一種工作于4GHz的正方形微帶巴倫設(shè)計(jì)*

汪海鵬，楊曙輝，陳迎潮，馮夢(mèng)璐（.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究院，北京0009；2.中國(guó)傳媒大學(xué)通信工程系，北京0002；.南卡羅來納大學(xué)電氣工程系，美國(guó)哥倫比亞29208；.北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京000）

一種工作于4GHz的正方形微帶巴倫設(shè)計(jì)*

汪海鵬1，楊曙輝2*，陳迎潮3，馮夢(mèng)璐4
（1.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究院，北京100094；2.中國(guó)傳媒大學(xué)通信工程系，北京100024；3.南卡羅來納大學(xué)電氣工程系，美國(guó)哥倫比亞29208；4.北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京100101）

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)巴倫是一端開路的對(duì)稱四端口網(wǎng)絡(luò)，在奇偶模分析的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)的巴倫結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種工作于4GHz的正方形微帶巴倫。利用HFSS進(jìn)行仿真分析，并加工成實(shí)物。測(cè)試結(jié)果表明，在3.7 GHz～5 GHz范圍內(nèi)，|S11|大于10 dB；在工作頻段內(nèi)，|S21|與|S31|均小于4 dB，S21與S31之間的相位差在178°到183°范圍內(nèi)。該巴倫結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)成本較低，可應(yīng)用于無線局域網(wǎng)、射頻識(shí)別等領(lǐng)域。

微帶巴倫；S參數(shù)；奇偶模；四端口網(wǎng)絡(luò)

巴倫是一種應(yīng)用廣泛的三端口微波器件，可用于偶極子天線［1，2］，平衡濾波器［3］和低噪聲放大器［4］中。近年來研究熱點(diǎn)是設(shè)計(jì)微波頻段的巴倫。例如，文獻(xiàn)［5］采用Rogers高頻電路板設(shè)計(jì)了一種工作于2.45 GHz和5.25 GHz的雙頻偶極子天線巴倫；文獻(xiàn)［6］設(shè)計(jì)了基于傳輸線巴倫，工作頻率為1 GHz；文獻(xiàn)［7］利用聚四氟乙烯板材實(shí)現(xiàn)了一種Marchand結(jié)構(gòu)，工作頻率為1 GHz的巴倫。考慮到結(jié)構(gòu)、成本等問題，本文設(shè)計(jì)了一種工作頻率為4GHz，基于FR-4材料的正方形微帶巴倫。

1　巴倫結(jié)構(gòu)分析

巴倫的工作原理是將輸入端的非平衡信號(hào)分成兩路具有180°相位差的差分信號(hào)。將傳統(tǒng)的對(duì)稱四端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)端口短路從而構(gòu)成三端口網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。對(duì)于該結(jié)構(gòu)可根據(jù)奇偶模法進(jìn)行分析。其中，巴倫工作需滿足的充要條件［1］，

其中，Teven是偶模傳輸系數(shù)，Zodd是奇模阻抗，ZS的值是50Ω，其等效電路如圖2所示。

圖1　三端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2　等效電路

圖3　結(jié)構(gòu)原理圖

偶模激勵(lì)，如圖2（a），滿足式（1）。開路枝節(jié)與左邊的枝節(jié)構(gòu)成了1/4波長(zhǎng)傳輸線。該傳輸線在所設(shè)計(jì)的頻率處可將開路線轉(zhuǎn)換成短路電路；對(duì)于奇模激勵(lì)下，如圖2（b），滿足式（2），1/4波長(zhǎng)傳輸線的等效電路如圖3所示。根據(jù)傳輸線理論可得到表1所示的設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1　正四邊形微帶巴倫的設(shè)計(jì)參數(shù)

2　正方形巴倫的仿真與實(shí)測(cè)

本文提出的正四邊形微帶巴倫，如圖4所示。利用HFSS進(jìn)行優(yōu)化，得到了巴倫的S參數(shù)和相位差的仿真結(jié)果，如圖5所示。

從圖5可以看出，在3.5 GHz～5.1 GHz范圍內(nèi)|S11|大于10 dB，其中最大值為25 dB；在3.8 GHz～4.8GHz范圍內(nèi)|S21|與|S31|皆小于5 dB；在3.5GHz～4.6GHz范圍內(nèi)S21與S31之間的相位差在175°到185°之間。根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行了實(shí)物加工，基板材料采用FR-4，厚度1mm，表面金屬銅箔厚度0.035mm，尺寸20mm×20mm。電路實(shí)物及測(cè)試環(huán)境如圖6所示。

圖4　巴倫結(jié)構(gòu)

圖5　仿真結(jié)果

圖6　巴倫實(shí)物及測(cè)試環(huán)境

利用Agilent E8363C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行實(shí)物測(cè)試，圖7和圖8對(duì)比顯示了實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果。

圖7　S參數(shù)比較結(jié)果

從圖 7可以看出，|S11|、|S21|與|S31|的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。存在的誤差分析原因可能主要包括以下幾個(gè)方面：（1）實(shí)際加工工藝的誤差；（2）測(cè)試時(shí)，輸入與輸出端的SMA接口需與網(wǎng)絡(luò)分析儀的N制接頭進(jìn)行轉(zhuǎn)換，會(huì)存在一定的轉(zhuǎn)接誤差；（3）由于巴倫是三端口電路，在實(shí)際測(cè)試中需在其中一個(gè)輸出端連接50Ω負(fù)載，而負(fù)載的阻值與仿真采用的阻值存在一定誤差。

圖8　相位差比較結(jié)果

從圖8可以看出，相位差的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果存在差異，這與測(cè)試中的采樣點(diǎn)數(shù)有關(guān)。在相位差的測(cè)試中選用了61個(gè)采樣點(diǎn)，得到在0.1 GHz到10 GHz之間如圖5（b）的實(shí)測(cè)結(jié)果。作為對(duì)比，表2給出了本文與相關(guān)參考文獻(xiàn)的設(shè)計(jì)結(jié)果。

表2　相關(guān)文獻(xiàn)的設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比

3　結(jié)束語

本文對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的巴倫進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種正方形微帶巴倫。在仿真基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)物加工測(cè)試。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，|S11|在3.7 GHz～5 GHz范圍內(nèi)大于10 dB；|S21|和|S31|在工作頻率上最大值分別為3.7 dB和2.4 dB；輸出端口之間的相位差在± 3°。所設(shè)計(jì)的巴倫，工作帶寬較寬、成本較低，可應(yīng)用于無線局域網(wǎng)，射頻識(shí)別等領(lǐng)域。

［1］ Hualiang Zhang，Hao Xin.A Dual-Band Dipole Antennawith Integrated-Balun［J］.Antennas and Propagation，IEEE Transactions on，2009，57（3）：786-789.

［2］ 陳瓊，楊杰，王善進(jìn)，等.無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)915MHz天線的設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2014，38（4）：746-748.

［3］ 杜澤保，朱旻，張海英，等.基于UWB系統(tǒng)的巴倫濾波器組合器件［J］.微波學(xué)報(bào)，2010，26（S1）：351-354.

［4］ 寧方瀟，張健，陳曉哲，等.一種用于UHFRFID閱讀器的無電感巴倫LNA設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（15）：117-120.

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［9］ Raaed THammed.CompactMarchand Balun Circuit for UWBApplication［J］.International Journalof Electronicsand Communica-tions，2015，69（5）：851-855.

［10］Jin Shao，Rongguo Zhou，Chang Chen，et al.Design of a W ideband Balun Using Parallel Strips［J］.Microwave and Wireless Components Letters，IEEE，2013，23（2）：125-127.

汪海鵬（1989-），男，漢族，北京人，中國(guó)航天科技集團(tuán)公司物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究院助理工程師，從事射頻無源器件設(shè)計(jì)研究，work_bistuwhp@126.com；

楊曙輝（1971-），男，漢族，黑龍江寶清人，中國(guó)傳媒大學(xué)教授，主要從事射頻通信、信號(hào)完整性、人工電磁材料等研究，yangshuhui@cuc.edu.cn；

陳迎潮（1956-），男，漢族，江蘇南京人，美國(guó)南卡羅來納大學(xué)教授，主要從事計(jì)算電磁學(xué)、信號(hào)完整性等研究，yinchao. chen@gamail.com；

馮夢(mèng)璐（1991-），女，漢族，湖南岳陽人，北京信息科技大學(xué)碩士研究生，主要研究方向基于PCB的芯片無線互連微通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究，fm l9159@126.com。

Design of a Square Microstrip Balun Working at 4GHz*

WAN GHaipeng1，YANG Shuhui2*，CHEN Yinchao3，F(xiàn)ENGMenglu4
（1.InternetofThings Technology Application Institute，CASC，Beijing 100094，China；2.Department of Communication Engineering，Communication Uniυersity of China，Beijing 100024，China；3.Electrical Engineering School，Uniυersity of South Carolina，Columbia 29208，USA；4.Information and Communication Engineering Institute，Beijing Information and Science Technology，Beijing 100101，China）

The traditional structure of balun is a symmetrical four-port network with the fourth port open-circuited. Ithas been analyzed using the even-oddmodemethod.A squaremicrostrip balun working at 4 GHz is improved.It was fabricated after being simulated by employing the HFSSsoftware.Themeasured results show that，|S11|ismore than 10 dB from 3.7GHz to 5GHz，|S21|and|S31|are less than 4 dB at the range ofworking band.Besides，the difference phase of S21and S31is about178 degree to 183 degree.The proposed balun has a simple structurewith a lower cost，and can be used in the application ofwireless local area network（WLAN）and radio frequency identification （RFID），etc.

microstrip balun；s parameter；even-oddmode；four-portnetwork

N702

A

1005-9490（2016）04-0755-04

項(xiàng)目來源：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61171039）

2015-09-14修改日期：2015-10-18

EEACC:135010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.001