一種工作于4GHz的正方形微帶巴倫設計*

汪海鵬，楊曙輝，陳迎潮，馮夢璐（.中國航天科技集團公司物聯(lián)網(wǎng)技術應用研究院，北京0009；2.中國傳媒大學通信工程系，北京0002；.南卡羅來納大學電氣工程系，美國哥倫比亞29208；.北京信息科技大學信息與通信工程學院，北京000）

一種工作于4GHz的正方形微帶巴倫設計*

汪海鵬1，楊曙輝2*，陳迎潮3，馮夢璐4
（1.中國航天科技集團公司物聯(lián)網(wǎng)技術應用研究院，北京100094；2.中國傳媒大學通信工程系，北京100024；3.南卡羅來納大學電氣工程系，美國哥倫比亞29208；4.北京信息科技大學信息與通信工程學院，北京100101）

傳統(tǒng)結構巴倫是一端開路的對稱四端口網(wǎng)絡，在奇偶模分析的基礎上，對傳統(tǒng)的巴倫結構進行改進，設計了一種工作于4GHz的正方形微帶巴倫。利用HFSS進行仿真分析，并加工成實物。測試結果表明，在3.7 GHz～5 GHz范圍內，|S11|大于10 dB；在工作頻段內，|S21|與|S31|均小于4 dB，S21與S31之間的相位差在178°到183°范圍內。該巴倫結構簡單、實現(xiàn)成本較低，可應用于無線局域網(wǎng)、射頻識別等領域。

微帶巴倫；S參數(shù)；奇偶模；四端口網(wǎng)絡

巴倫是一種應用廣泛的三端口微波器件，可用于偶極子天線［1，2］，平衡濾波器［3］和低噪聲放大器［4］中。近年來研究熱點是設計微波頻段的巴倫。例如，文獻［5］采用Rogers高頻電路板設計了一種工作于2.45 GHz和5.25 GHz的雙頻偶極子天線巴倫；文獻［6］設計了基于傳輸線巴倫，工作頻率為1 GHz；文獻［7］利用聚四氟乙烯板材實現(xiàn)了一種Marchand結構，工作頻率為1 GHz的巴倫?？紤]到結構、成本等問題，本文設計了一種工作頻率為4GHz，基于FR-4材料的正方形微帶巴倫。

1　巴倫結構分析

巴倫的工作原理是將輸入端的非平衡信號分成兩路具有180°相位差的差分信號。將傳統(tǒng)的對稱四端口網(wǎng)絡結構中的一個端口短路從而構成三端口網(wǎng)絡，如圖1所示。對于該結構可根據(jù)奇偶模法進行分析。其中，巴倫工作需滿足的充要條件［1］，

其中，Teven是偶模傳輸系數(shù)，Zodd是奇模阻抗，ZS的值是50Ω，其等效電路如圖2所示。

圖1　三端口網(wǎng)絡結構

圖2　等效電路

圖3　結構原理圖

偶模激勵，如圖2（a），滿足式（1）。開路枝節(jié)與左邊的枝節(jié)構成了1/4波長傳輸線。該傳輸線在所設計的頻率處可將開路線轉換成短路電路；對于奇模激勵下，如圖2（b），滿足式（2），1/4波長傳輸線的等效電路如圖3所示。根據(jù)傳輸線理論可得到表1所示的設計參數(shù)。

表1　正四邊形微帶巴倫的設計參數(shù)

2　正方形巴倫的仿真與實測

本文提出的正四邊形微帶巴倫，如圖4所示。利用HFSS進行優(yōu)化，得到了巴倫的S參數(shù)和相位差的仿真結果，如圖5所示。

從圖5可以看出，在3.5 GHz～5.1 GHz范圍內|S11|大于10 dB，其中最大值為25 dB；在3.8 GHz～4.8GHz范圍內|S21|與|S31|皆小于5 dB；在3.5GHz～4.6GHz范圍內S21與S31之間的相位差在175°到185°之間。根據(jù)仿真結果進行了實物加工，基板材料采用FR-4，厚度1mm，表面金屬銅箔厚度0.035mm，尺寸20mm×20mm。電路實物及測試環(huán)境如圖6所示。

圖4　巴倫結構

圖5　仿真結果

圖6　巴倫實物及測試環(huán)境

利用Agilent E8363C矢量網(wǎng)絡分析儀進行實物測試，圖7和圖8對比顯示了實測結果和仿真結果。

圖7　S參數(shù)比較結果

從圖 7可以看出，|S11|、|S21|與|S31|的實測結果與仿真結果基本吻合。存在的誤差分析原因可能主要包括以下幾個方面：（1）實際加工工藝的誤差；（2）測試時，輸入與輸出端的SMA接口需與網(wǎng)絡分析儀的N制接頭進行轉換，會存在一定的轉接誤差；（3）由于巴倫是三端口電路，在實際測試中需在其中一個輸出端連接50Ω負載，而負載的阻值與仿真采用的阻值存在一定誤差。

圖8　相位差比較結果

從圖8可以看出，相位差的實測結果與仿真結果存在差異，這與測試中的采樣點數(shù)有關。在相位差的測試中選用了61個采樣點，得到在0.1 GHz到10 GHz之間如圖5（b）的實測結果。作為對比，表2給出了本文與相關參考文獻的設計結果。

表2　相關文獻的設計結果對比

3　結束語

本文對傳統(tǒng)結構的巴倫進行了改進，設計了一種正方形微帶巴倫。在仿真基礎上進行了實物加工測試。實測結果表明，|S11|在3.7 GHz～5 GHz范圍內大于10 dB；|S21|和|S31|在工作頻率上最大值分別為3.7 dB和2.4 dB；輸出端口之間的相位差在± 3°。所設計的巴倫，工作帶寬較寬、成本較低，可應用于無線局域網(wǎng)，射頻識別等領域。

［1］ Hualiang Zhang，Hao Xin.A Dual-Band Dipole Antennawith Integrated-Balun［J］.Antennas and Propagation，IEEE Transactions on，2009，57（3）：786-789.

［2］ 陳瓊，楊杰，王善進，等.無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)915MHz天線的設計［J］.電子器件，2014，38（4）：746-748.

［3］ 杜澤保，朱旻，張海英，等.基于UWB系統(tǒng)的巴倫濾波器組合器件［J］.微波學報，2010，26（S1）：351-354.

［4］ 寧方瀟，張健，陳曉哲，等.一種用于UHFRFID閱讀器的無電感巴倫LNA設計［J］.電子設計工程，2012，20（15）：117-120.

［5］ Hualiang Zhang，Yitian Peng，Hao Xin.A Tapped Stepped-Impedance Balun with Dual-Band Operations［J］.Antennas and Wireless Propagation Letters，IEEE，2008，7（20）：119-122.

［6］ Vamsi Krishna Velidi，Subrata Sanyal.Wide Range Suppressed Harmonic Response Compact Microstrip Balun［J］.International Journalof Electronicsand Communications，2012，66（1）：45-48.

［7］ MyunJoo Park，Byungje Lee.Stubbed Branch Line Balun［J］.Microwave and Wireless Components Letters，IEEE，2007，17（3）：169-171.

［8］ Mi Zhou，Jin Shao，Bayaner Arigong，et al.Design of Microwave Balunswith Flexible Structures［J］.Microwave and W ireless Components Letters，IEEE，2014，24（10）：695-697.

［9］ Raaed THammed.CompactMarchand Balun Circuit for UWBApplication［J］.International Journalof Electronicsand Communica-tions，2015，69（5）：851-855.

［10］Jin Shao，Rongguo Zhou，Chang Chen，et al.Design of a W ideband Balun Using Parallel Strips［J］.Microwave and Wireless Components Letters，IEEE，2013，23（2）：125-127.

汪海鵬（1989-），男，漢族，北京人，中國航天科技集團公司物聯(lián)網(wǎng)技術應用研究院助理工程師，從事射頻無源器件設計研究，work_bistuwhp@126.com；

楊曙輝（1971-），男，漢族，黑龍江寶清人，中國傳媒大學教授，主要從事射頻通信、信號完整性、人工電磁材料等研究，yangshuhui@cuc.edu.cn；

陳迎潮（1956-），男，漢族，江蘇南京人，美國南卡羅來納大學教授，主要從事計算電磁學、信號完整性等研究，yinchao. chen@gamail.com；

馮夢璐（1991-），女，漢族，湖南岳陽人，北京信息科技大學碩士研究生，主要研究方向基于PCB的芯片無線互連微通信系統(tǒng)結構研究，fm l9159@126.com。

Design of a Square Microstrip Balun Working at 4GHz*

WAN GHaipeng1，YANG Shuhui2*，CHEN Yinchao3，F(xiàn)ENGMenglu4
（1.InternetofThings Technology Application Institute，CASC，Beijing 100094，China；2.Department of Communication Engineering，Communication Uniυersity of China，Beijing 100024，China；3.Electrical Engineering School，Uniυersity of South Carolina，Columbia 29208，USA；4.Information and Communication Engineering Institute，Beijing Information and Science Technology，Beijing 100101，China）

The traditional structure of balun is a symmetrical four-port network with the fourth port open-circuited. Ithas been analyzed using the even-oddmodemethod.A squaremicrostrip balun working at 4 GHz is improved.It was fabricated after being simulated by employing the HFSSsoftware.Themeasured results show that，|S11|ismore than 10 dB from 3.7GHz to 5GHz，|S21|and|S31|are less than 4 dB at the range ofworking band.Besides，the difference phase of S21and S31is about178 degree to 183 degree.The proposed balun has a simple structurewith a lower cost，and can be used in the application ofwireless local area network（WLAN）and radio frequency identification （RFID），etc.

microstrip balun；s parameter；even-oddmode；four-portnetwork

N702

A

1005-9490（2016）04-0755-04

項目來源：國家自然科學基金項目（61171039）

2015-09-14修改日期：2015-10-18

EEACC:135010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.001