CN105789802B - 一种基于新型互联结构的超宽带巴伦 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于新型互联结构的超宽带巴伦。包括长方形的介质基板；在介质基板的正面设置有T型结功率分配器、共面带状线、二端口输出端微带线导带、三端口输出端微带线导带；在介质基板的反面设置有二端口输出端微带线地板、三端口输出端微带线地板、共面波导、输入端微带线地板；在介质基板中设置有多个圆形金属通孔用于连接介质基板正反面的器件。本发明尺寸小、电路结构紧凑、插入损耗小、具有良好输出端口匹配特性。
Description
技术领域
本发明属于微波无源器件技术领域，具体涉及一种基于新型互联结构的超宽带巴伦。
背景技术
天线领域中，偶极子天线属于平衡型天线，从而需要一个巴伦将不平衡信号转换为平衡信号来为平衡型天线馈电。巴伦是平衡非平衡转换器，能够提供等幅反向信号以及实现阻抗匹配。目前微波集成电路中最常见的信号传输线是微带线，传输的是非平衡信号，而共面波导和共面带状线都是单面传输线，具有尺寸小，易于集成，便于与微带结构实现宽带互联结构等特点。基于这一背景，我们采用微带线-共面波导及微带线-共面带状线实现了一种损耗低、尺寸小、较好的端口匹配性能的超宽带巴伦。
已有文献报道了超宽带巴伦的结构：
文献1(Vicente González-Posadas,Carlos Martín-Pascual,José Luis Jiménez-Martín,and Daniel Segovia-Vargas,Lumped-element balun for UHF UWB printedbalanced antennas,IEEE Transactions on antenna and propagation,2008,56,(7)：2102-2107)中利用高通单元和低通单元结构中所分别呈现电容性与电感性，这样通过适当的并联措施，从而得到两个输出端口的相位反向特性，但是该巴伦是基于半集总元件实现，难以实现宽带宽，并且插入损耗大。
文献2(Peng Wu,Yong Zhang,Yu-Liang Dong,and Qin Zhang,A novel Ka-bandplanar balun using microstrip-CPS-microstrip transition,IEEE MicrowaveWireless Compon.Lett.,2011,21,(3):136-138)中利用两个对称的微带线-共面带状线的互联结构实现了宽带的巴伦，但巴伦的尺寸比较大且结构比较复杂。
文献3(Jin Shao,Rongguo Zhou,Chang Chen,Xiao-Hua Wang,Hyoungsoo Kim,and Hualiang Zhang,Design of a wideband balun using parallel strips,IEEEMicrowave Wireless Compon.Lett.,2013,23,(3):125-127)中利用相位变换器实现了宽带的巴伦，有较好的端口匹配特性，但是巴伦的尺寸较大。
综上所述，(1)文献1中设计的巴伦采用的是半集总元件的实现方式，在毫米波段集总元件的损耗较且使得电路不便于加工；(2)文献2中设计的宽带巴伦尺寸较大且结构复杂；(3)文献3中设计的宽带巴伦具有尺寸大的缺点。
发明内容
本发明的目的是基于新型的互联结构提供一种尺寸小、电路结构紧凑、插入损耗小、具有良好输出端口匹配特性的超宽带巴伦。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于新型互联结构的超宽带巴伦，包括长方形的介质基板；在介质基板的正面设置有T型结功率分配器、共面带状线、二端口输出端微带线导带、三端口输出端微带线导带；在介质基板的反面设置有二端口输出端微带线地板、三端口输出端微带线地板、共面波导、输入端微带线地板；在介质基板中设置有多个圆形金属通孔用于连接介质基板正反面的器件。
较佳地，T型结功率分配器由与介质基板短边平行的T型结微带线导带和与T型结微带线导带垂直的输入端微带线导带构成；输入端微带线导带的一端位于介质基板短边的边缘；T型结微带线导带的中心位于与介质基板长边平行的中心轴线上，T型结微带线导带的一端与共面带状线连接，另一端与一个圆形金属通孔连接，并通过该圆形金属通孔与共面波导连接。
较佳地，二端口输出端微带线导带、三端口输出端微带线导带均垂直于介质基板的窄边，且一端均位于介质基板窄边的边缘；二端口输出端微带线导带的另一端与共面带状线连接，三端口输出端微带线导带的另一端同时与两个圆形金属通孔连接，并通过该两个圆形金属通孔与共面波导连接。
较佳地，共面带状线包括两条平行的微带线导带，其中一条微带线导带的两端分别与两个圆形金属通孔连接，并通过圆形金属通孔分别与介二端口输出端微带线地板和输入端微带线地板连接；共面带状线中另一条微带线导带的一端与二端口输出端微带线导带连接，另一端与T型结功率分配器连接。
较佳地，输入端微带线地板为矩形，其三条边位于介质基板的三个边上，另一边与共面波导的地板连接。
较佳地，二端口输出端微带线地板为矩形，其中心轴线与共面带状线的中心轴线重合，且其通过一个金属通孔与共面带状线的其中一条导带连接。
较佳地，三端口输出端微带线地板为矩形，其中心轴线与三端口输出端微带线导带、共面波导的中心轴线重合。
较佳地，共面波导的信号线的一端与三端口输出端微带线地板连接，另一端通过一个金属通孔与微带线导带连接，共面波导的地板的一端与输入端微带线地板相连，另一端通过两个金属通孔与三端口输出端微带线导带连接。
较佳地，介质基板相对介电常数3.38，厚度为0.508mm；输入微带线特性阻抗为50欧姆，宽度为1.05mm；二端口输出端微带线和三端口输出端微带线特性阻抗为75欧姆，宽度为0.3mm；共面带状线的长度L3为4.2mm，槽宽为0.17mm；共面波导的信号线的长度为2.4mm，槽宽为0.4mm；二端口输出端微带线和三端口输出端微带线间的距离为6.25mm；金属通孔的半径为0.3mm。
较佳地，输入微带线导带偏离巴伦对称轴1.5mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于，(1)巴伦的结构简单，可在单片PCB板上实现，便与加工，生产成本低；(2)巴伦具有提供等幅反向信号和阻抗匹配的作用，为平衡天线等射频元件馈电时无需再使用阻抗匹配段；(3)巴伦的尺寸小、工作频带宽(从0.13MHz至5.2GHz，频带宽带比超过50:1)、插入损耗小、输出端口具有良好匹配特性等特性。
附图说明
图1是本发明基于新型互联结构的超宽带巴伦实施例的3D结构示意图。
图2是本发明基于新型互联结构的超宽带巴伦实施例的俯视结构示意图。
图3是本发明基于新型互联结构的超宽带巴伦的实施例的结构尺寸示意图。
图4是本发明基于新型互联结构的超宽带巴伦的实施例的S参数仿真图。
图5是本发明基于新型互联结构的超宽带巴伦的实施例的两个输出端口幅度差的仿真图。
图6是本发明基于新型互联结构的超宽带巴伦的实施例的两个输出端口相位差的仿真图。
具体实施方式
本发明一种基于新型互联结构的超宽带巴伦，包括长方形的介质基板9；在介质基板9的正面设置有T型结功率分配器2、共面带状线4、二端口输出端微带线导带6、三端口输出端微带线导带7；其中，
T型结功率分配器2由输入端微带线导带1和与输入端微带线导带1垂直连接的T型结微带线导带12构成，输入端微带线导带1的一端位于介质基板9短边的边缘，另一端与T型结微带线导带12连接；T型结微带线导带12与介质基板9短边平行，T型结微带线导带12的中心位于与介质基板9长边平行的中心轴线上，T型结微带线导带12的一端与共面带状线4连接，另一端与一个圆形金属通孔3连接，并通过该圆形金属通孔3与共面波导10连接。
二端口输出端微带线导带6、三端口输出端微带线导带7均垂直于介质基板9的窄边，且有一端位于介质基板9窄边的边缘；二端口输出端微带线导带6的另一端与共面带状线4连接，三端口输出端微带线导带7的另一端同时与两个圆形金属通孔3连接，并通过两个圆形金属通孔3与介质基板9反面的共面波导10连接；
共面带状线4包括两条平行的微带线导带，其中一条微带线导带的两端分别与两个圆形金属通孔3连接，并通过圆形金属通孔3分别与介质基板9反面的二端口输出端微带线地板5和输入端微带线地板11连接；共面带状线4中另一条微带线导带的一端与二端口输出端微带线导带6连接，另一端与T型结功率分配器2连接。
介质基板9的反面包括二端口输出端微带线地板5、三端口输出端微带线地板8、共面波导10、输入端微带线地板11，其中，
输入端微带线地板11为矩形，其三条边位于介质基板9的三个边重合，另一边与共面波导10的地板连接；
二端口输出端微带线地板5为矩形，其中心轴线与共面带状线4的中心轴线重合，且其通过一个金属通孔3与共面带状线4的其中一条导带连接，
三端口输出端微带线地板8为矩形，其中心轴线与三端口输出端微带线导带7、共面波导10的中心轴线重合，
共面波导10的信号线的一端与三端口输出端微带线地板8连接，另一端通过一个金属通孔3与T型结微带线导带12连接，共面波导10的地板的一端与输入端微带线地板11相连，另一端通过两个金属通孔3与三端口输出端微带线导带7连接。
本发明基于新型互联结构的超宽带巴伦的工作过程如下：电磁信号从输入端微带线1进入巴伦，经过T型结功率分配器2得到两路等幅同向信号，其中一路信号经过共面带状线4，沿着共面带状线4传输到二端口输出端微带线导带6和二端口输出端微带线地板5组成的二端口输出端微带传输线；同样的，另一路信号经过共面波导10，沿着共面波导10传输到三端口输出端微带线导带7和三端口输出端微带线地板8组成的三端口输出端微带传输线。
在结构上，输入端微带线导带1、二端口输出端微带线导带6和三端口输出端微带线导带7的宽度根据端口的阻抗确定，一般输入端微带线导带1设计为50欧姆微带线对应宽度；在天线应用领域，二端口输出端微带线导带6和三端口输出端微带线导带7宽度根据天线的输入阻抗确定。共面带状线4的线宽、共面波导10信号线和输出端口微带线导带宽度保持一致。巴伦的带宽随共面波导10的长度增加而增加达到最大值后，又会减小，控制共面带状线4两个传输线间的槽宽对巴伦两输出端口幅度匹配特性具有调整作用，控制输入端微带线导带1偏离结构对称轴线的距离可以调节巴伦两输出端口相位匹配特性。在制造上，通过印制电路板制造工艺对电路基板正面电路及背面的电路加工形成所需的金属图案。
实施例
结合图1、图2、图3，以工作在0.15-5.2GHz的基于新型互联结构的超宽带巴伦为例，采用的介质基板9相对介电常数3.38，厚度为0.508mm。输入微带线1特性阻抗为50欧姆，输入微带线1的宽度W1为1.05mm，二端口输出端微带线6和三端口输出端微带线7特性阻抗为75欧姆，宽度W2为0.3mm。共面带状线4的线宽和W2一致，长度L3为4.2mm，槽宽S1为0.17mm；共面波导10的信号线宽度与W2一致，长度L4为2.4mm，槽宽S2为0.4mm，二端口输出端微带线6和三端口输出端微带线7间的距离L2为6.25mm。金属通孔3的半径为0.3mm，输入微带线导带1偏离巴伦对称轴的距离L1为1.5mm。
本实施例超宽带巴伦是在电磁仿真软件HFSS.13中建模仿真的。图4是本实施例中超宽带巴伦的S参数仿真图，从图中可以看出，巴伦的S参数在0.15-5.2GHz范围内是小于-10dB的,插入损耗小于1.3dB，倍频带宽为34.7，具有超宽带低插入损耗的优点。
图5是本实施例中超宽带巴伦的两个平衡输出端口幅度差，从图中可以看出，该实施例巴伦的两个平衡输出端口幅度差在0.2dB以内。
图6是本实施例中超宽带巴伦的两个平衡输出端口相位差，从图中可以看出，该实施例巴伦的两个平衡输出端口相位差在180±2度以内。
综上所述，本发明基于新型互联结构的超宽带巴伦，立足于无线通信向宽带、小型化发展背景，利用两种不同类型的宽带互联结构实现了超宽带巴伦，本结构包括两个对称的互联结构，共面波导、微带线导带和微带线地板组成互联结构，形成立体交叉处，连接到微带线导带结构的一个输出端口，共面带状线、微带线导带和微带线地板组成互联结构，连接到微带线导带结构的另一个输出端口；本发明利用微带线-共面波导及微带线-共面微带线宽带互联结构实现超宽带巴伦，具有尺寸小、电路结构紧凑、插入损耗小、两个平衡输出端口匹配特性好、超宽带等优点。
Claims (5)
1.一种基于新型互联结构的超宽带巴伦，其特征在于，包括长方形的介质基板(9)；在介质基板(9)的正面设置有T型结功率分配器(2)、共面带状线(4)、二端口输出端微带线导带(6)、三端口输出端微带线导带(7)；在介质基板(9)的反面设置有二端口输出端微带线地板(5)、三端口输出端微带线地板(8)、共面波导(10)、输入端微带线地板(11)；在介质基板(9)中设置有多个圆形金属通孔(3)用于连接介质基板(9)正反面的器件；
T型结功率分配器(2)由与介质基板(9)短边平行的T型结微带线导带(12)以及与T型结微带线导带(12)垂直的输入端微带线导带(1)构成；输入端微带线导带(1)的一端位于介质基板(9)短边的边缘；T型结微带线导带(12)的中心位于与介质基板(9)长边平行的中心轴线上，T型结微带线导带(12)的一端与共面带状线(4)连接，另一端与一个圆形金属通孔(3)连接，并通过该圆形金属通孔(3)与共面波导(10)连接；
二端口输出端微带线导带(6)、三端口输出端微带线导带(7)均垂直于介质基板(9)的窄边，且一端均位于介质基板(9)窄边的边缘；二端口输出端微带线导带(6)的另一端与共面带状线(4)连接，三端口输出端微带线导带(7)的另一端同时与两个圆形金属通孔(3)连接，并通过该两个圆形金属通孔(3)与共面波导(10)连接；
共面带状线(4)包括两条平行的微带线导带，其中一条微带线导带的两端分别与两个圆形金属通孔(3)连接，并通过圆形金属通孔(3)分别与二端口输出端微带线地板(5)和输入端微带线地板(11)连接；共面带状线(4)中另一条微带线导带的一端与二端口输出端微带线导带(6)连接，另一端与T型结功率分配器(2)连接；
二端口输出端微带线地板(5)为矩形，其中心轴线与共面带状线(4)的中心轴线重合，且其通过一个金属通孔(3)与共面带状线(4)的其中一条导带连接；
共面波导(10)的信号线的一端与三端口输出端微带线地板(8)连接，另一端通过一个金属通孔(3)与T型结微带线导带(12)连接，共面波导(10)的地板的一端与输入端微带线地板(11)相连，另一端通过两个金属通孔(3)与三端口输出端微带线导带(7)连接。
2.如权利要求1所述基于新型互联结构的超宽带巴伦，其特征在于，输入端微带线地板(11)为矩形，其三条边位于介质基板(9)的三个边上，另一边与共面波导(10)的地板连接。
3.如权利要求1所述基于新型互联结构的超宽带巴伦，其特征在于，三端口输出端微带线地板(8)为矩形，其中心轴线与三端口输出端微带线导带(7)、共面波导(10)的中心轴线重合。
4.如权利要求1所述基于新型互联结构的超宽带巴伦，其特征在于，介质基板(9)相对介电常数3.38，厚度为0.508mm；输入端微带线导带(1)特性阻抗为50欧姆，宽度为1.05mm；二端口输出端微带线导带(6)和三端口输出端微带线导带(7)特性阻抗为75欧姆，宽度为0.3mm；共面带状线(4)的长度L3为4.2mm，槽宽为0.17mm；共面波导(10)的信号线的长度为2.4mm，槽宽为0.4mm；二端口输出端微带线(6)和三端口输出端微带线(7)间的距离为6.25mm；金属通孔(3)的半径为0.3mm。
5.如权利要求1所述基于新型互联结构的超宽带巴伦，其特征在于，输入端微带线导带(1)偏离巴伦对称轴1.5mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180904 Termination date: 20201215 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |