴伦作为推挽功率放大器、倍频器、平衡式混频器中的关键元件，其研制也取得了较大的进步。巴伦的形式有多种，但从总体上可分为有源巴伦和无源巴伦两大类。有源巴伦由于要使用晶体管等有源器件，所以不可避免地会产生噪声和功耗。而无源巴伦又可以分为集总元件形式巴伦、螺旋变压器形式巴伦和分布参数形式巴伦三类。集总元件形式巴伦的优点是体积小、重量轻，但不容易达到180°的相移和相等的输出幅值；螺旋变压器形式巴伦仅适用于低频和超高频，并且有一定的损耗；分布参数形式巴伦可细分为180°混合环巴伦和Marchand巴伦。在微波频段，180°混合环巴伦有相当好的频率响应，但是过大的尺寸会限制它应用于射频频段。Marchand巴伦是三端口器件，一个不平衡输入端和两个平衡输出端，电路结构主要由两段1/4波长的耦合线组成，两段1/4波长的短路线从半波长开路线上耦合得到能量，从而在两个平衡输出端口得到幅值相同、相位相差180°的输出能量。Marchand巴伦由于有较好的输出等幅值和输出180°相移，制作容易而且能实现宽频特性，被广泛地应用于微波毫米波电路中。巴伦在实际的使用中，因耦合微带线并不是无损的，所以传统巴伦结构所输出的差分信号之间存在一定的相位和幅度不平等，无法达到理想状态下输出的180°的相移和相等的输出幅值，甚至所输出的差分信号之间的相位和幅度相差较大，从而影响电路的整体性能。为了解决上述问题，本发明提供了一种新型宽带高平衡度巴伦，通过设置第一级巴伦，使输入的不平衡信号经过第一级巴伦后，能转换为两个相位相差接近180°而值相等的信号。由于是在实际的情况下进行的转换，所以该转化达不到理想状态，两个信号的相位相差接近180°而不是等于180°，其幅值也达不到完全相等的状态。为了进一步提高此信号的相位平衡度和幅度平衡度，使第一级巴伦输出的差分信号分别经过相位补偿电容后，分别输入第二级巴伦的两个输入端，在经过第二级巴伦的转换后，第二级巴伦所输出的两个信号的相位差则比第一级巴伦输出的两个信号的相位差更加接近180°，第二级巴伦所输出的两个信号的幅度值则比第一级巴伦输出的两个信号的幅度值更趋于相等，即第二级巴伦输出的差分信号的相位平衡度和幅度平衡度能得到大幅提升。
进一步的，所述第一级巴伦的输出端包括输出端T2和输出端T3，所述第二级巴伦的输入端包括输入端T4和输入端T5，所述相位补偿电容包括电容C1和电容C2，所述输出端T2与电容C1连接，所述电容C1相对连接输出端T2端的另一端与输入端T4连接，所述输出端T3与电容C2连接，所述电容C2相对连接输出端T3端的另一端与输入端T5连接。在本发明中，第一级巴伦只需输入一个不平衡的信号，该信号经过第一级巴伦的转换后，产生差分信号，即输出两个相位相差180°而幅值相等信号，所以在第一级巴伦中设有一个输入端T1和两个输出端T2、T3，第二级巴伦需输入第一级巴伦输出的差分信号，故在第二级巴伦中设有信号输入端T4和输入端T5，且输出端T4通过电容C1与输入端T2连接，输出端T5通过电容C2与输入端T3连接。此外，本发明中的电容C1和电容C2的取值需要根据仿真来确认，基本趋势是频率越低，电容取值越大；频率越高，电容取值越小。
进一步的，所述第一级巴伦包括两个耦合单元Ⅰ，每个耦合单元Ⅰ设置一个输出端，两个所述的耦合单元Ⅰ连接；所述第二级巴伦包括两个耦合单元Ⅱ，每个耦合单元Ⅱ设置一个输入端，两个所述的耦合单元Ⅱ连接。第一级巴伦的任意一耦合单元Ⅰ中输入不平衡的信号，因两个耦合单元Ⅰ连接，所以两个耦合单元都有不平衡信号，两个耦合单元Ⅰ进行耦合后，产生差分信号；差分信号随之分别传输到两个耦合单元Ⅱ上，并分别经过两个耦合单元Ⅱ进行耦合后输出。经过第二级巴伦输出后的差分信号的相位平衡度和幅度平衡度均得到提高。
进一步的，每个所述的耦合单元Ⅰ均包括一根传输线Ⅰ和一根耦合线Ⅰ，同一耦合单元Ⅰ中的传输线Ⅰ和耦合线Ⅰ平行且彼此正对，两根所述的传输线Ⅰ连接，其中一根传输线Ⅰ相对连接另一根传输线Ⅰ端的另一端为信号的输入端T1，两根所述的耦合线Ⅰ的任意一端分别为输出端T2和输出端T3，两根所述的耦合线Ⅰ相对连接电容C1或电容C2端的另一端均接地；每个所述的耦合单元Ⅱ均包括一根传输线Ⅱ和一根耦合线Ⅱ，所述传输线Ⅱ和耦合线Ⅱ平行且彼此正对，两根所述的耦合线Ⅱ的任意一端分别为信号的输入端T4和输入端T5，两根所述的耦合线Ⅱ相对连接电容C1或电容C2端的另一端均接地；两根所述的传输线Ⅱ连接，两根传输线Ⅱ相对连接另一根传输线Ⅱ端的另一端分别为信号的输出端T6和输出端T7。本发明在使用时，输入的不平衡信号从耦合单元Ⅰ中的输入端T1输入，并传输到两根传输线Ⅰ上，接着再分别耦合到两根传输线Ⅰ对应的两根耦合线Ⅰ上产生出差分信号；两个平衡的信号再经过电容C1和电容C2进行相位补偿后，再分别传输到两根耦合线Ⅱ上，接着耦合到与两根耦合线Ⅱ对应的传输线Ⅱ上，并通过信号的输出端T6和输出端T7将处理后的信号输出。本发明的输入信号由T1端口进入到第一级巴伦后，由于实际应用中耦合线受金属损耗、介质损耗和寄生参数的影响，信号在传输过程中的幅度会衰减，相位会滞后，这就会导致信号通过耦合传输至T2和T3端口时的幅度和相位一致性产生偏差；此时，第一级巴伦的输出信号经过电容C1和电容C2传输到第二级巴伦后，首先电容C1和电容C2的引入，可以对上述偏差进行一定的补偿，其次，第二级巴伦的引入，使得两个耦合单元Ⅱ中的信号传输路径完全对称，信号在第一级巴伦中产生的金属损耗、介质损耗和寄生参数的影响与第二级巴伦中产生的金属损耗、介质损耗和寄生参数的影响是能够抵消的，从而本发明的巴伦结构的幅相一致性较于传统巴伦结构能有大幅度的提升。
进一步的，所述传输线Ⅰ、传输线Ⅱ、耦合线Ⅰ及耦合线Ⅱ的长度均为四分之一工作中心频率对应的波长；同一耦合单元Ⅰ中的传输线Ⅰ和耦合线Ⅰ两端端头对齐，同一耦合单元Ⅱ中的传输线Ⅱ和耦合线两端端头对齐。Marchand巴伦电路结构主要由两段1/4波长的耦合线组成，两段1/4波长的短路线从半波长开路线上耦合得到能量，从而在两个平衡输出端口得到幅值相同、相位相差180°的输出能量，本发明在使用时，将传输线Ⅰ、传输线Ⅱ、耦合线Ⅰ及耦合线Ⅱ的长度设置为四分之一工作中心频率对应的波长时，会使输出的差分信号的相位平衡度及幅度平衡度达到更好的效果。
进一步的，所述传输线Ⅰ、传输线Ⅱ、耦合线Ⅰ及耦合线Ⅱ的形状均一致。在本发明中，传输线Ⅰ、传输线Ⅱ、耦合线Ⅰ及耦合线Ⅱ不仅长度一致，且其形状也一致，这样能使新型宽带高平衡度巴伦出的差分信号的相位平衡度及幅度平衡度达到更好的效果。
进一步的，所述传输线Ⅰ、传输线Ⅱ、耦合线Ⅰ及耦合线Ⅱ在工作频率在0.1GHz～14.1GHz范围内时，其长度取值均为2940μm。本发明在使用时，能得到较传统巴伦相位平衡度和幅度平衡度更高的差分信号。并且在工作频率为在0.1GHz～14.1GHz范围内时，将传输线Ⅰ、传输线Ⅱ、耦合线Ⅰ及耦合线Ⅱ的长度设置为2940μm能使输出的差分信号的相位平衡度和幅度平衡度明显优于设置其余长度后所输出的差分信号的相位平衡度和幅度平衡度。
进一步的，所述传输线Ⅰ、传输线Ⅱ、耦合线Ⅰ及耦合线Ⅱ在工作频率在18GHz～40GHz范围内时，其长度取值为720μm。本发明在使用时，能得到较传统巴伦相位平衡度和幅度平衡度更高的差分信号。并且在工作频率为在18GHz～40GHz范围内时，将传输线Ⅰ、传输线Ⅱ、耦合线Ⅰ及耦合线Ⅱ的长度设置为720μm能使输出的差分信号的相位平衡度和幅度平衡度明显优于设置其余长度后所输出的差分信号的相位平衡度和幅度平衡度。
进一步的，所述第一级巴伦和第二级巴伦可采用Marchand巴伦、电容耦合传输线巴伦、平面螺旋巴伦、环形耦合器、功分-反相器巴伦和磁通耦合变压器巴伦中的任意一种。本发明在使用时，可选择Marchand巴伦、电容耦合传输线巴伦、平面螺旋巴伦、环形耦合器、功分-反相器巴伦和磁通耦合变压器巴伦中的任意一种巴伦按照本发明的连接方式进行连接、使用。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
(1)传统的巴伦为了缩减芯片面积，其结构会采用弯折或绕圈等结构，这种类型的结构会使巴伦的相位平衡度和幅度平衡度进一步恶化，使用本发明中的新型宽带高平衡度巴伦的结构能有效的提高传统巴伦的相位平衡度和幅度平衡度。并且，本发明适用于多种传统巴伦，如Marchand巴伦、电容耦合传输线巴伦、平面螺旋巴伦、环形耦合器、功分-反相器巴伦、磁通耦合变压器巴伦等，在使用时只需将两个结构和尺寸均一致巴伦，按照本发明的结构进行连接即可。
(2)本发明通过设置第一级巴伦和第二级巴伦，使不平衡信号通过第一级巴伦转换为差分信号后，再通过第二级巴伦将第一级巴伦产生的差分信号进行改善，从而提高差分信号的相位平衡度和幅度平衡度，使最终输出的差分信号相位差更加接近180°、幅度更趋于相等。
(3)本发明在工作频率在0.1GHz～14.1GHz范围内时，传输线Ⅰ、传输线Ⅱ、耦合线Ⅰ及耦合线Ⅱ的长度取值均为2940μm。使在工作频率为0.1GHz～14.1GHz范围内时，取此长度下的巴伦的性能明显优于传统巴伦，且优于取其余长度值的新型宽带高平衡度巴伦。
(4)本发明在工作频率在18GHz～40GHz范围内时，传输线Ⅰ、传输线Ⅱ、耦合线Ⅰ及耦合线Ⅱ的长度取值为720μm。在工作频率为18GHz～40GHz范围内时，取此长度下的巴伦的性能明显优于传统巴伦，且优于取其余长度值的新型宽带高平衡度巴伦。
(5)本发明的结构适用于多种电路应用，如混频器、双工器、推挽放大器、倍频器、单连带调制器及天线阵列等。并且，基于改进的巴伦结构，可以设计出高性能的基于硅基、锗硅、砷化镓、氮化镓等半导体材料体系的混频器、双工器、推挽放大器、倍频器及单边带调制器等。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为传统Marchand巴伦的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为传统Marchand巴伦的各节点信号的传输电压波形示意图；
图4为本发明的各个节点信号的传输电压波形示意图；
图5为本发明的巴伦结构和传统巴伦结构在0.1～14GHz的共模抑制比的仿真曲线；
图6为本发明的巴伦结构和传统巴伦结构在0.1～14GHz的幅度平衡度的仿真曲线；
图7为本发明的巴伦结构和传统巴伦结构在0.1～14GHz的相位平衡度的仿真曲线；
图8为本发明的巴伦结构和传统巴伦结构在18～40GHz的共模抑制比的仿真曲线；
图9为本发明的巴伦结构和传统巴伦结构在18～40GHz的幅度平衡度的仿真曲线；
图10为本发明的巴伦结构和传统巴伦结构在18～40GHz的相位平衡度的仿真曲线。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-传输线Ⅰ，2-耦合线Ⅰ，3-传输线Ⅱ，4-耦合线Ⅱ。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1～4所示，新型宽带高平衡度巴伦，包括将不平衡信号转化为平衡信号的第一级巴伦，以及输入端与第一级巴伦输出端连接且用于改善第一级巴伦输出信号平衡度的第二级巴伦，本实施例的第一级巴伦和第二级巴伦之间连接有相位补偿电容。其中，第一级巴伦的输出端包括输出端T2和输出端T3，第二级巴伦的输入端包括输入端T4和输入端T5，相位补偿电容包括电容C1和电容C2，输出端T2与电容C1连接，电容C1相对连接输出端T2端的另一端与输入端T4连接，输出端T3与电容C2连接，电容C2相对连接输出端T3端的另一端与输入端T5连接。此外，第一级巴伦包括两个耦合单元Ⅰ，每个耦合单元Ⅰ设置一个输出端，两个耦合单元Ⅰ连接；第二级巴伦包括两个耦合单元Ⅱ，每个耦合单元Ⅱ设置一个输入端，两个耦合单元Ⅱ连接。本实施例的每个耦合单元Ⅰ均包括一根传输线Ⅰ1和一根耦合线Ⅰ2，同一耦合单元Ⅰ中的传输线Ⅰ1和耦合线Ⅰ2平行且彼此正对，两根传输线Ⅰ1连接，其中一根传输线Ⅰ1相对连接另一根传输线Ⅰ1端的另一端为信号的输入端T1，两根耦合线Ⅰ2的任意一端分别为输出端T2和输出端T3，两根耦合线Ⅰ2相对连接电容C1或电容C2端的另一端均接地；每个耦合单元Ⅱ均包括一根传输线Ⅱ3和一根耦合线Ⅱ4，传输线Ⅱ3和耦合线Ⅱ4平行且彼此正对，两根耦合线Ⅱ4的任意一端分别为信号的输入端T4和输入端T5，两根耦合线Ⅱ4相对连接电容C1或电容C2端的另一端均接地；两根传输线Ⅱ3连接，两根传输线Ⅱ3相对连接另一根传输线Ⅱ3端的另一端分别为信号的输出端T6和输出端T7。
本实施例的传输线Ⅰ1、传输线Ⅱ3、耦合线Ⅰ2及耦合线Ⅱ4的长度均为四分之一工作中心频率对应的波长；同一耦合单元Ⅰ中的传输线Ⅰ1和耦合线Ⅰ2两端端头对齐，同一耦合单元Ⅱ中的传输线Ⅱ3和耦合线4两端端头对齐。此外，传输线Ⅰ1、传输线Ⅱ3、耦合线Ⅰ2及耦合线Ⅱ4的形状均一致。
本实施例的第一级巴伦和第二级巴伦采用Marchand巴伦、电容耦合传输线巴伦、平面螺旋巴伦、环形耦合器、功分-反相器巴伦和磁通耦合变压器巴伦中的任意一种。
本实施例在使用时，第一级巴伦用于将输入的一个不平衡信号转换为差分信号，第一级巴伦通过电容C1、电容C2将输出的差分信号输入到第二级巴伦中，第二级巴伦再将此差分信号的相位平衡度和幅度平衡度进行改善，使最后输出的差分信号的相位平衡度和幅度平衡度提高。
本实施例的第一级巴伦和第二级巴伦采用的是结构一致的Marchand巴伦，两者的尺寸可以不相同，但尺寸不同会导致工作频率会发生变化，且相位平衡度、幅度平衡度和共模抑制比性能也会受影响，但尺寸不同不会改变这种结构的主要特点。不平衡信号从信号的输入端T1输入一个不平衡信号，接着信号传输到两根传输线Ⅰ1上，并分别耦合到耦合线Ⅰ2上，再从两根耦合线Ⅰ2上分别通过电容C1和电容C2传输到第二级巴伦中的两根耦合线Ⅱ4上，且再分别由两根耦合线Ⅱ4耦合至两根传输线Ⅱ3上，最终输出的差分信号的相位平衡度和幅度平衡度相比于传统Marchand巴伦的相位平衡度和幅度平衡度均有提高。
1.验证及对照试验：为了验证实施例1，本发明人对传统的Marchand巴伦与第一级巴伦和第二级巴伦采用结构和尺寸均一致的Marchand巴伦的本发明进行各节点信号的传输电压波形的测试，本实施例采用HFSS或ADS电磁场仿真软件进行仿真。
(1)性能评估指标：巴伦的关键指标包含插损、幅度平衡度、相位平衡度和共模抑制比(CMRR)。其中，共模抑制比与幅度和相位平衡度存在式(1)所描述的关系。式(1)中S31和S21分别代表巴伦输出端口3和输出端口2与输入端口1的信号传输系数。可以看出，当S31＝S21时，CMRR＝∞。因此，想要提高共模抑制比需要尽可能提高巴伦两个差分输出信号之间的幅度和相位平衡度。
CMRRbalun＝20×log((1+S31/S21)/(1-S31/S21)) (1)
当巴伦没有损耗的理想情况下，如图1所示的传统Marchand巴伦的散射矩阵为：
但是实际上耦合微带线并不是无损的，故传统巴伦结构所输出的差分信号之间存在一定的相位和幅度不平衡。如图1所示，巴伦输出的V2和V3两个信号存在一定的幅度差ΔV和相位差ΔPhs。
ΔV＝(V2,balance-V3,balance)
ΔPhs＝(Phase2,balance-Phase3,balance+180)
其中，幅度差ΔV和相位差ΔPhs越小，共模抑制比越能趋于无穷，则巴伦的性能越好。
(2)试验结果如图3和图4所示。图3表示传统Marchand巴伦的各节点信号的传输电压波形示意图，可看出传统Marchand巴伦所输出的电压V2,balance及V3,balance的波形图之间的幅度差ΔV和相位差ΔPhs相差较大。图4表示本发明的各节点信号的传输电压波形示意图，即第一级巴伦和第二级巴伦均采用结构和尺寸一致的Marchand巴伦的各节点信号的传输电压波形示意图，从图中可看出，第一级巴伦输出的V2,balance及V3,balance的波形图之间的幅度差ΔV和相位差ΔPhs相差较大，接着V2,balance及V3,balance分别输入第三级巴伦中进行改善，所输出的V2’,balance及V3’,balance的波形图之间的幅度差ΔV和相位差ΔPhs相比于V2,balance及V3,balance的波形图之间的幅度差ΔV和相位差ΔPhs明显变小，表示经过第二级巴伦输出的差分电压，较于第一家巴伦所输出的差分电压，其相位平衡度和幅度平衡度有明显的提升，即巴伦的性能有明显的提升。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上做出了如下进一步限定：本实施例在所述传输线Ⅰ1、传输线Ⅱ3、耦合线Ⅰ2及耦合线Ⅱ4在工作频率为在0.1GHz～14.1GHz范围内时，其长度取值均为2940μm。
1.验证及对照试验：为了验证实施例2，本发明人在工作频率为0.1GHz～14.1GHz范围内时，对传统的巴伦与第一级巴伦和第二级巴伦采用结构和尺寸均一致的巴伦的本发明进行各节点信号的传输电压波形的测试，其中，本发明中的巴伦的长度设置为2940μm，本实施例采用HFSS或ADS电磁场仿真软件进行仿真。
(1)性能评估指标：巴伦的关键指标包含插损、幅度平衡度、相位平衡度和共模抑制比(CMRR)。对传统巴伦和本发明在同一工作频率下进行检测，在对两者的同一频率下的幅度平衡度、相位平衡度和共模抑制比的值进行比较。
(2)试验结果如图5～7所示，图5为本发明的巴伦结构和传统巴伦结构在0.1～14GHz的共模抑制比的仿真曲线，可从图中直观的看出：在工作频率为0.1GHz～14.1GHz范围内时，本发明的共模抑制比明显高于传统巴伦的共模抑制比；图6为本发明的巴伦结构和传统巴伦结构在0.1～14GHz的幅度平衡度的仿真曲线，可从图中直观的看出：在工作频率为0.1GHz～14.1GHz范围内时，本发明的幅度平衡度明显高于传统巴伦的幅度平衡度；图7为本发明的巴伦结构和传统巴伦结构在0.1～14GHz的相位平衡度的仿真曲线，可从图中直观的看出：在工作频率为0.1GHz～14.1GHz范围内时，本发明的相位平衡度明显高于传统巴伦的相位平衡度。
实施例3
本实施例在实施例1的基础上做出了如下进一步限定：本实施例在所述传输线Ⅰ1、传输线Ⅱ3、耦合线Ⅰ2及耦合线Ⅱ4在工作频率为在18GHz～40GHz范围内时，其长度取值为720μm。
1.验证及对照试验：为了验证实施例2，本发明人在工作频率为18GHz～40GHz范围内时，对传统的巴伦与第一级巴伦和第二级巴伦采用结构和尺寸均一致的巴伦的本发明进行各节点信号的传输电压波形的测试，其中，本发明中的巴伦的长度设置为720μm，本实施例采用HFSS或ADS电磁场仿真软件进行仿真。
(1)性能评估指标：巴伦的关键指标包含插损、幅度平衡度、相位平衡度和共模抑制比(CMRR)。对传统巴伦和本发明在同一工作频率下进行检测，在对两者的同一频率下的幅度平衡度、相位平衡度和共模抑制比的值进行比较。
(2)试验结果如图8～10所示，图8为本发明的巴伦结构和传统巴伦结构在18GHz～40GHz的共模抑制比的仿真曲线，可从图中直观的看出：在工作频率为18GHz～40GHz范围内时，本发明的共模抑制比明显高于传统巴伦的共模抑制比；图9为本发明的巴伦结构和传统巴伦结构在18GHz～40GHz的幅度平衡度的仿真曲线，可从图中直观的看出：在工作频率为18GHz～40GHz范围内时，本发明的幅度平衡度明显高于传统巴伦的幅度平衡度；图10为本发明的巴伦结构和传统巴伦结构在18GHz～40GHz的相位平衡度的仿真曲线，可从图中直观的看出：在工作频率为18GHz～40GHz范围内时，本发明的相位平衡度明显高于传统巴伦的相位平衡度。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.新型宽带高平衡度巴伦，其特征在于，包括将不平衡信号转化为平衡信号的第一级巴伦，以及输入端与第一级巴伦输出端连接且用于改善第一级巴伦输出信号平衡度的第二级巴伦，所述第一级巴伦和第二级巴伦之间连接有相位补偿电容。
2.根据权利要求1所述的新型宽度高平衡度巴伦，其特征在于，所述第一级巴伦的输出端包括输出端T2和输出端T3，所述第二级巴伦的输入端包括输入端T4和输入端T5，所述相位补偿电容包括电容C1和电容C2，所述输出端T2与电容C1连接，所述电容C1相对连接输出端T2端的另一端与输入端T4连接，所述输出端T3与电容C2连接，所述电容C2相对连接输出端T3端的另一端与输入端T5连接。
3.根据权利要求2所述的新型宽度高平衡度巴伦，其特征在于，所述第一级巴伦包括两个耦合单元Ⅰ，每个耦合单元Ⅰ设置一个输出端，两个所述的耦合单元Ⅰ连接；所述第二级巴伦包括两个耦合单元Ⅱ，每个耦合单元Ⅱ设置一个输入端，两个所述的耦合单元Ⅱ连接。
4.根据权利要求3所述的新型宽度高平衡度巴伦，其特征在于，每个所述的耦合单元Ⅰ均包括一根传输线Ⅰ(1)和一根耦合线Ⅰ(2)，同一耦合单元Ⅰ中的传输线Ⅰ(1)和耦合线Ⅰ(2)平行且彼此正对，两根所述的传输线Ⅰ(1)连接，其中一根传输线Ⅰ(1)相对连接另一根传输线Ⅰ(1)端的另一端为信号的输入端T1，两根所述的耦合线Ⅰ(2)的任意一端分别为输出端T2和输出端T3，两根所述的耦合线Ⅰ(2)相对连接电容C1或电容C2端的另一端均接地；每个所述的耦合单元Ⅱ均包括一根传输线Ⅱ(3)和一根耦合线Ⅱ(4)，所述传输线Ⅱ(3)和耦合线Ⅱ(4)平行且彼此正对，两根所述的耦合线Ⅱ(4)的任意一端分别为信号的输入端T4和输入端T5，两根所述的耦合线Ⅱ(4)相对连接电容C1或电容C2端的另一端均接地；两根所述的传输线Ⅱ(3)连接，两根传输线Ⅱ(3)相对连接另一根传输线Ⅱ(3)端的另一端分别为信号的输出端T6和输出端T7。
5.根据权利要求4所述的新型宽度高平衡度巴伦，其特征在于，所述传输线Ⅰ(1)、传输线Ⅱ(3)、耦合线Ⅰ(2)及耦合线Ⅱ(4)的长度均为四分之一工作中心频率对应的波长；同一耦合单元Ⅰ中的传输线Ⅰ(1)和耦合线Ⅰ(2)两端端头对齐，同一耦合单元Ⅱ中的传输线Ⅱ(3)和耦合线(4)两端端头对齐。
6.根据权利要求5所述的新型宽度高平衡度巴伦，其特征在于，所述传输线Ⅰ(1)、传输线Ⅱ(3)、耦合线Ⅰ(2)及耦合线Ⅱ(4)的形状均一致。
7.根据权利要求5所述的新型宽度高平衡度巴伦，其特征在于，所述传输线Ⅰ(1)、传输线Ⅱ(3)、耦合线Ⅰ(2)及耦合线Ⅱ(4)在工作频率在0.1GHz～14.1GHz范围内时，其长度取值均为2940μm。
8.根据权利要求5所述的新型宽度高平衡度巴伦，其特征在于，所述传输线Ⅰ(1)、传输线Ⅱ(3)、耦合线Ⅰ(2)及耦合线Ⅱ(4)在工作频率在18GHz～40GHz范围内时，其长度取值为720μm。
9.根据权利要求1所述的新型宽度高平衡度巴伦，其特征在于，所述第一级巴伦和第二级巴伦采用Marchand巴伦、电容耦合传输线巴伦、平面螺旋巴伦、环形耦合器、功分-反相器巴伦和磁通耦合变压器巴伦中的任意一种。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010909813.8A CN112073023A (zh) | 2020-09-02 | 2020-09-02 | 新型宽带高平衡度巴伦 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010909813.8A CN112073023A (zh) | 2020-09-02 | 2020-09-02 | 新型宽带高平衡度巴伦 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112073023A true CN112073023A (zh) | 2020-12-11 |
Family
ID=73666240
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010909813.8A Pending CN112073023A (zh) | 2020-09-02 | 2020-09-02 | 新型宽带高平衡度巴伦 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112073023A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113036381A (zh) * | 2021-03-08 | 2021-06-25 | 深圳市晶讯技术股份有限公司 | 微带线式的平衡不平衡转换器 |
| US20220416751A1 (en) * | 2021-06-24 | 2022-12-29 | Intel Corporation | Impedance matching circuit and an impedance matching element |
| WO2023093349A1 (zh) * | 2021-11-24 | 2023-06-01 | 深圳飞骧科技股份有限公司 | 一种高频宽带巴伦匹配变换器及射频装置 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020097107A1 (en) * | 2001-01-22 | 2002-07-25 | Broadcom Corporation | Balun transformer for a satellite television tuner |
| US20050200425A1 (en) * | 2002-05-15 | 2005-09-15 | Zeevo | System method and apparatus for a three-line balun with power amplifier bias |
| US20100271280A1 (en) * | 2007-09-14 | 2010-10-28 | The Government Of The Us, As Represented By The Secretary Of The Navy | Double balun dipole |
| US20110102096A1 (en) * | 2009-11-03 | 2011-05-05 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Marchand balun device for forming parallel and vertical capacitance |
| CN102428647A (zh) * | 2009-03-12 | 2012-04-25 | 赫梯特微波公司 | 混合马尔昌（Marchand）/回波巴伦(balun)以及使用它的双平衡混频器 |
| KR20160150493A (ko) * | 2015-06-22 | 2016-12-30 | 광운대학교 산학협력단 | 메타물질 회로를 이용한 광대역 소형 마천드 발룬 |
| CN111130469A (zh) * | 2019-11-15 | 2020-05-08 | 西安电子科技大学 | 宽带cmos二阶有源巴伦放大器 |
| CN210926268U (zh) * | 2019-10-11 | 2020-07-03 | 北京信芯科技有限公司 | 一种紧凑型多线Marchand平面巴伦装置 |
-
2020
- 2020-09-02 CN CN202010909813.8A patent/CN112073023A/zh active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020097107A1 (en) * | 2001-01-22 | 2002-07-25 | Broadcom Corporation | Balun transformer for a satellite television tuner |
| US20050200425A1 (en) * | 2002-05-15 | 2005-09-15 | Zeevo | System method and apparatus for a three-line balun with power amplifier bias |
| US20100271280A1 (en) * | 2007-09-14 | 2010-10-28 | The Government Of The Us, As Represented By The Secretary Of The Navy | Double balun dipole |
| CN102428647A (zh) * | 2009-03-12 | 2012-04-25 | 赫梯特微波公司 | 混合马尔昌（Marchand）/回波巴伦(balun)以及使用它的双平衡混频器 |
| US20110102096A1 (en) * | 2009-11-03 | 2011-05-05 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Marchand balun device for forming parallel and vertical capacitance |
| KR20160150493A (ko) * | 2015-06-22 | 2016-12-30 | 광운대학교 산학협력단 | 메타물질 회로를 이용한 광대역 소형 마천드 발룬 |
| CN210926268U (zh) * | 2019-10-11 | 2020-07-03 | 北京信芯科技有限公司 | 一种紧凑型多线Marchand平面巴伦装置 |
| CN111130469A (zh) * | 2019-11-15 | 2020-05-08 | 西安电子科技大学 | 宽带cmos二阶有源巴伦放大器 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 柏柯;周浩淼;: "一种基于LTCC技术的新型Marchand巴伦滤波器", 电子技术应用, no. 06, 6 June 2019 (2019-06-06), pages 64 - 66 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113036381A (zh) * | 2021-03-08 | 2021-06-25 | 深圳市晶讯技术股份有限公司 | 微带线式的平衡不平衡转换器 |
| US20220416751A1 (en) * | 2021-06-24 | 2022-12-29 | Intel Corporation | Impedance matching circuit and an impedance matching element |
| WO2023093349A1 (zh) * | 2021-11-24 | 2023-06-01 | 深圳飞骧科技股份有限公司 | 一种高频宽带巴伦匹配变换器及射频装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7880557B2 (en) | Hybrid marchand/back-wave balun and double balanced mixer using same | |
| US8498604B2 (en) | Double balanced mixer | |
| CN112073023A (zh) | 新型宽带高平衡度巴伦 | |
| US5304961A (en) | Impedance transforming directional coupler | |
| US9300022B2 (en) | Vaisman baluns and microwave devices employing the same | |
| US5825260A (en) | Directional coupler for the high-frequency range | |
| US10892539B2 (en) | Branch-line coupler | |
| CN216390912U (zh) | 一种高频宽带巴伦匹配变换器及射频装置 | |
| Yang et al. | Greater than the sum of its parts | |
| US11271597B1 (en) | Wideband transmitter for millimeter-wave wireless communication | |
| CN110460310A (zh) | 一种超宽带高谐波抑制太赫兹倍频器 | |
| CN115714586A (zh) | 变压器耦合式巴伦结构及射频模组 | |
| CN113809989A (zh) | 一种基于GaAs工艺的宽带低变频损耗双平衡混频器芯片 | |
| US7541887B2 (en) | Balun | |
| Hossain et al. | A compact broadband Marchand balun for millimeter-wave and sub-THz applications | |
| CN101510629A (zh) | 半模基片集成波导双平衡混频器及其实现方法 | |
| US5777527A (en) | Method and apparatus for coupling a differential signal to an unbalanced port | |
| US8362835B2 (en) | Decade bandwidth planar MMIC four port transformer | |
| KR100471049B1 (ko) | 링 하이브리드 결합기를 이용한 비방사 유전체 도파관혼합기 | |
| Ang et al. | 40 to 90 GHz impedance-transforming CPW Marchand balun | |
| Feng et al. | Balanced to unbalanced: An overview of multifunctional wideband balanced-to-unbalanced four-and five-port filtering power dividers | |
| Zhongpu et al. | Design of a Ka-band double balance mixer based on the marchand balun | |
| CN112019192A (zh) | 一种基于变压器的高阶耦合正交信号产生电路及其应用 | |
| JP2008054174A (ja) | ９０度ハイブリッド回路 | |
| JP2015043499A (ja) | 分布ミキサ |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |