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416 IEEE微波和无线组件通信， 15，NO。 6，2005年6月
基于单层PCB的一种新型宽带巴伦结构
张振宇，郭永新，IEEE会员，Ling Chuen Ong，IEEE高级会员
MYW Chia，IEEE会员
摘要：本文介绍了一种在单层印刷电路板（PCB）上实现的新型宽带微带平衡不平衡转换器。所提出的平面平衡不平衡变换器由宽带Wilkinson功率分配器和非耦合线宽带180移相器组成。 为了演示设计方法，实现了一个原型。新的设计是通过测量来模拟和验证的。测量结果显示，非平衡端口在1.7GHz到3.3GHz带宽的回波损耗达到了10dB或64％。 在工作频段内，两个平衡端口测得的回波损耗均优于10 dB，平衡端口隔离度小于15 dB。 测量的两个平衡端口之间的振幅和相位不平衡在工作频带上分别在0.3 dB和5°之间。
索引术语 - 平衡，平坦，宽带180移相器，宽带，威尔金森功率分配器。
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- 介绍
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A
BALUN是在不平衡电路结构和平衡电路结构之间转换信号的装置。
平衡电路结构的信号包括两个相同大小但相位差为180度的信号分量。许多模拟电路需要平衡的输入和输出，以减少噪声和高次谐波，并改善电路的动态范围。平衡非平衡转换器是许多无线通信系统中的关键组件，用于实现诸如平衡混频器，推挽式放大器和天线馈电网络等组件。各种类型的平衡不平衡变换器已经在微带电路、微波集成电路（MIC）和单片微波集成电路（MMIC）中的应用中被报道了。其中平面平衡不平衡转换器[1]–[11] 是其中最受欢迎的结构之一，因为它们的易于实施和良好的性能。平面平衡不平衡转换器主要由简单的半波长线路分离器，多段半波平衡不平衡转换器和耦合线平衡不平衡转换器[1]组成。 N型半波巴伦[2], [3] 在使用传统的印刷电路板（PCB）工艺时可以很容易地实现，但是它具有体积大，平衡端口的回损和隔离度差等缺点，大大限制了它在许多无线通信系统中的应用。大多数其他平面平衡不平衡变换器，包括平面型Marchand平衡不平衡变换器[4]–[8] 或平面传输线路不平衡转换器配有功率分配器和耦合线移相器[9]–[11]。对于
手稿于2004年11月12日收到; 修订于2004年12月7日。这项工作得到了SERC，A STAR，新加坡项目022 105 0026的支持。
ZY Zhang在新加坡资讯通信研究所117674。他还在新加坡国立大学电子与计算机工程系，新加坡117576。
YX Guo，LC Ong和MYW Chia在新加坡资讯通信研究所117674（电子邮件：yxguo@ieee.org）。
数字对象标识符10.1109 / LMWC.2005.850486
边缘耦合结构，耦合因子在很大程度上取决于两个耦合线之间的间隙和所用衬底的介电常数。对于MMIC或MIC设计，两条耦合线之间的间隙可以是几微米，因此在边缘耦合方式中仍然可以实现紧密耦合[9]–[11]. 然而，对于使用印刷电路板（PCB）制造技术的设计，这样的平面平衡不平衡转换器通常倾向于选择数字间距离耦合器[4], 宽边耦合线[5], [6], 即多层结构，或者改变耦合线路的偶模和奇模阻抗[7], [8] 来实现成本高，结构复杂的紧耦合。
在这封信中，提出了一种新的宽带平面微带平衡不平衡转换器 新的宽带平面平衡不平衡变换器由一个用于宽带操作的功率分配的3 dB威尔金森功率分配器[12] 和用于相移的非耦合线宽带180移相器[13]组成 。与现有技术[4]-[11]相比,所提出的平衡不平衡转换器不需要使用数字间兰格耦合器，宽边耦合线或高介电常数基板来实现紧密耦合。因此,新型平衡不平衡转换器可以很容易地在单层PCB基板上制作，成本低廉，结构简单。而且，平衡不平衡变换器可以与具有低介电常数的同一衬底上的天线集成在一起，以实现高效率。此外，所提出的平衡不平衡转换器也可以显示两个平衡端口的良好匹配和隔离，这可以大大提高电路性能[7]. 为了演示设计方法，提出了一个巴伦的原型。 该设计是由商业软件IE3D模拟的[14]， 并通过测量来验证。 测量不平衡端口在1.7 GHz至3.3 GHz的频率范围内的回波损耗小于10 dB，或64％。测得的两个平衡端口的回波损耗均优于10dB，平衡端口在整个工作带宽的隔离度低于15 dB。在工作带宽内，两个平衡端口测量的幅度和相位不平衡分别在0.3dB和 5°以内。
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- 设计理论
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所提出的平衡不平衡转换器结构如图1所示，包括一个非耦合线宽的180移相器级联和双向等功率分配的威尔金森功率分配器。从图1可以发现，威尔金森功率分配器不仅实现了等功率分配，而且实现了不同的输入输出端口阻抗变换。原始输入信号分为两路后，经过180路移相器的两路，得到稳定的相移。
1531-1309/$20.00 copy; 2005 IEEE
张等人：新的宽带平面平衡 417
图1.所提出的平面平衡不平衡变换器的电路原理图。
图2.平面平衡不平衡变换器的布局图。
由于功率分配器和移相器的宽带特性，平衡不平衡变换器可以在相当宽的频带上工作。
作为设计指南，公式（1）-（5）以一般方式给出了所提出的平面巴伦结构的设计方程，其中Za和Zb分别代表不平衡和平衡端口阻抗，Z1代表功率分配器中的四分之一波长微带线，Z2代表移相器中使用的分流开路和短路的八分之一波长微带线的特征阻抗，Z3代表主微带线的特征阻抗，以及Z4代表参考线的特征阻抗。在这里，应该提到的是，对于（3） - （4）,我们根据[13] 得到优化系数1.27和1.61
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
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- 平面微带平面设计
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- 结构体
为了演示上述方法，制造了在2.4GHz的中心频率下工作的平面平衡不平衡转换器。 平面巴伦的布局图如图2所示
图3不平衡端口的回波损耗和不平衡端口与两个平衡端口之间的传输响应，实线和虚线分别代表模拟和测量结果。
图4.两个平衡端口的回波损耗和隔离度，实线和虚线分别代表模拟和测量结果。
这个结构设计在厚度为0.8mm，介电常数为3.38的微波基片RO4003上。为方便起见，平衡和不平衡端口阻抗都设置为50Omega;。在这个新设计中，U形微带线用于最小化尺寸，通过连接到地的通孔实现短路。
- 模拟和测量结果
图3-5 显示所提出的平面巴伦的幅度和相位响应的模拟和测量结果。图3显示了不平衡端口的回波损耗和不平衡端口与两个平衡端口之间的传输响应。图4显示了两个平衡端口的回波损耗和隔离度。图5显示了两个平衡端口之间的相位差。使用EM仿真软件IE3D模拟新的平衡器。 测量在HP8510C矢量网络分析仪上进行。观察到在测量和模拟之间达到了很好的一致性。测得的不平衡端口在1.8GHz到3.1GHz的频率范围内的回波损耗为15dB以下，即53％，在1.7-3.3GHz的频率范围内优于10dB，或64％。 在64％的操作范围内，两个平衡端口测量回波损失都优于
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图5.两个平衡端口的相位差，实线和虚线分别代表模拟和测量结果。
图6.制造板的照片。
表一
现代设计与现代文学的比较
10dB，平衡端口隔离度低于15dB。测得的两个平衡端口在工作频带之间的振幅和相位不平衡在0.3dB 和 以内。原型照片如图6所示。
现在的平衡不平衡转换器的优点在于它不需要耦合线路结构。因此它可以设计在各种介质基片上，并且可以和天线一起集成在低介电常数的介质基板上以实现高效率。与
N段半波平衡不平衡转换器[2]相比, 现在的平衡不平衡变换器在两个平衡端口的尺寸，带宽，回波损耗和隔离方面显示出很多优点。在[9], [11]中的平面巴伦使用耦合线移相器[10] 可以具有更宽的带宽，但是它们被制造在MMIC或MIC上，边缘间隙为几微米以实现紧密耦合。新提出的平衡不平衡转换器与现有技术之间的比较已经在表1中进行了总结。请注意，在表I中，只列出了相位不平衡的带宽，因为它们更为关键。
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- 结论
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这封信中提出了一种新的宽带平面巴伦。拟议的平衡 不平衡变换器包括一个双向Wilkinson功率分配器和一个用来进行相移的非耦合线宽带180°移相器。原型已被设计，模拟，制造和测量。模拟和测量之间已经取得了很好的一致。测量结果
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