王 硕,邓连生,周 乔

(湖北理工学院 电气与电子信息工程学院,湖北 黄石 435003)

巴伦是现代通信设备的重要组成部分,常用来实现差分电路和单端电路之间的相互转换。5G/6G为人们提供方便快捷网速的同时,越来越复杂的信号也需要更高性能的巴伦。根据不同实现方法,巴伦大致分为分支线巴伦、集总巴伦和耦合线巴伦。分支线巴伦主要由多段微带线组成,电路面积比较大。集总巴伦采用了电阻、电容等集总元件,电路面积有较大的缩减,但随着频率升高,尤其在5G通信中加入毫米波通信频段后,其电感电容在高频率下的寄生效应会严重影响电路性能。相较于分支线巴伦,耦合线巴伦[1]的电路结构更加紧凑,高频率下的寄生效应也相对较小。因此,本文提出一种基于耦合线的双频小型化功能耦合巴伦,利用级联的耦合线实现阻抗变化、双频、小型化等多种功能。

1 巴伦的基本原理

图1 巴伦基本原理图

相较于其他微波器件,巴伦除了要有较好的端口反射系数和传输系数外,还需要有较好的相位不平衡度。因为巴伦要实现单端到差分的变化,所以2个端口的相位差必须保持在180°,即2个端口保持反向。相位不平衡度定义如下[2]。

Plase_Imbalance=Phase(S21)-Phase(S31)

(1)

式(1)中,S21和S31为散射参数(S参数)。S参数由入射和反射电压波之间的关系确定。

(2)

S矩阵的元素为:

(3)

2 理论分析与设计

2.1 电路结构

功能融合巴伦电路如图3所示。电路中间包含了3对级联的耦合线,输入端口1位于左侧耦合线,输出端口2和3位于右侧耦合线,用于实现阻抗变换和信号变换。左侧的开路枝节实现了在偶模激励下将端口1短路,右侧的微带线和串联电阻不仅保证端口的匹配还实现了高隔离特性。3对耦合线的奇偶模阻抗分别为Ze1Zo1、Ze2Zo2和Ze3Zo3;电长度统一设置为θ;左、右侧微带线的阻抗分别为Z1和Z2;隔离电阻为R;电路的输入阻抗为RS,输出阻抗为RL,以保证巴伦具有阻抗变换的作用。

图3 功能融合巴伦电路

2.2 理论分析

2.2.1偶模分析

功能融合巴伦除端口外是一个对称电路,所以采用奇偶模分析法对电路进行分析。当电路处于偶模激励下,开路枝节Z1和接地电阻R可以视为原来的2倍,耦合线的奇模电阻断开,得到的偶模等效电路如图4(a)所示。

(a) 偶模等效电路 (b) 简化的偶模等效电路

从文献[3]可知,为了实现双频下所有端口匹配、输出端口之间高隔离等特性,端口1在2个频点处要同时短路,则开路枝节Z1和偶模阻抗Ze1要满足式(4)。在式(4)的条件下,偶模等效电路可以简化为图4(b)。为保证电路结构的端口2匹配,由传输线理论[3]可以得到式(5)和式(6)。联立式(5)和(6),利用实部和虚部的关系可得偶模阻抗Ze2、枝节线Z2和接地阻抗R的关系式,式(7)和式(8)。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

2.2.2奇模分析

当电路处于奇模激励下,开路枝节Z2和接地电阻R均被视为短路[4],则功能融合巴伦的奇模等效电路如图5所示。

图5 功能融合巴伦的奇模等效电路

奇模激励下端口1的反射系数S11o、偶模下的输入阻抗Zino可表示为式(9)～(11)。从文献[5]可知,为了实现双频下所有端口匹配,反射系数要满足S11o=1/3。联立式(9)～(11),左右侧耦合线的奇模特征阻抗表示为式(12)和(13)。

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

3 仿真与测试

从上述理论分析可知电路参数Zo1、Ze2、Zo3、Z1和R的表达式,其它参数(包含Rs、RL等)均为自由变量。另一方面,巴伦电路的实现还受到平面印刷电路板工艺的限制,即要求微带线宽度以及耦合线的宽度和缝隙大于0.1 mm,反应到阻抗上的约束关系为:

(14)

根据公式(14)提供的约束范围,可以得到本文巴伦能够实现的频率比范围为1.7～2.8。为了进一步验证推导的正确性,本节设计了一款频率比为2,即第一工作频点为1 GHz,另一个工作频点为2 GHz的双频功能融合巴伦,对应的电路参数依次为: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,得到功能融合巴伦电路的S参数仿真结果如图6所示。

(a) 隔离库 (b) 端口反射系数 (c) 插入损耗 (d) 相位差

从图6可以看出,电路在1 GHz和2 GHz的插入损耗(S21和S31)均为3 dB,说明端口2和端口3均分了输入信号,除此之外没有带来额外的损耗;相位差在2个频点均为180°,说明了2个输出端口为差分端口;其他端口散射参数(S11、S22和S33)在2个频点处均小于-30 dB,实现了端口匹配。端口2和3之间的隔离度S23/S32也均小于-25 dB,表明微带线加接地电阻可以加强端口之间的隔离度[6]。

4 性能对比

本设计中的巴伦与其他同类型巴伦的性能对比见表1。由表1可以看出,本设计中的巴伦具有高隔离、结构紧凑等优点,同时具备双频和阻抗变化等特性。

表1 本设计中的巴伦与其他同类型巴伦的性能对比

5 结论

本文提出了一种具有高隔离特性的小型化功能融合巴伦。巴伦电路左侧的开路枝节,可以在偶模激励的情况下让输入端口短路,电路中间的级联耦合线可以使电路实现双频的阻抗变换和单端到平衡的变换,电路右侧的微带线和接地电阻实现了输出端口的匹配和高隔离性。通过紧凑的设计,本文巴伦与同类型的巴伦相比,尺寸明显减小,在终端设备电路面积日趋紧张的今天,能够更好地适用于5G通信系统。