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(jī)與接收機(jī)必不可少的微波器件，廣泛應(yīng)用于藍(lán)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(yīng)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(gè)非平衡輸入端口，兩個(gè)平衡輸出端口，它可以將非平衡輸入端口的信號(hào)分別從兩個(gè)平衡輸出端口輸出，同時(shí)兩個(gè)平衡輸出端口信號(hào)的幅度相同，相位差為180°，廣泛應(yīng)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(shí)際意義^[4-5]。

    為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)巴倫濾波器優(yōu)異的濾波、阻抗變換功能，文獻(xiàn)[6]基于Marchand巴倫理論采用獨(dú)特的SBCS結(jié)構(gòu)，同時(shí)把傳統(tǒng)帶狀線結(jié)構(gòu)改成錐形帶狀線設(shè)計(jì)出了Marchand巴倫濾波器，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果驗(yàn)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(diǎn)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(dòng)通信系統(tǒng)的可行性。文獻(xiàn)[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(hào)幅度差小于0.35 dB，輸出信號(hào)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(shí)現(xiàn)了小型化。

    本文在Marchand巴倫理論基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型分布參數(shù)巴倫濾波器，該設(shè)計(jì)采用獨(dú)特螺旋交叉堆疊的方式，有利于實(shí)現(xiàn)巴倫濾波器的小型化，同時(shí)在兩段耦合線間引入了耦合電容，從而實(shí)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(dāng)今通信設(shè)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(hào)從端口1進(jìn)入到達(dá)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(gè)輸出端口信號(hào)等幅反相，即具有良好的相位平衡度、幅度平衡度特點(diǎn)。在輸入輸出端口匹配的條件下，三端口網(wǎng)絡(luò)需要滿足以下條件：S₁₁=0，S₂₁=-S₃₁。同理根據(jù)圖1，假設(shè)源和負(fù)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(dá)式如下：

    由于該巴倫濾波器結(jié)構(gòu)采用的是對(duì)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(duì)應(yīng)于奇模、偶模電路中的輸入反射系數(shù)，Γ_even是對(duì)應(yīng)于偶模電路中的傳輸系數(shù)。當(dāng)Γ_even=0時(shí)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(diǎn)，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(huì)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(gè)研究熱點(diǎn)。

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(jìn)一步減小該巴倫的尺寸，本設(shè)計(jì)采用獨(dú)特的交叉堆疊的結(jié)構(gòu)，通過將兩段耦合線分別交錯(cuò)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(huì)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(shí)可以降低該巴倫對(duì)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(shè)計(jì)實(shí)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的超小型寬帶巴倫濾波器的指標(biāo)如表1所示。設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的要求。

    該巴倫非平衡輸入端口1接入50 Ω端口阻抗，兩個(gè)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(shè)計(jì)層間距不僅可以有效地調(diào)整耦合系數(shù)，同時(shí)也可以改變耦合電容的大小，當(dāng)層間距越小時(shí)對(duì)應(yīng)的耦合電容越大，耦合系數(shù)也越大，此時(shí)巴倫濾波器的帶寬越寬，但是駐波會(huì)變大，這樣有利于降低該巴倫濾波器對(duì)于加工工藝的敏感度，同時(shí)可以有效拓展帶寬以及減小尺寸。經(jīng)過HFSS軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化得到最優(yōu)結(jié)果，最終設(shè)計(jì)完成時(shí)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(shè)計(jì)，在基于Marchand巴倫理論的基礎(chǔ)上采用獨(dú)特的交叉堆疊的結(jié)構(gòu)，給出了實(shí)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(biāo)要求，也滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)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(shè)備中具有很強(qiáng)的競爭力。

參考文獻(xiàn)

[1] 清華大學(xué)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(qiáng)，張祖蔭，張兵.微帶巴倫設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，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(jì)量大學(xué) 信息工程學(xué)院 浙江省電磁波信息技術(shù)與計(jì)量檢測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州310018)