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各类微波器件的巴伦设计

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在混频器,push-pull设计中,常常用巴伦连接平衡电路和不平衡电路。巴伦设计要求有精准的180°相移,有最小的差损以及相等平衡的阻抗。在功率放大器中对称差损将降低效率,对称平衡端口必须和地之间有良好的隔离以消除寄生震荡。巴伦的基本结构包含两条90°相移线产生需要的180°相移,这 就涉及到了λ/4 和λ/2。一个绕线变压器将提供一个优异的巴伦。从几KHz到超过2GHz的小型绕线变压器都可以买到。

绕线变压器相对于印刷巴伦或者集总器件巴伦要贵很多,在实际混频器设计中后两种巴伦形式也更为适合。值得注意的是大多数集总器件和印刷巴伦并没有中心引线的地这种情况在混频器设计中要考虑到。

LC巴伦设计本质上是一个电桥,称为“格子形式”巴伦。电路中包含两个电容两个电感,分别产生± 90°相移。下面图1中是LC巴伦的电路示意图。

 

 

图1 LC集总器件巴伦电路原理图

在工作频率时,满足

 

 

设计LC巴伦时要确保工作频率远远低于电容电感的自身谐振频率,并考虑贴片电容。上述电路主要用在推挽放大器的输出端,推挽功放提供平衡信号我们希望变成不平衡的信号输出。通常还用到螺旋绕线形式的巴伦,在图2中给出。

 

 

图2 用于推挽式功法输出端的绕线巴伦提供平衡不平衡转换

然而,用之前表述的集总器件巴伦实现芯片级的绕线巴伦更为方便,如图3所示。

 

 

图3 集总器件代替绕线变压器实现平衡不平衡转换

(2)传输线

传输线巴伦可以通过λ/4传输线实现或者图4中所示的同轴线实现。

(a)1:1同轴巴伦

 

 

图4 四分之一波长同轴线实现的同轴巴伦,1:1阻抗传输

如果需要阻抗变换为1:4,可以用图5中所示巴伦形式

(b)1:4同轴巴伦

 

 

图5 四分之一波长实现的同轴巴伦,实现1:4阻抗变换

(3)微带线

微带印刷巴伦有很多种形式,优势是价格低廉,可以印刷在pcb板上或者微波介质板上。另一方面微带巴伦尺寸相当大,尤其是在低频RF频段。小的耦合线常用在微波频段带宽可以达到10-20%。

最简单的印刷式巴伦是耦合线巴伦,也称作平行线巴伦,如图6所示。用中心频率的四分之一波长微带线构成,带宽可以达到一个倍频,提供足够高的微带线之间的耦合。实际中图6中的单边耦合巴伦并不常用。

 

 

图6 单一耦合线巴伦

 

 

图7 多线耦合巴伦

更实际的情况是用图7中的多耦合微带线,或者图8中多层介质板以得到宽带耦合拓扑结构。宽带巴伦通常涉及到平行的平面巴伦。

 

 

图8 宽带耦合结构耦合线巴伦

平行双线巴伦的一种改进版是印刷的“Marchand巴伦”。这种巴伦源于同轴巴伦,1944由Nathan Marchand提出。在图9中给出了印刷形式的Marchand巴伦最简单的形式。

 

 

图9 印刷Marchand 巴伦

最后,我们可以用微带线技术实现LC形式的巴伦。将电容电感量用微带线来表示(图10)。

 

 

图10 用微带线等效电容电感的LC巴伦