微带巴伦的研究2解析.docx
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微带巴伦的研究2解析
本科毕业（设计）论文
题目：
微带巴伦的研究
系（院）：
电子信息工程学院
姓名：
王杰
专业：
电子信息工程
学号201110312214年级2011级
指导教师高山山职称讲师
二零一五年月日
微带巴伦的研究
专业：
电子信息工程学号：
201110312214
学生：
王杰指导教师：
高山山
摘要：
在天线领域中，巴伦可以实现某些天线馈电的不平衡到平衡的转换。
随着当今通讯技术的发展，通讯容量的不断扩大，要求天线在更宽的频带内工作，因此，对巴伦的工作频带要求越来越宽。
由于微带巴伦具有易加工、可实现宽频带的特性，宽频带微带巴伦的研究已经成为当今的一个热门课题。
本文结合有限元（finiteelementmethod，FEM）算法的理论分析，研究并设计了一类宽频带微带巴伦。
介绍了巴伦的作用与原理，针对于微带线巴伦列出了详细计算阻抗的方法和公式，讲解在较高频率上如何设计微带线巴伦并进行ADS仿真。
采用仿真的方法，对微带巴伦进行了深入的研究，微带线巴伦在幅度不同的范围内平衡输出基本保持一致，在很大频宽内都保持180°正交相位，插入损耗约为0.5dB。
首次应用接地共面波导（CoplanarWaveguideGround，CPWG）和耦合微带线（CoupledStripLine，CSL）设计了一种新型的宽频带微带巴伦，该类型微带巴伦可以在低相对介电常数的介质板上制作，具有结构紧凑、成本低廉、制作简单的特点。
关键词：
微带巴伦；微带线；频宽
Microstripbalunresearch
Department：
ElectronicandInformationEngineeringStudentNumber：
201110312214
Student：
WangJieSupervisor：
GaoShanShan
Intheantennafield,Barroncanachievesomeantennafeedunbalancedtobalancedconversion.Withtoday'scommunicationstechnology,communicationcapacitycontinuestoexpand,requiresanantennainawiderband,therefore,becomeincreasinglydemandingBarron'soperatingbandwidth.Becausemicrostripbaluneasyprocessing,widebandcharacteristicscanbeachieved,researchbroadbandmicrostripbalunhasbecomeahottopic.Inthispaper,FEM（finiteelementmethod,FEM）algorithmtheoryanalysis,researchanddesignaclassbroadbandmicrostripbalun.DescribestheroleoftheprincipleofBarron,BarronformicrostriplineliststhemethodsandformulasdetailedcalculationsimpedanceathigherfrequenciestoexplainhowtodesignmicrostripbalunandADSsimulation.Usingsimulationmethod,themicrostripbalunin-depthresearch,microstriplinebalundifferentrangeswithinrangebalancedoutputremainedthesame,inawidebandwidthhavemaintained180°quadraturephase,insertionlossisaboutis0.5dB.
Thefirstapplicationofgroundcoplanarwaveguide（CoplanarWaveguideGround,CPWG）andcoupledmicrostripline（CoupledStripLine,CSL）,anewtypeofbroadbandmicrostripbalun,thetypemicrostripbaluncanbelowrelativepermittivityindielectricconstantofthedielectricplateproduction,withacompact,lowcost,makingsimplefeatures.
Keywords:
Microstripbalun;Microstripline;Bandwidth
目录
第一章绪论5
1.1巴伦简介5
1.2背景与国内外研究现状6
1.3工作原理与分类7
1.3.1抑制法7
1.3.2高频开路法7
1.3.3U型管对称变换器7
1.3.4变压器法8
1.3.5抵消法8
第二章巴伦的阻抗算法9
2.1阻抗的基本理论9
2.2微带阻抗计算方法9
2.2.1微带接地共面波导阻抗计算10
2.2.2保角变换法10
2.2.3切比雪夫阻抗变换计算方法和原理11
第三章设计概述14
第四章设计原理及仿真15
4.1设计原理及方法15
4.1.1L-C巴伦15
4.1.2传输线16
4.1.3微带线17
4.2成果及仿真19
第五章结论24
参考文献26
致谢27
第一章绪论
1.1巴伦简介
平衡器即BalancingDevice，其主要作用是完成由单端传输（如：
同轴线、微带线等）变换为差分传输（如：
半波振子天线，推挽电路等）之间的变换，又称为平衡-不平衡变换器即Balance-Unbalance，英文将其合并缩写成一个新词Balun，音译为巴伦。
巴伦是连接偶极天线和同轴电缆的器件，同轴电缆属于非平衡传输线，偶极天线属平衡型天线，直接将它们连接在一起的话，高频电流就会流过电缆的外皮层，这样就会出现问题。
同轴电缆的外皮层是属于屏蔽层，如果高频电流从内部流动到屏蔽层，就会影响天线的辐射，这就违反了同轴电缆的传输原理。
为了能攻克这个使用中出现的问题和困难，所以，为了能够切断电缆内部的高频电流流入外层的屏蔽层，这就需要在天线与电缆之间加入平衡非平衡转换器这个元件，也就是说去除表皮屏蔽层的电流。
所谓的截断同轴电缆外层的高频电流，不是说要完全截断所有流向屏蔽外层的高频电流，而我们要做的只是将电缆里面的电流与外层的屏蔽层隔断。
就好比有个水管子，水本来就应该在水管里面流，如果没有一个转换平衡的接口转换器，水就会流到管子外面，影响使用效率，造成大大的浪费。
所以加入巴伦的作用就是防止水的跑、冒、滴、漏，迫使水都能在水管里流。
天线需要巴伦来达到某些匹配。
例如制作v天线的时候，必须要把天线架设的尽量的高，而且要在尽量开阔的地方假设，还要将其架设在离干扰源很远的地方。
平常的电源线就可以用作天线振子，无论是裸铜线还是带绝缘层的对其影响都不大，如果要提高机械强度和提高辐射效率的话可以选粗一点的线，为了可以使得实用的电缆和天线更加的匹配我们可以改变振子的长短。
以上所说的特点，我们可以用来变换巴伦的阻抗，而且可以用来转换一部分天线反馈电流的非平衡与平衡点。
而到如今已经广泛应用在了微波技术的天线领域，在未来的发展中还需要很大的改善与提升，与此同时有巨大的发展空间。
1.2研究背景与国内外现状
在天线领域，比如平面螺旋天线（sprialnaetmras），印刷偶极子天线（printeddipoleantennas），弯曲臂天线（sinuousantennas）和对称偶极子天线等等。
如果需要天线馈电的时候，不但要求阻抗匹配，而且要求馈电网络有宽带的带宽。
微带传输线除了可以方便连接微波集成电路，它还具有体积小，重量轻，频带比较宽，而且具备可以用它来构成大部分的微波元器件等优点，到现在已经使用的非常广泛了。
随着天线使用频带的逐渐变宽，我们对于巴伦频带宽度的研究已经不能满足实际使用的频宽范围了。
而今随着通信技术的飞速发展，通信需求的日益增加，这就使得天线需要在很大的频宽范围内工作，我们对于巴伦的使用性能要求和质量要求都要求非常的高，所以要使得巴伦可以很好的使用在天线馈电网络上还需要我们更加深入的开发和完善巴伦的技术。
因为拥有超过一个微带传输线的性能和能实现宽频带特性的微带巴伦组成的微带传输，它能够有利于发挥使用中的最大工作效率，放大使用中的工作效率，所以宽带微带巴伦已经成了一个很火的研究方向。
在国内相当多的文献中都对微带巴伦进行了大量不同层次的研究，也同样设计研发出了很多新型的不同结构的微带巴伦，有的还对以前的微带巴伦进行了不同程度的应用性改进。
在最近的几年中，随着科技不断进步与社会不断的发展，越来越多的传媒和社会行业来共同关注并研究微带巴伦。
现在在国内外已经研发生产了各种独特的新型结构微带巴伦，这些新研发的微带巴伦在微波通信应用中的城果得到了来自各个国家和个人的认可与好评。
目前设计使用的巴伦应用于不同的场合，而且使用的方法和理论依据有很大程度上的区别，在各自使用中都存在相应的缺点和需要改进的地方。
有的宽带微带巴伦，成功的使用了互补结构的共面波导（CoplanarWaveguide,CPW）和共面带状线（CoplanarStripLine,CPS），可以完成50欧姆不平衡到80欧姆的平衡馈电转换，而其工作频带属于低频范围内。
可是这种微带巴伦还存在一些缺点：
如果选择相对介电常数为10.2的大介质作为基板，这就会使得应用成本变得非常高；而且这个设计还使用了相当复杂的扇形槽结构，让它的设计方案和设计方法变得非常的艰难与缺乏，使它的加工工艺和制作增加了很大的困难。
因为需要确保被金属导带分割的两个共面波导金属接地面具有相同的电势，所以采用导电桥的连接方式将两个金属地面连接，而这样的连接方式会使得巴伦变得不是那么紧凑美观，使用产生不利的影响。
1.3工作原理与分类
为了达到使天线与电缆连接相匹配的目的，所以根据天线的工作原理，要在天线和同轴电缆之间加入平衡非平衡转换器，以此来扼制流入屏蔽层的高频电流，也就是说将从振子流过传输电缆外层屏蔽层的高频电流截断。
达到这个目的有很多种方法，不同的方法根据不同的设计有不同的工作原理，其基本的工作方法有以下几节的内容。
1.3.1抑制法
使用一个高频扼流线圈连接到振子和传输电缆的外层屏蔽层，以此来阻止高频电流从振子流向传输电缆外层屏蔽层，这种方法相对来说比较简单，原理就是将传输电缆单独绕十圈左右，或者是将其绕在磁环上面，这样效果会更好，一般如果是频率比较低就相对多绕几圈，频率比较高就少绕几圈。
1.3.2高频开路法
在传输线电缆的外层屏蔽层四分之一波长的地方连接与其相同波长的金属套筒，因为四分之一波长开路线段对相应的频率被视为开路，所以可以达到截断高频电流的作用，这种方法工作的带宽很窄，特别是当工作频率很低时，需要的四分之一波长的套筒就显得很长，因此这种方法适合在大功率高频电路中使用。
1.3.3U型管对称变换器
U型管对称变换器拥有很主要的特点，那就是它的频带非常窄，除此之外其结构简单，成本很低，它由同轴电缆组成，还可以起到300
到75
的变换作用，因此我们将这种结构的变换器应用到电视转换的接收装置。
变换器的结构是同轴电缆线线芯的连接点与天线振子的右臂直接连在一起，再将同轴电缆线以这个点弯曲成U型的半波波长的长度，并且将另外一个点和振子的左臂相连接，以此来达到同轴电缆有一个180度的相移，这两个点相对于地面有相同的相位差但是相位方向相反。
这个弯曲的设计不仅具备对称变换的功能，而且还能具备阻抗变换的作用。
如果天线输入端接收到的输入阻抗是300
，则U型臂左右臂的输入端和零点电位之间的阻抗是输入阻抗的一半150
。
根据天线传输的理论原理得知，半波长电缆的输入阻抗与负载阻抗相匹配时，也就是说U型管的输入阻抗和电缆的负载阻抗值相等，那么它的等效值就是两个纯电阻相加。
以此使得电缆的负载阻抗等于特性阻抗值75
，达到更好的匹配。
1.3.4变压器法
对于高频信号而言，使用高频变压器的转换功能来实现平衡非平衡的转换，根据推挽输出变压器的原理，以此将双向平衡输入电流转变成单向非平衡单向电流输出。
而这个方法对于变压器没有太严格的要求，不论是磁芯绕制还是空芯绕制而成都没有关系，总之变压器法适合在大功率的环境下使用。
1.3.5抵消法
原理是使用一定的方法让流入的电流大小相等但是方向相反，以此来形成相互抵消的效果。
这种方法最常见的应用是用磁环三线绕城的转换器，但是会产生相对较宽的频带，而且在使用过程中会受到磁环磁饱和的限制，因此这个设计只能适合在低频小功率的电路中使用。
第二章巴伦的阻抗算法
2.1阻抗的基本理论
阻抗是电子元件在交变电路或直流电路中对电流起到阻碍作用，元件包括电阻、电感和电容等。
阻抗常用Z来表示，单位是在欧姆。
在电路中电阻、电感和电容共同形成阻抗，不同的元器件阻值不是绝对的相加，而是相对计算后的叠加。
在直流电路中，对电流的阻碍效应称为电阻，所有构成电路的材料都会有一定的电阻，但所形成的电阻值大小却不一样，因为构成电路的材料材质不相同，它们具备不同的电阻率。
电阻率很小的材料通常叫做导体，比如金属金、银、铜、铁等：
电阻率很大的材料物质被称为绝缘体，像木材和塑料等等；还有另外一种处在绝缘体和导体之间的材料其电阻值会随着环境的变化而变化的叫做半导体。
在交流电路中除了电阻会阻碍电流以外，还有电容和电感同样也会阻碍交变电流的流动，只是它们阻碍电流的方式不一样，他们形成的阻碍作用称为电抗，也分别叫做容抗和感抗。
容抗和阻抗阻值的大小和交流电的频率相关，容抗与频率的变化成反比，频率越高容抗越大，反之感抗与频率的变化成正比，频率越高感抗越小。
而且，电容抗和电感抗的区别还在于相位角度，具有向量上的关系式，所以才有阻抗是电阻和电抗的矢量和之说。
在一个特定的电路中，阻抗不是定值，而是随频率改变而变化的。
如果将电阻、电容和电感串联在电路中，这时电路形成的阻抗一般要高于电阻。
相反，如果将电容和电感并联在电路中，谐振阻抗会增加到最大值。
2.2微带阻抗计算方法
微带线巴伦的设计，耦合微带线和接地共面波导两部分组成，耦合微带线也就是所谓的平衡端口，而接地共面波导被称作非平衡端口。
根据微带线巴伦的结构可分析出其中的一些主要的计算方法，计算方法主要有：
接地共面波导阻抗的计算、耦合微带线阻抗的计算和切比雪夫阻抗变换的计算，其中切比雪夫阻抗变换计算是在接地共面波导部分结构中加入阻抗变换。
2.2.1微带接地共面波导阻抗计算
微波传输线是当今社会和研究机构共同关注的话题，众多的传输线的研究中共面波导与其变形结构，这种有固定传输特点的新型传输线已经成为了一个新的研究方向和热点。
在各种变换的计算方法中，经过长时间的验证和比较后，其中保角变化分析法最为合理和实用，此算法在TME波为主模的接地共面波导传输中使用便捷，切合实际环境，而且此算法的表达式最大程度的化简了以往复杂的计算。
但是，保角变换公式分析法也是存在着自身的使用限制。
严格来说，此计算方法理论上能达到的准确程度只能在零频率的推导中才能得到实现。
在实际的微波集成电路里面，因为材质基板和布线尺寸都很小，所以传输参数和频率的关系在这种特殊的环境中可以忽略不计，即便在很高频率的条件下，也可以认为频率为零，它们二者毫无关联，所以说这种情况下还是可以用保角变换分析法来计算阻抗的。
特别是在共面波导中变形结构的研究上，保角变化的静态分析法具备非常强的优越性和重要性。
因此，在大部分有关于接地共面波导阻抗的计算中都采用保角变换法来计算内容。
最突出的是在介质基片上接地共面波导能在一边产生中心导体带，作用是巨大提高了传输线的有效传输效率，这个相比于传统的微带传输线来说，共面波导拥有更多强大独特的优势。
除了这个功能外，它还在紧靠中心导体的侧面产生地面层可以降低与地面间的寄生电感，与此同时还会在介质基片的另一边产生金属层，可以非常有效的降低传输过程中产生的辐射。
共面波导除了制造难度小，各种元器件在使用安装起来很方便等特点外，而且它在很多方面具备非常巨大的重要优势。
随着这个新型传输线的广泛应用，使得更多的人来关注了解研究，使其成为发展潜力巨大的新兴科技。
2.2.2保角变换法
采用保角变换的方法来计算接地共面波导的阻抗，具体的计算阻抗公式如下：
（2.1）
上式子中
称作第一类完全椭圆积分，
为模数，
为余模数，即
，而
称作余模数的第一类完全椭圆积分，又称
是第一类余椭圆积分。
在实际应用中此式利用的是椭圆函数微积分的问题，这里又不方便推导，所以它的实际应用不是很方便，这里只作为介绍在这里引用下。
上式中的等效介电常数
的值为：
（2.2）
其中
为介质板的相对介电常数值。
计算微带耦合微带线阻抗：
在无源和有源的微波集成电路中，特别是在定向耦合器，滤波器和阻抗匹配网络中耦合微带线有着非常广泛的应用。
其中有一种相互耦合的微带线具有相同的大小，相同的地面材料和导体带，以及具有相同的介质填充，这种微带线称之为对称耦合微带线。
耦合微带线由部分介质组成的具有分散特点的混合模式组成的不均匀系统。
TME模式是耦合微带线的传输模式，最常用的计算分析方法是准静态分析法，但是其分析算法也是越来越复杂。
由于存在两种电磁耦合的状态，即奇数模式耦合与耦合模式，在耦合线的双单线激励（即奇数模式激发和激励模式激发）的同时，就会导致耦合线将出现两种不同的传输模式，即奇模波和偶模波。
2.2.3切比雪夫阻抗变换计算方法和原理
由于连接两节传输线的特性阻抗不同，或者是传输线的特性阻抗与负载阻抗不相等，所以就会产生两个阻抗不匹配的反射，最后严重时就会导致传输效率低下和传输容量降低，从而导致负载不能获得最大的电力负荷。
因此要避免这种对使用过程中有害的反射现象，就要在传输线与负载之间加一个阻抗变换器，来帮组两个阻抗更好的相匹配。
在微带线电路中，最常见的阻抗变换器的形式有：
1）渐变线
对不同的阻抗来说，传输线的特性阻抗值会在两个阻抗值之间逐渐转变。
这样既可以提高宽带又可以使变换器的尺寸不会变得太大，从而可以将连接区域的反射系数控制在所接受的范围里面。
2）
/4式变阻器
已广泛应用于电磁微波技术和微带电路中。
利用多段变阻器来控制宽带变阻。
使用最紧凑的结构和优异的性能，在实际中，还采用了综合设计的方法，它属于窄带阻抗变压器。
3）短节变阻器型
顾名思义这种短节变阻器的每节的长度都特别的短，基本上只有
/32或
/16长。
严格定义来说，短节变阻器是由L、C集总参数变阻电路改变而来。
和
/4多节变阻器比较，大大改善和提高了这种变阻器的功能，相比于同样长度的变阻器，这种结构的特性有着明显的优势与提高。
在实际应用中它结构外观看起来紧凑简单，广泛应用于微波电路中。
综上所述：
切比雪夫阻抗变换器是一种较短的变阻器，切比雪夫阻抗变换器的设计方法又称之为“优化方法”，因为它具备其它阻抗变换器所没有的优点与特点。
在给定相同的工作频段和允许的最大反射模式的前提条件下，切比雪夫阻抗变换器它在过渡期段的总长度是最短的，也就是说要有着最宽的工作频带，就要具备最大的反射系数和总长度。
在设计这种转换器时，转换器的总反射系数的模在通带内按一定的规律在变化，这种有规律的变化符合n阶第一类切比函数规律，所以又称之为切比雪夫阻抗变换器。
具体的函数规律变换不做详细推理，在这里，只作一个简单的了解性的介绍。
在微带线电路的运作过程中所损失的能量统一称之为插入损耗，其中导体的损耗，介质的损耗和辐射的损耗三个部分共同组成微带线电路的损耗。
所谓的介质损耗是因为微波基板中大分子碰撞交替极化和互相摩擦引起的热损失而造成的，简单来说就是因为漏电造成的损耗。
在整个电路中最主要的损耗是导体的损耗，一方面是由于接地面和导体带中的有限电导率造成的能量损失，另一方面的损耗是因为电阻的耐磨损耗而造成的。
介电损耗和导体的损耗共同构成辐射损耗，它是由带两边的半开放的地区对电磁波的辐射而产生的。
综合各个方面的原因与因素，结合以上所讲的几种损耗，总结出了几个影响微带线损耗的主要因素：
1）电导率。
导体材料都有自身的电导率，其电导率与损耗成反比关系，即随着导体材料的导电性增加微带线的损耗减小，反之损耗增大。
2）工作频率。
这里所说的工作频率是微带线的工作频率，工作频率与损耗成正比，随着微带线频率的增大其损耗也越大，反之频率越低损耗越小。
3）导体表面光洁度。
要增加电流流动的有效途径，不仅仅是可以利用正常电流的流动，也包含了没有被利用而损耗的电流流动，要达到最大程度的有效电流，就要使得导体表面的粗糙程度大于或等于这个导体的投入深度。
导体的表面越粗糙其损耗就会越大，所以说微带线的损耗会随着导体表面光洁度的改变会发生重大的影响。
综合巴伦实际的应用和设计的理论，可以看出，想要在使用中获得更高的工作效率，就要选择相对介电常数比较大的，单片基板的厚度保持相对不变，选择电阻率高的导体材料，介电强度高的材料，且导热系数也应该比较大，最重要的是在需要的频率和温度范围内要有一个不变的介电常数，即一个常数。
理想的基片材料就是要满足以上所有特点和要求，这样特别是在微博集成电路中，可以利用这种理想的基片材料做出更合理论的研究推论以及更加先进准确的工程开发设计。
所以说我们通常选择相对介电常数远远大于1的介质材料基板，这样就可以设计出性能更强的介质基板，而且使其具有让几乎所有的高频能量集中在金属带与绝缘材料内的作用与特性，可以在很多实际工程应用中得到应用。
第三章设计概述
在常用的设计电路中，比如混频器设计电路，push-pull放大器设计电路等，平衡传输电路和不平衡传输电路常用巴伦连接。
在巴伦设计要求存在最小的插入损耗，输出输入端具有相等平衡的阻抗和要有精准的180°相移。
在功率放大电路中存在的对称插损会降低电路的工作效率，除此之外，还村在寄生震荡，要消除这个震荡，在对称平衡端口必须和接地之间有很好的隔离。
要想产生180°相移，在巴伦的设计中其基本结构要包含两条90°相移线，这就要用到λ/4和λ/2的绕线。
可以用绕线变压器来替做一个优秀的巴伦。
在市场上各种频率的小型绕线变压器都可以用来作为巴伦。
在实际的混频器电路设计中通常使用印刷巴伦或者集总器件巴伦这两种，但是这两种巴伦相对于绕线变压器来说成本要高出不少。
值得注意的是在混频器电路设计中，要考虑大多数集总器件和印刷巴伦没有中心引线地这种情况。
LC巴伦电路中由于电感和电容的寄生效应，在工作频率很高的情况下，一般大于1GHz，和自谐震荡频率的影响，巴伦的工作性能将变得很差，但是在高频环境中，通常用微带线设计的巴伦，它的使用性能，和尺寸大小都比较理想，因此本文讲解在较高频率上如何设计微带线巴伦并进行ADS仿真。
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