一種平衡不平衡轉(zhuǎn)換器及其設計方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，包括同心結構共面波導功分器，所述功分器采用兩級級聯(lián)形式，通過兩個同心結構、以Rogers 4350B為基材的共面波導級聯(lián)而成，每個同心結構從里向外依次由內(nèi)環(huán)軌線、中心軌線和外環(huán)軌線組成，內(nèi)環(huán)軌線與外環(huán)軌線電連接。用本發(fā)明的平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，可用的帶寬較寬，并且易于測量全部的S參數(shù)，同時在較寬的頻帶范圍內(nèi)不僅有較好的端口隔離特性，還有較理想的相位特性。
【專利說明】
-種平衡不平衡轉(zhuǎn)換器及其設計方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，特別設及一種寬帶平衡不平衡轉(zhuǎn)換器及其設計方 法。
【背景技術】
[0002] 己倫(Balun)是平衡不平衡轉(zhuǎn)變器，是將單端信號轉(zhuǎn)換成雙端信號的重要器件。己 倫不僅能夠起到很好的阻抗匹配作用，而且在平衡天線饋電網(wǎng)絡、微波平衡混頻器W及推 挽放大器等多種微波射頻器件中具有重要的作用。例如在天線設計中，具有偶極子結構(或 可W等效成偶極子結構）的對稱天線，要求饋入天線的電流是平衡的。如果饋入電流不平衡 就會引起天線的方向圖、極化方式等特性發(fā)生改變，使得天線的性能降低。尤其是在較寬頻 帶內(nèi)使用的對稱天線對饋電網(wǎng)絡有更高的要求。
[0003] 己倫用于實現(xiàn)單端電路和雙端電路的信號轉(zhuǎn)換。單端電路即阻抗變換器、濾波器 之類的單端輸入或單端輸出電路，傳輸?shù)男盘柺欠瞧胶庑盘?雙端電路是平衡混頻器、對稱 陣子天線之類的雙端輸入電路，傳輸?shù)氖瞧胶庑盘枴?br>[0004] 現(xiàn)有技術中的很多己倫要么可W方便的測試其全部S參數(shù)(平衡器件混合模散射 參數(shù)），但是帶寬較小;要么帶寬較寬，卻難于測量其全部的S參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于上述問題，提出了本發(fā)明，W便提供一種克服上述問題或至少部分地解決上 述問題的一種平衡不平衡轉(zhuǎn)換器。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，包括同屯、結構共面波導功 分器，所述功分器采用兩級級聯(lián)形式，通過兩個同屯、結構、WRogers 4350B為基材的共面波 導級聯(lián)而成，每個同屯、結構從里向外依次由內(nèi)環(huán)軌線、中屯、軌線和外環(huán)軌線組成，內(nèi)環(huán)軌線 與外環(huán)軌線電連接。
[0007] 進一步的，在輸入輸出端口阻抗(Zo)給定的條件下，通過下述公式及推導可確定 第二隔離電阻(R2)的阻值、第一隔離電阻(Ri)的阻值，第一級微帶阻抗(Zi)和第二級微帶阻 抗化)的估：
[000引
[0009] 進一步的，在輸入輸出端口阻抗(Zo)給定50 Q的條件下，可確定第二隔離電阻(R2) 的阻值為200 Q、第一隔離電阻(Ri)的阻值為90 Q，第一級微帶阻抗(Z093 Q和第二級微帶 阻抗估)的值67 Q。
[0010] 進一步的，在隔離電阻確定的情況下，使用Agilent的AppCAD軟件計算共面波導對 應特征阻抗的尺寸參數(shù)。
[0011] 進一步的，所述同屯、結構為同屯、圓結構，或者同屯、矩形結構或者同屯、其他形狀結 構;所述軌線線寬為3mm。
[0012] 進一步的，所述同屯、結構為同屯、圓結構，連接到輸入端口的同屯、圓簇:從同屯、圓屯、 到內(nèi)環(huán)軌線中點半徑為9.37mm，從同屯、圓屯、到中屯、圓環(huán)軌線中點半徑為14mm，從同屯、圓屯、 到外環(huán)軌線中點半徑為18.63mm，同屯、圓之間的間隙為1.63mm;連接到輸出端口的同屯、圓 簇:從同屯、圓屯、到內(nèi)環(huán)軌線中點半徑為10.14mm，從同屯、圓屯、到中屯、圓環(huán)軌線中點半徑為 14mm，從同屯、圓屯、到外環(huán)軌線中點半徑為17mm，同屯、圓之間的間隙為0.86mm;第一級與第二 級之間的隔離電阻為90 Q，第二級與輸出端的隔離電阻為200 Q。
[0013] 進一步的，所述平衡不平衡轉(zhuǎn)換器還包括功分器一個輸出端口后面添加一個180° 的反相器，使得同屯、結構功分器的兩個輸出端口具有180°相移特性。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種平衡不平衡轉(zhuǎn)換器的設計方法，所述方法包括 如下步驟：
[0015] 設計一個同屯、結構共面波導功分器，在輸入輸出阻抗給定的條件下，確定隔離電 阻的阻值W及共面波導的結構參數(shù)。
[0016] 進一步的，所述同屯、結構共面波導功分器采用兩級級聯(lián)形式，在輸入輸出端口阻 抗給定50 Q的條件下，可確定第二隔離電阻的阻值為200 Q、第一隔離電阻的阻值為80-100 Q，第一級微帶阻抗93 Q和第二級微帶阻抗的值67 Q。
[0017] 進一步的，所述設計方法還包括如下步驟：
[0018] 設計一個反相器，確保反相器兩端的阻抗值穩(wěn)定，使得同屯、結構功分器的兩個輸 出端口具有180°相移特性。
[0019] 應用本發(fā)明的平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，可用的帶寬較寬，并且易于測量全部的S參數(shù)。
【附圖說明】
[0020] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用 的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本 領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可W根據(jù)運些附圖獲得其他 的附圖。
[0021] 圖1為本發(fā)明一實施例的經(jīng)過兩級級聯(lián)的平衡不平衡轉(zhuǎn)換器的示意圖。
[0022] 圖2為本發(fā)明一實施例的功分器原理示意圖。
[0023] 圖3為基于圖2原理在偶模分析情況下的電路原理示意圖。
[0024] 圖4為基于圖2原理在奇模分析情況下的電路原理示意圖。
[0025] 圖5為本發(fā)明另一實施例的經(jīng)過一個功分器的平衡不平衡轉(zhuǎn)換器的示意圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面將參照附圖更詳細的描述本發(fā)明的示例性實施例。雖然附圖中顯示了本發(fā)明 的示例性實施例，然而應當理解，可W W各種形式實現(xiàn)本發(fā)明，而不應被運里闡述的實施例 所限制。相反，提供運些實施例是為了能更透徹的理解本發(fā)明，并且能夠?qū)⒈景l(fā)明的范圍完 整的傳達給本領域的技術人員。
[0027] 圖1所示的平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，是采用兩級級聯(lián)的同屯、功分器結構，包括 Wilkinson功分器、共面波導(CPW)和180°反相器，該平衡不平衡轉(zhuǎn)換器可W測試其全部S參 數(shù)的微帶己倫。具體原理分析如下：
[002引 UWilkinson 功分器
[0029] 其優(yōu)點在于設計方法較簡單、易于實現(xiàn)，并且在輸入輸出端口都匹配時，輸出端口 可W實現(xiàn)較高隔離。對于兩級級聯(lián)結構的WUkinson功分器，其原理圖如圖2所示，工作頻率 為f，功分器輸入輸出阻抗為50 Q，且為電路的參考阻抗。第一級與第二級微帶阻抗分別為 Zi, Z2。電長度3
在第一級和第二級通過連接電阻Ri, R2實現(xiàn)隔離度。由于其結構 是中屯、對稱的，可W用奇偶模理論分析此電路。
[0030] (1)偶模分析
[0031] 功分情況下，功分器的分支端口 2(Pod2)和端口 3。〇的3)信號幅度相等，相位相 同。沒有電流流過電路的對稱面，電阻化，R2視為開路，可W去掉。端口特征阻抗為Zo。偶模電 路分析如圖3所示。
[0032] 由于功分器關于中屯、線對稱，因此只需要單獨分析分支端口 2或者端口3。在此情 況下，功分器的公共端口 1的端口電壓不變，端口電流減小一半，特性阻抗等效為2Zo。通過2 段特性阻抗分別為Zi和Z2的1/4波長阻抗匹配線將公共端口阻抗2Zo匹配到分支端口阻抗 Zo O
[0033] 在工作頻率rf，輸出端口阻抗為
[0034]
[0035]
[0036] 可W得到
[0037]
(3)
[0038] 因此，只要匹配線的特性阻抗?jié)M足關系式(3)就可W將分支端口阻抗和公共端口 阻抗匹配好。
[0039] (2)奇模分析
[0040] 奇模情況下，功分器2，3端口信號幅度相等，但相位相差180°。功分器中屯、平面為 零電位，即接地。電功分器奇模電路分析圖如圖4所示。
[0041] 由于中屯、線為零電位面，因此公共端口等效阻抗為零，通過特性阻抗為Zi的1/4阻 抗線變換后在隔離電阻Ri處等效為開路，因此隔離電阻Ri處的阻抗?jié)M足：
[0045] Z〇2與隔離電阻R2并聯(lián)后匹配到分支端口阻抗Zo,
[0042]
[0043] 1線變換后為，
[0044]
[0046]
[0047] 曼可能的相等。假設化的2端口的電壓為V。 [004引
[0049]
[0050] 5隔離電阻化上的電流為
[0化1 ]
[0化2]
[0化3]
[0化4]
[0化5]
[0056] 式(3)、（6)，（10)給出了參數(shù)選擇的準則，一般情況下取端口特性阻抗Zo = SOQ。 為了達到在較寬的頻段范圍內(nèi)，駐波比較小，隔離度大，經(jīng)過一定的的取舍，將（10)式代入 (6)式可得:R2 = 4Z0 = 200 Q。之后應用AppCAD軟件仿真出Ri的近似取值為90 Q，從而推出Zi = 930，Z2 = 67Q。
[0057] 綜上，選取如下電路參數(shù):Zi = 93Q，Z2 = 67Q 瓜=90〇，R2 = 200 Q。
[005引2、共面波導(CPW)結構
[0059] 共面波導CPW可W支持準TEM模式傳播。與傳統(tǒng)的微帶線相比，具有W下優(yōu)點：易于 加工，易于并聯(lián)和串聯(lián)各種微波器件、福射損耗小等。共面波導在濾波器、混頻器、移相器等 中有廣泛應用。
[0060] 使用Agilent的AppCAD軟件計算CPW的對應特征阻抗的尺寸參數(shù)。HFSS采用有限元 法，可W方便精確的求解任意形狀S維無源結構的S參數(shù)和全波電磁場。使用HFSS建模仿 真，再進行優(yōu)化，得到較好的指標。
[0061] 本功分器采取兩級級聯(lián)的形式，具體通過兩個同屯、結構級聯(lián)構成，采用 Rogers4350B為基材的共面波導，每個同屯、結構從里向外依次由內(nèi)環(huán)軌線、中屯、軌線和外環(huán) 軌線組成，內(nèi)環(huán)軌線與外環(huán)軌線電連接。設計中所有軌線的線寬為3mm。如表1所示，連接到 輸入端口 1 (化的1)的同屯、圓簇:從同屯、圓屯、到內(nèi)環(huán)軌線中點半徑rl 1 =9.37mm,從同屯、圓屯、 到中屯、圓環(huán)軌線中點半徑rl2 = 14mm;從同屯、圓屯、到外環(huán)軌線中點半徑rl3 = 18.63mm，同屯、 圓之間的間隙為gap 1 = 1.63mm。連接到輸出端口的同屯、圓簇:從同屯、圓屯、到內(nèi)環(huán)軌線中點 半徑r 11 = 10.14mm，從同屯、圓屯、到中屯、圓環(huán)軌線中點半徑r 12 = 14mm;從同屯、圓屯、到外環(huán)軌 線中點半徑r 13 = 17mm，同屯、圓之間的間隙為gap2 = 0.86mm。第一級與第二級之間的隔離電 阻為Rl =80-100 Q，優(yōu)選90 Q，第二級與輸出端的隔離電阻為R2 = 200 Q。
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[0064] 本發(fā)明采用兩級級聯(lián)結構的平衡不平衡轉(zhuǎn)換器輸出端口可W實現(xiàn)20dBW上的隔 離度在所用頻率范圍的相位差為±5°。本發(fā)明所設計的平衡不平衡轉(zhuǎn)換器可W通過矢量網(wǎng) 絡分析儀精確測得其全部S參數(shù)，進而用于需要精確S參數(shù)的電路中。比如可計算天線的研 究中，需要精確了解己倫的S參數(shù)，然后將其帶入仿真結果，進而比較含有己倫的天線的仿 真值和實際測量值之間的差距。
[0065] 3、反相器
[0066] 為了實現(xiàn)反相功能，在功分器后面添加一個180°的反相器，由于使用共面波導，貝U 只需將其地線和信號線顛倒即可。其微帶結構為兩級圓形拓撲結構，圓形結構可W減小本 級微帶線間的禪合和級間禪合，同時沒有矩形結構在拐角處不連續(xù)的問題，且兩級圓形拓 撲結構增加了帶寬。
[0067] 本發(fā)明可應用于電磁兼容領域，微波電路領域，天線設計等領域，提供一種具有高 隔離度的平衡不平衡轉(zhuǎn)換器設計方法，覆蓋了 IG化-2GHz頻段的寬帶微帶己倫，且可W通過 網(wǎng)絡適量分析精確測得其全部S參數(shù)(平衡器件混合模散射參數(shù)），進而可用于需要精確S參 數(shù)的電路中，比如可用于計算天線的研究中，需要精確了解己倫的S參數(shù)，然后將其帶入仿 真結果，比較含有己倫的天線的仿真值和實際測量值之間的差。
[0068] 基于上述原理，本發(fā)明的另一個實施例是采用一級功分器，即只采用一個同屯、功 分器結構，運樣可W得到緊湊型的平衡不平衡轉(zhuǎn)換器。采用Rogers 4350B為基材的共面波 導，每個同屯、結構從里向外依次由內(nèi)環(huán)軌線、中屯、軌線和外環(huán)軌線組成，內(nèi)環(huán)軌線與外環(huán)軌 線電連接。設計中所有軌線的線寬為3mm。如表2所示，連接到輸入端口的同屯、圓簇:從同屯、 圓屯、到內(nèi)環(huán)軌線中點半徑rl 1 = 10.22mm,從同屯、圓屯、到中屯、圓環(huán)軌線中點半徑r 12 = 14mm; 從同屯、圓屯、到外環(huán)軌線中點半徑r 13 = 17.78mm，同屯、圓之間的間隙為gap = 0.78mm，輸入端 口間的間隙及輸出端口間的間隙均為gapr = 0.2mm，隔離電阻為R= 100 Q。 「mwl
[0070」 表2
[0071]基于上述原理，本發(fā)明還提供一種平衡不平衡轉(zhuǎn)換器的設計方法，所述方法包括 如下步驟：
[0072] 設計一個同屯、結構共面波導功分器，在輸入輸出阻抗給定的條件下，確定隔離電 阻的阻值W及共面波導的結構參數(shù)。具體的：
[0073] -個實施例是，設計一個兩級級聯(lián)結構的共面波導功分器。如圖1所示，級聯(lián)結構 功分器采用兩級級聯(lián)形式，用W提高輸出端口的隔離度，在輸入輸出端口阻抗Zo給定的條 件下，通過公式(3)、（6)，（10)及推導可確定第二隔離電阻1?2的阻值，即1?2 = 42〇，通過仿真軟 件反推出第一隔離電阻Ri的阻值，進而得到第一級微帶阻抗Zi和第二級微帶阻抗Z2的值。
[0074] 比如，輸入輸出阻抗為Zo = 50 Q的情況下，得到：
[0075] Zi = 93Q，Z2 = 67Q，Ri = 90Q，R2 = 200 Q。
[0076] 進一步的，同屯、結構功分器可采用如圖所示的同屯、圓結構，也可W采用同屯、矩形 或同屯、其他形狀結構。
[0077] 另一個實施例是，設計一個一級級聯(lián)結構的共面波導功分器。如圖5所示，只采用 一個同屯、功分器結構，可W得到緊湊型的平衡不平衡轉(zhuǎn)換器。
[0078] 進一步的，同屯、結構功分器可采用如圖所示的同屯、圓結構，也可W采用同屯、矩形 或同屯、其他形狀結構。
[0079] 作為上述幾個實施例的進一步改進，一種平衡不平衡轉(zhuǎn)換器的設計方法還包括如 下步驟：
[0080] 設計一個反相器，確保反相器兩端的阻抗值穩(wěn)定，使得同屯、結構功分器的兩個輸 出端口具有180°相移特性。
[0081] 應用本發(fā)明的平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，可用的帶寬較寬，并且易于測量全部的S參數(shù)， 同時在較寬的頻帶范圍內(nèi)不僅有較好的端口隔離特性，還有較理想的相位特性。
[0082] 本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部 分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對于裝置或 系統(tǒng)實施例而言，由于其基本相似于方法實施例，所W描述得比較簡單，相關之處參見方法 實施例的部分說明即可。W上所描述的裝置及系統(tǒng)實施例僅僅是示意性的，其中所述作為 分離部件說明的單元可W是或者也可W不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可W是或 者也可W不是物理單元，即可W位于一個地方，或者也可W分布到多個網(wǎng)絡單元上?？蒞根 據(jù)實際的需要選擇其中的部分或者全部模塊來實現(xiàn)本實施例方案的目的。本領域普通技術 人員在不付出創(chuàng)造性勞動的情況下，即可W理解并實施。
[0083] 本領域那些技術人員可W理解，可W對實施例中各模塊進行自適應性的改變并且 把它們設置在與該實施例不同的一個或多個設備中。除非另有明確陳述，本說明書中公開 的每個特征可W由提供相同、等同或相似目的的替代特征來代替。
[0084] W上所述僅為本發(fā)明之較佳實施例，并非用W限定本發(fā)明的權利要求保護范圍。 同時W上說明，對于相關技術領域的技術人員應可W理解及實施，因此其他基于本發(fā)明所 掲示內(nèi)容所完成的等同改變，均應包含在本權利要求書的涵蓋范圍內(nèi)。
【主權項】
1. 一種平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，包括同屯、結構共面波導功分器，其特征在于:所述功分器采 用兩級級聯(lián)形式，通過兩個同屯、結構、^Rogers 4350B為基材的共面波導級聯(lián)而成，每個同 屯、結構從里向外依次由內(nèi)環(huán)軌線、中屯、軌線和外環(huán)軌線組成，內(nèi)環(huán)軌線與外環(huán)軌線電連接。2. 根據(jù)權利要求1所述的平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，其特征在于:在輸入輸出端口阻抗(Zo)給 定的條件下，通過下述公式及推導可確定第二隔離電阻(R2)的阻值、第一隔離電阻(Ri)的阻 值，第一級微帶阻抗(Zi)和第二級微帶阻抗(Z2)的值：3. 根據(jù)權利要求2所述的平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，其特征在于:在輸入輸出端口阻抗(Zo)給 定50Ω的條件下，可確定第二隔離電阻(R2)的阻值為200Ω、第一隔離電阻(Ri)的阻值為90 Ω，第一級微帶阻抗(Ζι)93Ω和第二級微帶阻抗(Z2)的值67Ω。4. 根據(jù)權利要求1所述的平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，其特征在于:在隔離電阻確定的情況下， 使用Agilent的AppCAD軟件計算共面波導對應特征阻抗的尺寸參數(shù)。5. 根據(jù)權利要求4所述的平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，其特征在于：所述同屯、結構為同屯、圓結 構，或者同屯、矩形結構或者同屯、其他形狀結構;所述軌線線寬為3mm。6. 根據(jù)權利要求4所述的平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，其特征在于：所述同屯、結構為同屯、圓結 構，連接到輸入端口的同屯、圓簇:從同屯、圓屯、到內(nèi)環(huán)軌線中點半徑為9.37mm，從同屯、圓屯、到 中屯、圓環(huán)軌線中點半徑為14mm，從同屯、圓屯、到外環(huán)軌線中點半徑為18.63mm，同屯、圓之間的 間隙為1.63mm;連接到輸出端口的同屯、圓簇:從同屯、圓屯、到內(nèi)環(huán)軌線中點半徑為10.14mm， 從同屯、圓屯、到中屯、圓環(huán)軌線中點半徑為14mm，從同屯、圓屯、到外環(huán)軌線中點半徑為17mm，同 屯、圓之間的間隙為0.86mm;第一級與第二級之間的隔離電阻為90 Ω，第二級與輸出端的隔 離電阻為200 Ω。7. 根據(jù)權利要求1所述的平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，其特征在于:所述平衡不平衡轉(zhuǎn)換器還包 括功分器一個輸出端口后面添加一個180°的反相器，使得同屯、結構功分器的兩個輸出端口 具有180°相移特性。8. -種平衡不平衡轉(zhuǎn)換器的設計方法，所述方法包括如下步驟： 設計一個同屯、結構共面波導功分器，在輸入輸出阻抗給定的條件下，確定隔離電阻的 阻值W及共面波導的結構參數(shù)。9. 根據(jù)權利要求8所述的平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，其特征在于:所述同屯、結構共面波導功分 器采用兩級級聯(lián)形式，在輸入輸出端口阻抗給定50 Ω的條件下，可確定第二隔離電阻的阻 值為200 Ω、第一隔離電阻的阻值為80-100 Ω，第一級微帶阻抗93 Ω和第二級微帶阻抗的值 67 Ω。10. 根據(jù)權利要求8所述的平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，其特征在于:所述設計方法還包括如下 步驟： 設計一個反相器，確保反相器兩端的阻抗值穩(wěn)定，使得同屯、結構功分器的兩個輸出端 口具有180°相移特性。
【文檔編號】H01P5/10GK105938931SQ201610113720
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年2月29日
【發(fā)明人】楊志超, 林珊珊, 趙錄興, 趙明敏, 趙鵬
【申請人】中國電力科學研究院, 國家電網(wǎng)公司