CN114597620A - 巴伦结构及混频器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种巴伦结构及混频器，该巴伦结构包括：单共面波导结构、平行板结构、双共面波导结构；平行板结构中上平行板和下平行板平行设置；单共面波导结构中第一信号线与下平行板连接，第一接地线和第二接地线均通过金属柱与上平行板连接；双共面波导结构中第二信号线通过金属柱与上平行板连接，第三信号线与下平行板连接，第三接地线、第五接地线均与第四接地线相连；第一信号线的另一端为巴伦结构的非平衡输入端口，第二信号线的另一端为巴伦结构的第一平衡输出端口，第三信号线的另一端为巴伦结构的第二平衡输出端口。本发明能够解决传统巴伦存在的损耗高、尺寸大、不易集成和相位平衡度不够的技术问题。

Description

巴伦结构及混频器
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种巴伦结构及混频器。
背景技术
近年来，由于信道容量日趋紧张，且毫米波频段有着较为丰富的频谱资源，因此通信领域越来越向着高频方向发展。通信系统中包含了大量有源无源器件，而作为平衡-非平衡转换器的巴伦，在多种器件中都起着重要作用。
巴伦的分类有多种方式，根据不同的应用、不同的设计方法，分类的标准都是不同的。总体上可以分为有源巴伦、无源巴伦两大类。传统的有源巴伦很小的尺寸就可以提供非常宽的带宽和一定的増益，但是会限制系统整体的动态范围。传统的无源巴伦不用消耗任何直流供电，带宽也可以做到较宽，线性度好，但存在低频时尺寸非常大，不易集成的缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种巴伦结构及混频器，以解决传统巴伦存在的损耗高、尺寸大、不易集成和相位平衡度不够的技术问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种巴伦结构，包括：
单共面波导结构、平行板结构、双共面波导结构；
其中，所述平行板结构包括上平行板和下平行板，所述上平行板和下平行板平行设置；
所述单共面波导结构为包含第一信号线、第一接地线、第二接地线的共面波导结构，所述第一信号线与所述下平行板连接，所述第一接地线和所述第二接地线均通过金属柱与所述上平行板连接；
所述双共面波导结构为包含第二信号线、第三信号线、第三接地线、第四接地线、第五接地线的共面波导结构，所述第二信号线通过金属柱与所述上平行板连接，所述第三信号线与所述下平行板连接，所述第三接地线与所述第四接地线相连，所述第五接地线与所述第四接地线相连；
所述第一信号线不与所述上平行板连接的一端为所述巴伦结构的非平衡输入端口，所述第二信号线不与所述下平行板连接的一端为所述巴伦结构的第一平衡输出端口，所述第三信号线不与所述上平行板连接的一端为所述巴伦结构的第二平衡输出端口。
在一种可能的实现方式中，所述第一信号线、所述第一接地线、所述第二接地线位于所述单共面波导结构基底的同一平面上；所述第一信号线位于所述第一接地线和所述第二接地线中间。
在一种可能的实现方式中，所述第二信号线、所述第三信号线、所述第三接地线、所述第四接地线、所述第五接地线位于所述双共面波导结构基底的同一平面上；所述第三接地线、所述第四接地线、所述第五接地线依次排列，所述第二信号线位于所述第三接地线和所述第四接地线的中间，所述第三信号线位于所述第四接地线和所述第五接地线的中间。
在一种可能的实现方式中，所述第三接地线通过第一跨接线与所述第四接地线连接。
在一种可能的实现方式中，所述第五接地线通过第二跨接线与所述第四接地线连接。
在一种可能的实现方式中，所述上平行板、所述下平行板、所述第一信号线、所述第二信号线、所述第三信号线、所述第一接地线、所述第二接地线、所述第三接地线、所述第四接地线、所述第五接地线和所述金属柱的材料均为铜。
在一种可能的实现方式中，所述巴伦结构的基底材料为砷化镓。
本发明实施例的第二方面提供了一种混频器，包括如上述第一方面所述的巴伦结构。
本发明提供的巴伦结构的有益效果在于：
区别于传统的巴伦结构，本发明设计的巴伦结构，采用平行板与共面波导结合的结构，替代1/4波长传输线，实现非平衡信号和平衡信号的转换，拓宽了带宽。本设计的巴伦结构在进行信号转换时，由于不使用1/4波长传输线，因此减小了尺寸，同时减少了损耗，提高了相位平衡度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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为本发明一实施例提供的巴伦结构整体原理图；
图2为本发明一实施例提供的巴伦结构侧视图；
图3为本发明一实施例提供的单共面波导结构主视图；
图4为本发明一实施例提供的平行板结构主视图；
图5为本发明一实施例提供的双共面波导结构主视图；
图6为本发明一实施例提供的双共面波导结构俯视图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本方案的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含，并不仅限于文中列举的示例。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
近年来，由于信道容量日趋紧张，且毫米波频段有着较为丰富的频谱资源，因此通信领域越来越向着高频方向发展。随着包括5G技术在内的多种无线通讯技术的快速发展，万物互联逐渐成为现实，各种电子产品，通讯基站，工业设备都可以通过无线接入的方式相互通讯，这一切都给射频，毫米波太赫兹等频段的通信系统小型化带来了挑战。由于毫米波频段对应器件尺寸较小、且天线阵面采用MASSIVE MIMO架构，通道数较多，因此收发通道大都采用MMIC芯片进行设计。
通信系统中包含了大量有源无源器件，而作为平衡-非平衡转换器的巴伦，在多种器件中都起着重要作用。巴伦主要作用为实现单端输入到差分输入的转化，在混频器，移相器，倍频器等需要输出两路幅度相同，但相位相反信号的电路中应用广泛。
巴伦的分类有多种方式，根据不同的应用、不同的设计方法，分类的标准都是不同的。总体上可以分为有源巴伦、无源巴伦两大类。在微波毫米波频段传输线基本为微带线，因此微带巴伦是微波毫米波频段中应用最多的一种巴伦结构。微带巴伦根据结构的不同也可以分为很多种类。
传统的有源巴伦很小的尺寸就可提供非常宽的带宽和一定的増益，但是会限制系统整体的动态范围。
无源巴伦可以分为集总参数巴伦，变压巴伦和分布参数巴伦。集总参数巴伦由于使用的是集总元件，其优势在于便于设计、结构简单、成本相对较低并且还可以实现阻抗变换；其劣势在于在微波毫米波工作频带内，频率对电容和电感都具有较大的影响，因此集总参数巴伦只适用于很低的频率范围内并且带宽很窄。变压巴伦的核心是由高频变压器组成，其优势在于电路结构紧凑、性能稳定。分布参数巴伦是以传输线为核心的巴伦，根据传输线的不同，可以分为同轴巴伦和平面巴伦两种。同轴巴伦也可以进一步的分为：厄流式巴伦、反相式巴伦、对等式巴伦等。传统的无源巴伦不用消耗任何直流供电，带宽也可做到较宽，而且线性度好，但存在低频时尺寸非常大，不易集成的问题。本发明提出了一种基于砷化镓工艺的新型巴伦结构，采用平行板转共面波导的结构，具有损耗低、尺寸小、易集成和相位平衡度好等优点。
本发明实例提供了一种巴伦结构，参见图1所示，巴伦结构T1上具有非平衡输入端口I1、第一平衡输出端口O1、第二平衡输出端口O2。
请一并参见图2至图6所示，巴伦结构T1包括：单共面波导结构T11、平行板结构T12、双共面波导结构T13。单共面波导结构T11为包含第一信号线CS1、第一接地线CG11、第二接地线CG12的共面波导结构，第一信号线CS1与下平行板PB连接，第一接地线CG11和第二接地CG12线通过金属柱Z1、Z2与上平行板PU连接。平行板结构T12包括上平行板PU和下平行板PB，上平行板PU和下平行板PB平行设置。双共面波导结构T13为包含第二信号线CS21、第三信号线CS22、第三接地线CG21、第四接地线CG22、第五接地线CG23的共面波导结构，第二信号线CS21通过金属柱Z3与上平行板PU连接，第三信号线CS22与下平行板PB连接，第三接地线CG21与第四接地线CG22相连，第五接地线CG23与第四接地线CG22相连。其中，第一信号线CS1不与上平行板PU连接的一端为巴伦结构的非平衡输入端口I1，第二信号线CS21不与下平行板PB连接的一端为巴伦结构的第一平衡输出端口O1，第三信号线CS22不与上平行板PU连接的一端为巴伦结构的第二平衡输出端口O2。
在本发明实施例中，区别于传统的巴伦结构，本发明设计的巴伦结构，采用平行板与共面波导结合的结构，实现非平衡信号和平衡信号的转换，替代1/4波长传输线，拓宽了带宽。本设计的巴伦结构在进行信号转换时，由于不使用1/4波长传输线，因此减小了尺寸，同时减少了损耗，提高了相位平衡度。
在一种可能的实现方式中，参见图3所示，第一信号线CS1、第一接地线CG11、第二接地线CG12位于单共面波导结构T11基底的同一平面上，形成共面波导结构；第一信号线CS1位于第一接地线CG11和第二接地线CG12中间。
在一种可能的实现方式中，参见图5、图6所示，第二信号线CS21、第三信号线CS22、第三接地线CG21、第四接地线CG22、第五接地线CG23位于双共面波导结构T13基底的同一平面上，形成共面波导结构；第三接地线CG21、第四接地线CG22、第五接地线CG23依次排列，第二信号线CS21位于第三接地线CG21和第四接地线CG22的中间，第三信号线CS22位于第四接地线CG22和第五接地线CG23的中间。
在一种可能的实现方式中，参见图5、图6所示，由于第二信号线CS21位于第三接地线CG21和第四接地线CG22的中间，因此第三接地线CG21可以通过第一跨接线J1与第四接地线CG22连接。
在一种可能的实现方式中，参见图5、图6所示，由于第三信号线CS22位于第四接地线CG22和第五接地线CG23的中间，因此第五接地线CG23可以通过第二跨接线J2与第四接地线CG22连接。
在一种可能的实现方式中，上平行板PU、下平行板PB、第一信号线CS1、第二信号线CS21、第三信号线CS22、第一接地线CG11、第二接地线CG12、第三接地线CG21、第四接地线CG22、第五接地线CG23和金属柱Z1、Z2、Z3的材料均可以为铜。
在本发明实施例中，铜相的电阻抗小、不易生锈、使用寿命长、质软而且可以制成多股软线，大大提高了屈折次数。
在一种可能的实现方式中，巴伦结构的基底材料为砷化镓。
在本发明实施例中，砷化镓属于直接带隙材料，具有电子迁移率高、禁带宽度大、耐受温度高、本征载流子浓度低和抗辐射性能好的优势。在频率较高的毫米波频段当中，砷化镓材料较传统的Si材料有着巨大的优势。
此外，本发明实施例还提供了一种混频器，包括如上述所述的巴伦结构。
需要指出的是，本发明实施例所提出的巴伦结构，不仅仅可以应用于混频器中，还可以应用于任何需要输出两路幅度相同、但相位相反信号的电路中，例如移相器、倍频器等。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种巴伦结构，其特征在于，包括：单共面波导结构、平行板结构、双共面波导结构；
其中，所述平行板结构包括上平行板和下平行板，所述上平行板和下平行板平行设置；
所述单共面波导结构为包含第一信号线、第一接地线、第二接地线的共面波导结构，所述第一信号线与所述下平行板连接，所述第一接地线和所述第二接地线均通过金属柱与所述上平行板连接；
所述双共面波导结构为包含第二信号线、第三信号线、第三接地线、第四接地线、第五接地线的共面波导结构，所述第二信号线通过金属柱与所述上平行板连接，所述第三信号线与所述下平行板连接，所述第三接地线与所述第四接地线相连，所述第五接地线与所述第四接地线相连；
所述第一信号线不与所述上平行板连接的一端为所述巴伦结构的非平衡输入端口，所述第二信号线不与所述下平行板连接的一端为所述巴伦结构的第一平衡输出端口，所述第三信号线不与所述上平行板连接的一端为所述巴伦结构的第二平衡输出端口。
2.如权利要求1所述的巴伦结构，其特征在于，所述第一信号线、所述第一接地线、所述第二接地线位于所述单共面波导结构基底的同一平面上；所述第一信号线位于所述第一接地线和所述第二接地线中间。
3.如权利要求1所述的巴伦结构，其特征在于，所述第二信号线、所述第三信号线、所述第三接地线、所述第四接地线、所述第五接地线位于所述双共面波导结构基底的同一平面上；所述第三接地线、所述第四接地线、所述第五接地线依次排列，所述第二信号线位于所述第三接地线和所述第四接地线的中间，所述第三信号线位于所述第四接地线和所述第五接地线的中间。
4.如权利要求3所述的巴伦结构，其特征在于，所述第三接地线通过第一跨接线与所述第四接地线连接。
5.如权利要求3所述的巴伦结构，其特征在于，所述第五接地线通过第二跨接线与所述第四接地线连接。
6.如权利要求1所述的巴伦结构，其特征在于，所述上平行板、所述下平行板、所述第一信号线、所述第二信号线、所述第三信号线、所述第一接地线、所述第二接地线、所述第三接地线、所述第四接地线、所述第五接地线和所述金属柱的材料均为铜。
7.如权利要求1所述的巴伦结构，其特征在于，所述巴伦结构及混频器的基底材料为砷化镓。
8.一种混频器，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的巴伦结构。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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