基于耦合線的雙頻小型化功能融合巴倫設計

王 碩,鄧連生,周 喬

(湖北理工學院 電氣與電子信息工程學院,湖北 黃石 435003)

巴倫是現(xiàn)代通信設備的重要組成部分,常用來實現(xiàn)差分電路和單端電路之間的相互轉換。5G/6G為人們提供方便快捷網速的同時,越來越復雜的信號也需要更高性能的巴倫。根據(jù)不同實現(xiàn)方法,巴倫大致分為分支線巴倫、集總巴倫和耦合線巴倫。分支線巴倫主要由多段微帶線組成,電路面積比較大。集總巴倫采用了電阻、電容等集總元件,電路面積有較大的縮減,但隨著頻率升高,尤其在5G通信中加入毫米波通信頻段后,其電感電容在高頻率下的寄生效應會嚴重影響電路性能。相較于分支線巴倫,耦合線巴倫[1]的電路結構更加緊湊,高頻率下的寄生效應也相對較小。因此,本文提出一種基于耦合線的雙頻小型化功能耦合巴倫,利用級聯(lián)的耦合線實現(xiàn)阻抗變化、雙頻、小型化等多種功能。

1 巴倫的基本原理

圖1 巴倫基本原理圖

相較于其他微波器件,巴倫除了要有較好的端口反射系數(shù)和傳輸系數(shù)外,還需要有較好的相位不平衡度。因為巴倫要實現(xiàn)單端到差分的變化,所以2個端口的相位差必須保持在180°,即2個端口保持反向。相位不平衡度定義如下[2]。

Plase_Imbalance=Phase(S21)-Phase(S31)

(1)

式(1)中,S21和S31為散射參數(shù)(S參數(shù))。S參數(shù)由入射和反射電壓波之間的關系確定。

(2)

S矩陣的元素為:

(3)

2 理論分析與設計

2.1 電路結構

功能融合巴倫電路如圖3所示。電路中間包含了3對級聯(lián)的耦合線,輸入端口1位于左側耦合線,輸出端口2和3位于右側耦合線,用于實現(xiàn)阻抗變換和信號變換。左側的開路枝節(jié)實現(xiàn)了在偶模激勵下將端口1短路,右側的微帶線和串聯(lián)電阻不僅保證端口的匹配還實現(xiàn)了高隔離特性。3對耦合線的奇偶模阻抗分別為Ze1Zo1、Ze2Zo2和Ze3Zo3;電長度統(tǒng)一設置為θ;左、右側微帶線的阻抗分別為Z1和Z2;隔離電阻為R;電路的輸入阻抗為RS,輸出阻抗為RL,以保證巴倫具有阻抗變換的作用。

圖3 功能融合巴倫電路

2.2 理論分析

2.2.1偶模分析

功能融合巴倫除端口外是一個對稱電路,所以采用奇偶模分析法對電路進行分析。當電路處于偶模激勵下,開路枝節(jié)Z1和接地電阻R可以視為原來的2倍,耦合線的奇模電阻斷開,得到的偶模等效電路如圖4(a)所示。

(a) 偶模等效電路 (b) 簡化的偶模等效電路

從文獻[3]可知,為了實現(xiàn)雙頻下所有端口匹配、輸出端口之間高隔離等特性,端口1在2個頻點處要同時短路,則開路枝節(jié)Z1和偶模阻抗Ze1要滿足式(4)。在式(4)的條件下,偶模等效電路可以簡化為圖4(b)。為保證電路結構的端口2匹配,由傳輸線理論[3]可以得到式(5)和式(6)。聯(lián)立式(5)和(6),利用實部和虛部的關系可得偶模阻抗Ze2、枝節(jié)線Z2和接地阻抗R的關系式,式(7)和式(8)。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

2.2.2奇模分析

當電路處于奇模激勵下,開路枝節(jié)Z2和接地電阻R均被視為短路[4],則功能融合巴倫的奇模等效電路如圖5所示。

圖5 功能融合巴倫的奇模等效電路

奇模激勵下端口1的反射系數(shù)S11o、偶模下的輸入阻抗Zino可表示為式(9)～(11)。從文獻[5]可知,為了實現(xiàn)雙頻下所有端口匹配,反射系數(shù)要滿足S11o=1/3。聯(lián)立式(9)～(11),左右側耦合線的奇模特征阻抗表示為式(12)和(13)。

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

3 仿真與測試

從上述理論分析可知電路參數(shù)Zo1、Ze2、Zo3、Z1和R的表達式,其它參數(shù)(包含Rs、RL等)均為自由變量。另一方面,巴倫電路的實現(xiàn)還受到平面印刷電路板工藝的限制,即要求微帶線寬度以及耦合線的寬度和縫隙大于0.1 mm,反應到阻抗上的約束關系為:

(14)

根據(jù)公式(14)提供的約束范圍,可以得到本文巴倫能夠實現(xiàn)的頻率比范圍為1.7～2.8。為了進一步驗證推導的正確性,本節(jié)設計了一款頻率比為2,即第一工作頻點為1 GHz,另一個工作頻點為2 GHz的雙頻功能融合巴倫,對應的電路參數(shù)依次為:RS=20 Ω,RL=55 Ω,Ze1=30 Ω,Zo1=19.93 Ω,Ze2=40 Ω,Zo2=30 Ω,Ze3=70 Ω,Zo3=36.5 Ω,Z1=45 Ω,Z2=35.71 Ω,R=29.83 Ω,得到功能融合巴倫電路的S參數(shù)仿真結果如圖6所示。

(a) 隔離庫 (b) 端口反射系數(shù) (c) 插入損耗 (d) 相位差

從圖6可以看出,電路在1 GHz和2 GHz的插入損耗(S21和S31)均為3 dB,說明端口2和端口3均分了輸入信號,除此之外沒有帶來額外的損耗;相位差在2個頻點均為180°,說明了2個輸出端口為差分端口;其他端口散射參數(shù)(S11、S22和S33)在2個頻點處均小于-30 dB,實現(xiàn)了端口匹配。端口2和3之間的隔離度S23/S32也均小于-25 dB,表明微帶線加接地電阻可以加強端口之間的隔離度[6]。

4 性能對比

本設計中的巴倫與其他同類型巴倫的性能對比見表1。由表1可以看出,本設計中的巴倫具有高隔離、結構緊湊等優(yōu)點,同時具備雙頻和阻抗變化等特性。

表1 本設計中的巴倫與其他同類型巴倫的性能對比

5 結論

本文提出了一種具有高隔離特性的小型化功能融合巴倫。巴倫電路左側的開路枝節(jié),可以在偶模激勵的情況下讓輸入端口短路,電路中間的級聯(lián)耦合線可以使電路實現(xiàn)雙頻的阻抗變換和單端到平衡的變換,電路右側的微帶線和接地電阻實現(xiàn)了輸出端口的匹配和高隔離性。通過緊湊的設計,本文巴倫與同類型的巴倫相比,尺寸明顯減小,在終端設備電路面積日趨緊張的今天,能夠更好地適用于5G通信系統(tǒng)。