各類微波器件的巴倫設(shè)計(jì)

在混頻器，push-pull放大器設(shè)計(jì)中，常常用巴倫連接平衡電路和不平衡電路。巴倫設(shè)計(jì)要求有精準(zhǔn)的180°相移，有最小的差損以及相等平衡的阻抗。在功率放大器中對(duì)稱差損將降低效率，對(duì)稱平衡端口必須和地之間有良好的隔離以消除寄生震蕩。巴倫的基本結(jié)構(gòu)包含兩條90°相移線產(chǎn)生需要的180°相移，這就涉及到了λ/4 和λ/2。一個(gè)繞線變壓器將提供一個(gè)優(yōu)異的巴倫。從幾KHz到超過2GHz的小型繞線變壓器都可以買到。

繞線變壓器相對(duì)于印刷巴倫或者集總器件巴倫要貴很多，在實(shí)際混頻器設(shè)計(jì)中后兩種巴倫形式也更為適合。值得注意的是大多數(shù)集總器件和印刷巴倫并沒有中心引線的地這種情況在混頻器設(shè)計(jì)中要考慮到。

（1）L-C巴倫
LC巴倫設(shè)計(jì)本質(zhì)上是一個(gè)電橋，稱為“格子形式”巴倫。電路中包含兩個(gè)電容兩個(gè)電感，分別產(chǎn)生± 90°相移。下面圖1中是LC巴倫的電路示意圖。

圖1 LC集總器件巴倫電路原理圖

在工作頻率時(shí)，滿足

設(shè)計(jì)LC巴倫時(shí)要確保工作頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電容電感的自身諧振頻率，并考慮貼片電容。上述電路主要用在推挽放大器的輸出端，推挽功放提供平衡信號(hào)我們希望變成不平衡的信號(hào)輸出。通常還用到螺旋繞線形式的巴倫，在圖2中給出。

圖2 用于推挽式功法輸出端的繞線巴倫提供平衡不平衡轉(zhuǎn)換

然而，用之前表述的集總器件巴倫實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)的繞線巴倫更為方便，如圖3所示。

圖3 集總器件代替繞線變壓器實(shí)現(xiàn)平衡不平衡轉(zhuǎn)換

（2）傳輸線

傳輸線巴倫可以通過λ/4傳輸線實(shí)現(xiàn)或者圖4中所示的同軸線實(shí)現(xiàn)。
（a）1:1同軸巴倫

圖4 四分之一波長(zhǎng)同軸線實(shí)現(xiàn)的同軸巴倫，1:1阻抗傳輸

如果需要阻抗變換為1:4，可以用圖5中所示巴倫形式
（b）1:4同軸巴倫

圖5 四分之一波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)的同軸巴倫，實(shí)現(xiàn)1:4阻抗變換

（3）微帶線

微帶印刷巴倫有很多種形式，優(yōu)勢(shì)是價(jià)格低廉，可以印刷在pcb板上或者微波集成電路介質(zhì)板上。另一方面微帶巴倫尺寸相當(dāng)大，尤其是在低頻RF頻段。小的耦合線常用在微波頻段帶寬可以達(dá)到10-20%。

最簡(jiǎn)單的印刷式巴倫是耦合線巴倫，也稱作平行線巴倫，如圖6所示。用中心頻率的四分之一波長(zhǎng)微帶線構(gòu)成，帶寬可以達(dá)到一個(gè)倍頻，提供足夠高的微帶線之間的耦合。實(shí)際中圖6中的單邊耦合巴倫并不常用。
 

圖6 單一耦合線巴倫

圖7 多線耦合巴倫

更實(shí)際的情況是用圖7中的多耦合微帶線，或者圖8中多層介質(zhì)板以得到寬帶耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。寬帶巴倫通常涉及到平行的平面巴倫。

圖8 寬帶耦合結(jié)構(gòu)耦合線巴倫

平行雙線巴倫的一種改進(jìn)版是印刷的“Marchand巴倫”。這種巴倫源于同軸巴倫，1944由Nathan Marchand提出。在圖9中給出了印刷形式的Marchand巴倫最簡(jiǎn)單的形式。

圖9 印刷Marchand 巴倫

最后，我們可以用微帶線技術(shù)實(shí)現(xiàn)LC形式的巴倫。將電容電感量用微帶線來表示（圖10）。

圖10 用微帶線等效電容電感的LC巴倫