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一种吸收平衡的功率分配器
夏本，(会员，IEEE)，林生武，(资深会员，IEEE)，以及毛军发，(会士，IEEE)
上海交通大学高速电子系统设计与EMC教育部重点实验室，上海200240，中国。
通讯作者:Bin Xia (xiabin760806@sjtu.edu.cn)
这项工作得到了中国国家自然科学基金委的资助，资助金额为61327803。
摘要：本文提出了一种为六端口混合模式提供了中心频率的新的约束规则，只有4个元素为非零的吸收平衡功率分频器。针对奇数和偶数模式的分析，导出了两个等效的三端口网络。本文开发了一种微带原型，以验证我们的设计。理论、仿真和实测结果均显示出良好的混合模式性能。
关键词：吸收平衡功率分压器，共模反射，差模。
介绍
功率分压器[1]是射频前端系统的一个重要的被动元件。平衡功率分频器可用于设计一种全平衡的射频前端，且具有更少的设备和更低的插入损耗。提出了具有良好端口隔离的平衡-平衡功率分压器[2]，提出了许多结构和功能不同的平衡功率分压器。微带线[2],[4]、衬底集成波导(SIW)[3], [5]、双侧平行条线(DSPSL)[6]、多层结构[7]、缺陷接地结构(DGS)[8]这些被用于设计平衡功率分压器。通过使用新的结构，以及广泛的操作带的新性能[6]，[9]，共模吸收[7]，滤波响应[4]，任意功率比[10]，1到n[11]，实现了平衡功率分压器。
在最近的平衡电路设计中，提出了一些实现共模反射吸收的方法。在共模抑制滤波器中，包括L、C、R在内的集总元件用于吸收共模传输和反射噪声[17]，几乎不影响差分线路上高速数据的眼图质量。所述安装的电阻器也用于在宽频和差模带通滤波器中吸收共模反射[18]。从以往的工作中可以看出，共模传输和反射不能同时被无损耗分量所抑制。必须使用有损组件。因此，开发一种新型的可吸收平衡功率分压器的设计方法是很有价值的。
本文提出了一种微带电路来实现吸收平衡功率分压器。首先，对混合模式的约束规则进行了修正，即在中心频率上的吸收平衡功率分频器的参数。其次，推导了奇数和偶数模式三端口网络的S-矩阵。
然后，提出了一种用理想的传输线和集中电阻器组成的六端口电路。为了验证我们的设计，本文设计了一种可吸收平衡的功率分配器原型。提供了混合模式电源、端口匹配和隔离的良好性能。共模噪声被我们的平衡-平衡功率分配器成功地隔离和吸收。
图1所示 一个六端口的平衡功率分配器网络
二 约束规则
图1所示为平衡功率分配器的六端口网络。它是一种对称结构，适用于在其对称平面上加载有损耗的元素，用于共模吸收。平衡的端口A、B和C分别由单端端口对1和4、2和3、6和5组成。
对于吸收平衡功率分频器的混合模式参数，给出了中心频率的约束规则。
其中“T”表示着矩阵的转置,余子式的3times;3矩阵微分模式,普通模式和模式转换。换句话说，功率分频器应该提供相等的微分模式功率分割和完美的端口隔离，并没有反映出微分模式的能量。它也为共模噪声提供了完美的隔离，并没有传输和反射共模噪声。而无共模噪声被转换为差模态，而无差模态功率则被耗散到共模态。
由于图1所示结构的对称性，使得偶数和奇模半电路都很容易得到。偶数和奇模散射矩阵[Se]和[So]则分别由(1b)和(1c)中常用和差分模式的子矩阵给出。如果一个六端口电路利用这种甚至奇模散射矩阵，可以实现吸收平衡功率分频器。
三 理想的吸收平衡功率分压器的电路模型
满足上述约束规则的一个电路如图2所示。它是由一些传输线和耦合线组成的，连同五个位于垂直对称平面上的电阻，其中所有的线段在中心频率f0上具有电长度Th＝pi;/2的特性。在端口1和4之间的支路Z8～R1～Z8与两个支路Z4～R5～Z4交叉，这可以由单层电路的两个空气桥实现。
图2 提出的平衡-平衡功率分频电路模型
在中心频率f0theta;=pi;/2,我们有ZI1 = 0和ZI2 =infin;,这意味着耦合线从左右观察分别相当于短路和开路的情况下。在图3(a)中用红色标注了等效短路和开点。然后，均匀模式电路可分为三个分离的单端口电路，也如图3(a)所示，带有蓝色的虚线块。
图3提出的等效半电路模型。平衡-平衡功率分配器(a)偶数模;和(b)奇数模。
图4 简化奇数模电路(a)，有两个存根;(b)有一个存根
满足了，我们有[Se] = 0在f0。
在f0，由于它是对称结构和奇数/偶数模式，它的工作原理就像四分之一波长的逆变器。
可以再次应用，以简化半电路到双端口网络。如果满足下列方程，[S0 ]将等于（1B）。
Z5和Z6的值可以任意选择。因此，约束规则在第二节中都表示为F0。
从（3）和（5），可以看出，为设计自由提供了参数。设计过程可以归纳如下。
步骤1：对于共模吸收，Z3的值和Z8分别由（3b）和（3a）计算，与给定Z0，R1＝R2和R3。例如，如果Z0＝50且R1＝R2＝R3＝100，我们有Z3＝Z8＝100。
第2步：考虑耦合线的可实现性，ZE和ZO的适当值可以预先设定。然后，得到Zi
（4）。Z1和Z2的值由（5a）确定。具有设计自由。例如，如果ZE＝98和ZO=47，我们有Zi＝181。为了方便起见，我们设置Z1= Z2并获得113的值。
第3步：为了便于设计，我们设置R4= R5=200和Z7＝Z9＝100，则Z4的值为通过（5b）和（5c）计算为128。另一方面，图4（a）中Z7和Z9的两个电阻器端接短截线相当于两个具有导体的分流元件。由（5b）和（5c）给出的电导。自输电线路
Z5是F0的半波长，它们可以合并为一个。存根，如图4（b）所示。电阻应该是
更新到那时
然后，在奇模等效电路中只需要一个分路的存根。这里，R6的值被选择为400。
第4步:输电线路的电气长度。
Z5和Z6部分f0pi;。它们的特性阻抗可以被选择到100，这不会影响在中心频率的匹配和隔离性能。
利用上述特征阻抗和电阻，得到了混合模式s参数的理论结果，并如图5所示。由于平衡的端口B和C是对称的，这里省略了一些曲线。由于结构的理想对称性，在整个频率范围内，所有混合模式的s参数在整个频率范围内均为0。如图5所示,差模传输系数达到最大值的| SddAB f0 | =minus;3.01分贝。另一条曲线在f0处的最小值为0。如果| SddAB |比minus;4 dB和所有其他的值的参数的代码比minus;15分贝应该满意的同时,可以实现操作乐队在1.91到2.09 GHz,即部分带宽约为9%。从图5中可以看出|SddAA|、|SddBB|的曲线是决定操作带宽的关键。
图5 图2中平衡-平衡功率分压器原型的理论混合模式
图6 微带线与2theta;= 180◦移相器在中央频率(a)和它的可实现耦合微带线模式在拟议的平衡-平衡功率分配器中使用。
四、结果与讨论
实现2theta;6(180◦在中央频率)与特征阻抗等于Z6移相器体积小如图2所示,我们使用一个耦合微带线和微带线来代替重绘在图6。基于图6(a)和(b)模型的等价性，满足以下方程，
从设计程序和（7）我们设计了一个平衡功率分配器，如图7所示，厚度为H＝1 mm。其临界尺寸为L =10mm，W＝50mm，W0＝2.2452 mm，W1= W2=W7＝0.3625毫米，W3＝W5＝W8＝0.5307毫米，W4＝0.2312毫米，W61＝0.2毫米，W62＝0.26毫米，WEO＝0.2毫米，L1＝24.88毫米，L2＝23.91毫米，L1＝L2＝L7=23.852毫米，L3＝L5＝L8＝23.828毫米，L4＝24.065毫米，L61＝6毫米，L62＝13.732毫米，LEO＝24.56毫米，以及G1＝G1＝0.2毫米。全金属化孔直径孔设置为1mm，金属化孔与相邻微带线之间的间隙宽度设置为0.4mm，两相邻113.2535欧姆微带间的缝隙宽度用于将电阻器安装在其上的线路被设置为0.4mm。这个总尺寸约为0.5times;1times;2。六端口S参数是由商业软件Ansoft HFSS模拟，以及用四端口矢量网络分析仪测量，安捷伦E5071C.图8（a）和8（b）示出了模拟和测量传输系数平衡端口B和C之间的通信和隔离分别用于差分和共模运算。图8（c）和8（d）比较模拟和测量模式转换的结果。从提出的方程在（1D）中并讨论了〔18〕中的共同微分问题。微分模式转换矩阵的共同点是差分转换为共模转换矩阵。
图7 平衡功率分配器的照片
在中心频率f0＝2 GHz时，两个输出的模拟差模传输系数为SDDAB＝3.49 dB，SDSDAC＝3.43 dB，差模端口隔离度为24.32 dB，差模RE的15dB带宽为1.90～2.01 GHz，即5.3%。在工作频带内，SCCAA和SCCBB的共模响应优于-21.3dB。如图所示，其他共模和模式转换参数在1～3 GHz的非常宽的频带内均低于20分贝。8（b）至8（d）
图8 差模反射带宽为1.96 ~ 2.07 GHz，约60 MHz或更高
图9 模拟和测量了SddAB和SddAC的大小差异
在F0，两个输出的测量差模传输系数为3.53和＝3.48分贝。差模端口隔离度为21.47 dB。差模RE的15dB带宽从1.96到2.07 GHz，大约60 MHz转移到更高的频率。在工作频带内，SCCAA和SCCBB的共模响应优于18.2dB。如图所示，其他共模和模式转换参数在1～3 GHz的非常宽的频带内均低于20分贝。8（b）至8（d）。图9中绘制了SddAB和SddAC的震级差异。
理论计算、模拟结果与实测结果符合较好。模拟结果和理论性能与理论结果相比都有一定程度的下降，这主要是由于耦合线的奇偶性和奇偶模相位速度的差异所致。模拟和测量结果之间的偏差主要是由介电常数和制造尺寸的公差引起的。
表1 对比表格
我们设计的吸收平衡的性能平衡功率分配器与以前的功率分配器进行了比较。对照表，如表1所示。可以看出，只有平衡到平衡功率分配器在这项工作和（7）可以吸收所有带内共模噪声。此外，我们的设计是单层衬底和四个表面安装电阻器，比电阻（7）中的电阻数少。
结论
所提出的吸收平衡均衡器能够完全成功的抑制共模噪声。六端口组件是通过满足奇偶模式三端口半电路开发的。所制备的样机采用单层微带整流器件和四个表面贴装电阻器。在理论、模拟和测量结果之间取得了良好的一致性。预期的平衡平衡功率分配器将有价值的设计完全平衡射频前端，具有更好的抗噪声和干扰。
参考文献：
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