一种工作于4GHz的正方形微带巴伦设计*

汪海鹏，杨曙辉，陈迎潮，冯梦璐（.中国航天科技集团公司物联网技术应用研究院，北京0009；2.中国传媒大学通信工程系，北京0002；.南卡罗来纳大学电气工程系，美国哥伦比亚29208；.北京信息科技大学信息与通信工程学院，北京000）

一种工作于4GHz的正方形微带巴伦设计*

汪海鹏1，杨曙辉2*，陈迎潮3，冯梦璐4
（1.中国航天科技集团公司物联网技术应用研究院，北京100094；2.中国传媒大学通信工程系，北京100024；3.南卡罗来纳大学电气工程系，美国哥伦比亚29208；4.北京信息科技大学信息与通信工程学院，北京100101）

传统结构巴伦是一端开路的对称四端口网络，在奇偶模分析的基础上，对传统的巴伦结构进行改进，设计了一种工作于4GHz的正方形微带巴伦。利用HFSS进行仿真分析，并加工成实物。测试结果表明，在3.7 GHz～5 GHz范围内，|S11|大于10 dB；在工作频段内，|S21|与|S31|均小于4 dB，S21与S31之间的相位差在178°到183°范围内。该巴伦结构简单、实现成本较低，可应用于无线局域网、射频识别等领域。

微带巴伦；S参数；奇偶模；四端口网络

巴伦是一种应用广泛的三端口微波器件，可用于偶极子天线［1，2］，平衡滤波器［3］和低噪声放大器［4］中。近年来研究热点是设计微波频段的巴伦。例如，文献［5］采用Rogers高频电路板设计了一种工作于2.45 GHz和5.25 GHz的双频偶极子天线巴伦；文献［6］设计了基于传输线巴伦，工作频率为1 GHz；文献［7］利用聚四氟乙烯板材实现了一种Marchand结构，工作频率为1 GHz的巴伦。考虑到结构、成本等问题，本文设计了一种工作频率为4GHz，基于FR-4材料的正方形微带巴伦。

1　巴伦结构分析

巴伦的工作原理是将输入端的非平衡信号分成两路具有180°相位差的差分信号。将传统的对称四端口网络结构中的一个端口短路从而构成三端口网络，如图1所示。对于该结构可根据奇偶模法进行分析。其中，巴伦工作需满足的充要条件［1］，

其中，Teven是偶模传输系数，Zodd是奇模阻抗，ZS的值是50Ω，其等效电路如图2所示。

图1　三端口网络结构

图2　等效电路

图3　结构原理图

偶模激励，如图2（a），满足式（1）。开路枝节与左边的枝节构成了1/4波长传输线。该传输线在所设计的频率处可将开路线转换成短路电路；对于奇模激励下，如图2（b），满足式（2），1/4波长传输线的等效电路如图3所示。根据传输线理论可得到表1所示的设计参数。

表1　正四边形微带巴伦的设计参数

2　正方形巴伦的仿真与实测

本文提出的正四边形微带巴伦，如图4所示。利用HFSS进行优化，得到了巴伦的S参数和相位差的仿真结果，如图5所示。

从图5可以看出，在3.5 GHz～5.1 GHz范围内|S11|大于10 dB，其中最大值为25 dB；在3.8 GHz～4.8GHz范围内|S21|与|S31|皆小于5 dB；在3.5GHz～4.6GHz范围内S21与S31之间的相位差在175°到185°之间。根据仿真结果进行了实物加工，基板材料采用FR-4，厚度1mm，表面金属铜箔厚度0.035mm，尺寸20mm×20mm。电路实物及测试环境如图6所示。

图4　巴伦结构

图5　仿真结果

图6　巴伦实物及测试环境

利用Agilent E8363C矢量网络分析仪进行实物测试，图7和图8对比显示了实测结果和仿真结果。

图7　S参数比较结果

从图 7可以看出，|S11|、|S21|与|S31|的实测结果与仿真结果基本吻合。存在的误差分析原因可能主要包括以下几个方面：（1）实际加工工艺的误差；（2）测试时，输入与输出端的SMA接口需与网络分析仪的N制接头进行转换，会存在一定的转接误差；（3）由于巴伦是三端口电路，在实际测试中需在其中一个输出端连接50Ω负载，而负载的阻值与仿真采用的阻值存在一定误差。

图8　相位差比较结果

从图8可以看出，相位差的实测结果与仿真结果存在差异，这与测试中的采样点数有关。在相位差的测试中选用了61个采样点，得到在0.1 GHz到10 GHz之间如图5（b）的实测结果。作为对比，表2给出了本文与相关参考文献的设计结果。

表2　相关文献的设计结果对比

3　结束语

本文对传统结构的巴伦进行了改进，设计了一种正方形微带巴伦。在仿真基础上进行了实物加工测试。实测结果表明，|S11|在3.7 GHz～5 GHz范围内大于10 dB；|S21|和|S31|在工作频率上最大值分别为3.7 dB和2.4 dB；输出端口之间的相位差在± 3°。所设计的巴伦，工作带宽较宽、成本较低，可应用于无线局域网，射频识别等领域。

［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］ 陈琼，杨杰，王善进，等.无线数据采集系统915MHz天线的设计［J］.电子器件，2014，38（4）：746-748.

［3］ 杜泽保，朱旻，张海英，等.基于UWB系统的巴伦滤波器组合器件［J］.微波学报，2010，26（S1）：351-354.

［4］ 宁方潇，张健，陈晓哲，等.一种用于UHFRFID阅读器的无电感巴伦LNA设计［J］.电子设计工程，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.

汪海鹏（1989-），男，汉族，北京人，中国航天科技集团公司物联网技术应用研究院助理工程师，从事射频无源器件设计研究，work_bistuwhp@126.com；

杨曙辉（1971-），男，汉族，黑龙江宝清人，中国传媒大学教授，主要从事射频通信、信号完整性、人工电磁材料等研究，yangshuhui@cuc.edu.cn；

陈迎潮（1956-），男，汉族，江苏南京人，美国南卡罗来纳大学教授，主要从事计算电磁学、信号完整性等研究，yinchao. chen@gamail.com；

冯梦璐（1991-），女，汉族，湖南岳阳人，北京信息科技大学硕士研究生，主要研究方向基于PCB的芯片无线互连微通信系统结构研究，fm l9159@126.com。

Design of a Square Microstrip Balun Working at 4GHz*

WAN GHaipeng1，YANG Shuhui2*，CHEN Yinchao3，FENGMenglu4
（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

项目来源：国家自然科学基金项目（61171039）

2015-09-14修改日期：2015-10-18

EEACC:135010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.001