0 引言

    近年來，隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，射頻前端器件在無線通信系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，雙工器、濾波器、巴倫濾波器是連接射頻前端發(fā)射機與接收機必不可少的微波器件，廣泛應用于藍牙、WiFi、無線局域網(wǎng)等領(lǐng)域。巴倫濾波器作為一種平衡非平衡轉(zhuǎn)換器，廣泛應用于天線、混頻器、移相器等器件中，作為一種三端口器件，包括一個非平衡輸入端口，兩個平衡輸出端口，它可以將非平衡輸入端口的信號分別從兩個平衡輸出端口輸出，同時兩個平衡輸出端口信號的幅度相同，相位差為180°，廣泛應用于差分電路中，從而可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力^[1-3]。近年來射頻器件朝著微型化、高性能的方向發(fā)展，作為無線通信產(chǎn)品中必不可少的無源器件，其用量也越來越大。一般的電子系統(tǒng)所用的有源器件與無源器件的比例為1:10，由此可見開發(fā)高性能的小型化射頻無源器件具有重要的實際意義^[4-5]。

    為了同時實現(xiàn)巴倫濾波器優(yōu)異的濾波、阻抗變換功能，文獻[6]基于Marchand巴倫理論采用獨特的SBCS結(jié)構(gòu)，同時把傳統(tǒng)帶狀線結(jié)構(gòu)改成錐形帶狀線設計出了Marchand巴倫濾波器，實驗測試結(jié)果驗證了在中心頻率為2.45 GHz、5.25 GHz和5.85 GHz中該巴倫濾波器具有良好的性能。TSAI C和LIN Y等^[7]提出了在兩段耦合線的末端加載合適的集總電容結(jié)構(gòu)，通過改變末端加載電容可以有效地控制上阻帶傳輸零點的位置，另外在該結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，為了改善濾波性能使用更高階結(jié)構(gòu)，最后得到二階結(jié)構(gòu)的尺寸為2.0 mm×1.25 mm×0.95 mm，三階結(jié)構(gòu)的尺寸為2.0 mm×1.25 mm×0.85 mm，證明了其在移動通信系統(tǒng)的可行性。文獻[8]提出了工作在中心頻率為925 MHz的集總式巴倫濾波器，該巴倫濾波器的帶寬為80 MHz，在通帶范圍內(nèi)插損小于4.93 dB，輸出信號幅度差小于0.35 dB，輸出信號相位差小于4°，最后加工出來的尺寸僅為4.5 mm×3.2 mm×1.5 mm，有效實現(xiàn)了小型化。

    本文在Marchand巴倫理論基礎(chǔ)上設計了一種新型分布參數(shù)巴倫濾波器，該設計采用獨特螺旋交叉堆疊的方式，有利于實現(xiàn)巴倫濾波器的小型化，同時在兩段耦合線間引入了耦合電容，從而實現(xiàn)了在僅僅占用1.0 mm×0.5 mm×0.4 mm尺寸大小條件下，在1.805 GHz~2.17 GHz頻段范圍內(nèi)擁有良好的輸出幅度平衡度和相位平衡度，完全滿足當今通信設備小型化的要求。

1 Marchand巴倫分析

    Marchand 巴倫是Marchand于1944年提出的，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其包含兩段λ/4耦合線，端口1為輸入端，端口2、3為輸出端，其中端口1理論上連接λ/2開路線，端口2、3分別連接λ/4短路線，理論上信號從端口1進入到達端口2、3分別經(jīng)過λ/4和3λ/4長度傳輸線，因此理論上端口2、3的相位差為180°。根據(jù)巴倫濾波器的工作特性，兩個輸出端口信號等幅反相，即具有良好的相位平衡度、幅度平衡度特點。在輸入輸出端口匹配的條件下，三端口網(wǎng)絡需要滿足以下條件：S₁₁=0，S₂₁=-S₃₁。同理根據(jù)圖1，假設源和負載的阻抗與50 Ω匹配，根據(jù)二端口理論可以得到該巴倫的S參數(shù)矩陣表達式如下：

    由于該巴倫濾波器結(jié)構(gòu)采用的是對稱的結(jié)構(gòu)，因此可以采用奇模和偶模分析它的相位特性^[9]。為了獲得理想的180°相位特性，需要滿足下式條件：

其中，Γ_even和Γ_odd分別是對應于奇模、偶模電路中的輸入反射系數(shù)，Γ_even是對應于偶模電路中的傳輸系數(shù)。當Γ_even=0時在所有的頻率范圍內(nèi)巴倫濾波器表現(xiàn)出理想的傳輸特性，并且具有良好的180°相位特性。Marchand巴倫在理論上看有很多的優(yōu)點，但是由于涉及四分之一波長的耦合傳輸線，因此巴倫濾波器在較低的頻率下會占據(jù)較大的體積，所以關(guān)于巴倫濾波器的小型化問題一直是一個研究熱點。

2 三維建模

    耦合線的寬度主要影響巴倫的駐波性能以及插入損耗。為了進一步減小該巴倫的尺寸，本設計采用獨特的交叉堆疊的結(jié)構(gòu)，通過將兩段耦合線分別交錯纏繞的方式可以有效地縮小該巴倫的體積，由于耦合線間會有寄生電容的存在，合理地利用寄生電容可以有效地拓展巴倫的帶寬，同時可以降低該巴倫對于制造工藝的敏感度，大大提高了產(chǎn)品的合格率。有效降低生產(chǎn)成本。

3 設計實例分析

    在基于LTCC的多層加工技術(shù)、螺旋寬邊耦合帶狀線結(jié)構(gòu)以及Marchand巴倫理論原理基礎(chǔ)上，本文設計了一款頻帶為1.805 GHz~2.17 GHz，尺寸僅為1.0 mm×0.5 mm×0.4 mm的巴倫濾波器。該巴倫濾波器采用的是介電常數(shù)為9.8，損耗角為0.003的LTCC介質(zhì)材料，其層間距為0.02 mm。該巴倫的等效電路如圖2所示。

    本文設計的超小型寬帶巴倫濾波器的指標如表1所示。設計完成后的三維示意圖如圖3所示。仿真結(jié)果分別如圖4～圖7所示。其中圖4是回波損耗，圖5是插入損耗，圖6是輸出相位平衡度，圖7是輸出幅度平衡度。由仿真結(jié)果可知，該巴倫在工作頻率范圍內(nèi)有很好的幅度和相位特性，因此滿足設計的要求。

    該巴倫非平衡輸入端口1接入50 Ω端口阻抗，兩個平衡輸出端口2、3也分別接入50 Ω端口阻抗，其交叉堆疊的方式引入了耦合電容C1、C2。合理的設計層間距不僅可以有效地調(diào)整耦合系數(shù)，同時也可以改變耦合電容的大小，當層間距越小時對應的耦合電容越大，耦合系數(shù)也越大，此時巴倫濾波器的帶寬越寬，但是駐波會變大，這樣有利于降低該巴倫濾波器對于加工工藝的敏感度，同時可以有效拓展帶寬以及減小尺寸。經(jīng)過HFSS軟件進行仿真優(yōu)化得到最優(yōu)結(jié)果，最終設計完成時奇數(shù)層的線寬為0.06 mm，偶數(shù)層線寬為0.042 mm。層間距為0.02 mm。

4 結(jié)論

    本文介紹了基于LTCC技術(shù)的小型化Marchand巴倫濾波器的設計，在基于Marchand巴倫理論的基礎(chǔ)上采用獨特的交叉堆疊的結(jié)構(gòu)，給出了實際的等效電路圖，通過高頻仿真軟件優(yōu)化得到其仿真物理尺寸僅為1.0 mm×0.5 mm×0.4 mm，工作在1.805 GHz～2.17 GHz頻率范圍內(nèi)，在其工作頻率范圍內(nèi)輸出幅度差小于±1.2 dB，輸出相位差小于±10°，完全滿足該巴倫濾波器的指標要求，也滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對于射頻器件的要求。并且其物理尺寸僅為1.0 mm×0.5 mm×0.4 mm，在日趨小型化的通信設備中具有很強的競爭力。

參考文獻

[1] 清華大學微帶電路編寫組.微帶電路[M].北京：人民郵電出版社，1976.

[2] 林強，張祖蔭，張兵.微帶巴倫設計[J].現(xiàn)代雷達，2004，24(10)：61-63.

[3] MARCHAND N.Transmission-line conversion transformers[J].Electronics，1944，17(12)：142-145.

[4] LIM H A，LEONG M S，OOI B L，et al.A new method of designing Marchand baluns for multilayer applications[C].APMC 2001.2001 Asia-Pacific Microwave Conference(Cat.No.01TH8577)，2001：425-428.

[5] SCHWINDT R，NGUYEN C.A CAD procedure for the double-layer broadside-coupled Marchand balun[C].1994 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest(Cat.No.94CH3389-4)，1994：389-391.

[6] Guo Yongxin，ZHANG Z Y，ONG L C，et al.A novel LTCC miniaturized dualband balun[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2006，16(3)：143-145.

[7] TSAI C，LIN Y.Analysis and design of new single-to-balnced multicoupled line bandpass filters using low-temperature co-fired ceramic technology[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2008，56(12)：2902-2912.

[8] LI B，DAI Y.Design of the micro lumped balun based on LTCC technology[C].2016 IEEE International Workshop on Electromagnetics：Applications and Student Innovation Competition(iWEM)，Nanjing，2016：1-3.

[9] ANG K S，LEONG Y C，LEE C H.Analysis and design of miniaturized lumped-distributed impedance-transforming baluns[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2003，51(3)：1009-1017.

作者信息:

柏  柯，周浩淼

(中國計量大學 信息工程學院 浙江省電磁波信息技術(shù)與計量檢測重點實驗室，浙江 杭州310018)