《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種基于LTCC技術(shù)的新型Marchand巴倫濾波器
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
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
摘要： 設(shè)計(jì)了基于Marchand巴倫結(jié)構(gòu)的小型化分布參數(shù)式巴倫濾波器,。該巴倫濾波器基于低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù),，充分利用該技術(shù)的多層優(yōu)勢,，通過LTCC多層布線的實(shí)現(xiàn)方式縮小巴倫濾波器的體積,。該巴倫濾波器的結(jié)構(gòu)采用了螺旋線寬邊耦合帶狀線結(jié)構(gòu)(SBCS),，同時(shí)采用獨(dú)特的螺旋交叉堆疊結(jié)構(gòu),，有效減少了巴倫濾波器的體積,。設(shè)計(jì)的巴倫濾波器采用相對介電常數(shù)為9.8的介質(zhì)材料，其尺寸僅為2.0 mm×1.25 mm×0.95 mm,，在1.805 GHz~2.17 GHz范圍內(nèi)回波損耗小于-12 dB,，幅度不平衡度小于±1.2 dB，相位不平衡度小于±10°,，完全能夠滿足當(dāng)今通信設(shè)備小型化的需求,。
中圖分類號： TN402
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.182858
中文引用格式： 柏柯，周浩淼. 一種基于LTCC技術(shù)的新型Marchand巴倫濾波器[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2019,，45(6)：58-60，64.
英文引用格式： Bai Ke,，Zhou Haomiao. A new Marchand balun filter based on LTCC technology[J]. Application of Electronic Technique,，2019,，45(6)：58-60，64.
A new Marchand balun filter based on LTCC technology
Bai Ke,，Zhou Haomiao
Key Laboratory of Electromagnetic Wave Information Technology and Metrology of Zhejiang Province,， College of Information Engineering，China Jiliang University,，Hangzhou 310018,，China
Abstract： In this paper, a miniaturized distributed parameter balun filter based on Marchand balun structure is designed. The balun filter is based on low temperature cofired ceramic(LTCC) technology, the balun filter has maked full use of its multi-layer advantages and reduced the volume of the filter by LTCC multi-layer wiring. The structure of the balun filter adopted the spiral wide-side coupled stripline structure(SBCS), and the unique spiral cross-stacking structure, which effectively reduced the volume of the balun filter. The designed balun filter used dielectric material with relative dielectric constant of 9.8. Its size was only 2.0 mm×1.25 mm×0.95 mm. In the range of 1.805 GHz~2.17 GHz,the return loss was less than -12 dB, the amplitude imbalance was less than ±1.2 dB, and the phase imbalance was less than ±10°. It can completely meet the needs of today′s miniaturization of communication equipment.
Key words : miniaturization；SBCS,；Marchand balun,；distributed parameter

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(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：

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    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：

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其中，Γeven和Γodd分別是對應(yīng)于奇模,、偶模電路中的輸入反射系數(shù),，Γeven是對應(yīng)于偶模電路中的傳輸系數(shù)。當(dāng)Γeven=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

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    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,。

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    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,。

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    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(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)

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