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硕士论文微型l t c c 平衡滤波器的研究 摘要 随着无线通信和个人无线电子终端产品的日益普及，性能优、体积小、成本低及可 靠性高的目标越来越受到人们的关注和追求，尤其是器件微型化成为研究的前沿和热 点。射频无源器件是射频模块中重要的组成部分，由于射频无源器件的固有特性，在系 统中占有的体积较大，而采用平面集成技术缩小的体积远不能满足工程需求；先进的 l t c c ( 低温共烧陶瓷) 技术采用多层立体三维集成技术，使射频无源器件小型化、高 性能、低成本成为可能。微波平衡滤波器在现代无线通信系统中是非常重要的器件。在 许多无线通信应用中，例如无线局域网，蓝牙，w i m a x 以及l n b ( 低噪声下变频器) 等，平衡滤波电路被广泛应用于射频前端模块。本文针对微型l t c c 平衡滤波器进行了 研究。 单独探讨和研究采用l t c c 技术实现微波滤波器和巴伦设计的论文较多，然而二者 集成在一起实现小型化l t c c 平衡滤波器的问题却未得到足够关注，这主要与微波无源 器件集成的复杂性和l t c c 器件的电路高密度特点有关，这也是本项研究面临的巨大的 挑战和难点所在。 本文将平衡滤波器与l t c c 工艺相结合，从滤波器和巴伦设计理论出发，分别探讨 和研究了采用l t c c 技术实现微波巴伦和集总参数滤波器；然后，利用垂直通孔互连工 艺技术将滤波器和巴伦进行互连，并且集成在一个模块中，从而实现微型微波平衡滤波 器。本文成功设计了两种微型l t c c 平衡滤波器，其工作频段分别为： ( 1 ) 1 6 5 g h z - 一 2 1 5g h zl t c c ；( 2 ) o 9 5g h z 一- 1 4 5g h z 。本文在设计中，提出了具有阻抗转换功 能的平衡滤波器设计方法，解决了该器件在系统应用时低通、高通l t c c 滤波器和l t c c 巴伦的阻抗匹配和转换难题( 5 0 0 h m 7 5 0 h m 相互转换) 。该电路模块的尺寸为： 2 0 m m x l 5m m 1 3 8r n n l 。两种微波平衡滤波器的工作带宽分别为：2 6 3 和4 1 7 。据 我们所知，尚未见到在该频段如此小体积的微波宽带平衡滤波器。所设计的器件采用 a n s o f th f s s ( h i g hf r e q u e n c ys t r u c t u r e ss i m u l a t o r ) 全波三维电磁仿真软件进行仿真和 优化设计，仿真设计结果与指标要求相比均优于指标要求，并已交付l t c c 工艺线加工。 本文针对微型平衡滤波器宽频带、小体积和阻抗匹配的难点，对具有阻抗变换功能 的滤波器和宽频带巴伦及总体设计中的问题进行了探索，解决了微型l t c c 阻抗转换匹 配平衡滤波器的设计难点及宽频带巴伦和总体设计的问题；实现了相对带宽为9 1 的新 型多耦合线宽带巴伦和两种具有阻抗变换功能的高通和低通微型平衡滤波器。不仅对平 衡滤波器的小型化l t c c 实现具有很大的参考价值，而且对于其它l t c c 无源器件集成 设计也有着重要的借鉴作用。 摘要 硕士论文 关键词：低温共烧陶瓷( l t c c ) 、平衡滤波器、滤波器、宽带巴伦、阻抗转换、 多耦合线 a b s t r a c t r e c e n t l y ，a sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a n dp e r s o n a lw i r e l e s se l e c t r o n i c p r o d u c t sb e c o m ep o p u l a r ，e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，s m a l ls i z e ，l o wc o s ta n dh i g hr e l i a b i l i t y e l e c t r o n i cp r o d u c t sh a v ea r r a c t e dp e o p l e sa t t e n t i o na n dp u r s u i t r fp a s s i v ec o m p o n e n t sa r e a ni m p o r t a n tp a r to fr ff r o n t e n dm o d u l e s ，a d v a n c e dl t c c ( l o wt e m p e r a t u r ec o f i r e d c e r a m i c ) t e c h n o l o g yu s i n gt h r e e d i m e n s i o n a lm u l t i l a y e ri n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y ，m a k e si t p o s s i b l et o r e a l i z er fp a s s i v ec o m p o n e n t ss m a l ls i z e ，h i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wc o s t m i c r o w a v eb a l a n c ef i l t e ri sav e r yi m p o r t a n td e v i c ei nm o d e mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s i nm a n yc o m m u n i c a t i o na p p l i c a t i o n s ，e g w i r e l e s sl a n ，b l u e t o o t h ，w i m a xa n d l n b ( 1 0 w - n o i s ed o w nc o n v e r t e r ) ，e t c ，b a l a n c e dc i r c u i th a sb e e nw i d e l yu s e di nt h er f f r o n t e n d 1 1 1 i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h er e s e a r c ha b o u tm i c r ob a l a n c ef i l t e r s m i c r o w a v ef i l t e r so rb a l u n si m p l e m e n t e db yl t c ct e c h n o l o g yh a v eb e e nd i s c u s s e d a n dr e s e a r c h e di n d i v i d u a l l yo nm a n yp a p e r s h o w e v e r , t h ep r o b l e mo fi n t e g r a t i n gt h et w o c o m p o n e n t st oa c h i e v em i n i a t u r eb a l a n c ef i l t e rh a sn o tb e e ng i v e na d e q u a t ea t t e n t i o n i ti s m a i n l yb e c a u s e t h ec o m p l i c a t i o no fm i c r o w a v ep a s s i v ed e v i c ei n t e g r a t i o na n dt h eh i g hc i r c u i t d e n s i t y c h a r a c t e r i s t i c so fl t c cc o m p o n e n t s ，w h i c hi st h ee n o r m o u sc h a l l e n g e sa n d d i f f i c u l t i e st h i ss t u d yf a c e d t h es t u d ya n de x p l o r a t i o nu s el t c cp r o c e s st e c h n o l o g yt oa c h i e v eb a l u na n df i l t e r f i r s t l y t h e n , w ei n t e g r a t e l t c cb a l u na n df i l t e ra saw h o l ei nas i n g l em o d u l et oa c h i e v e t h em i c r o w a v em i c r o - b a l a n c ef i l t e rb yt h ev e r t i c a lt h r o u g h h o l ei n t e r c o n n e c tp r o c e s s t e c h n o l o g y c o m b i n gw i t h l t c c p r o c e s sc o n d i t i o n s ，w e h a v e s u c c e s s f u l l yd e s i g n e dt w o m i c r o b a l a n c ef i l t e r s ，w i t ho p e r a t i o nf r e q u e n c y ，( 1 ) 1 6 5 g h z 2 15g h z ，( 2 ) 0 9 5g h z 1 4 5g h z r e s p e c t i v e l y w ep r o p o s e dan e wd e s i g nm e t h o do fb a l a n c ef i l t e rw i t hi m p e d a n c e c o n v e r s i o nf u n c t i o n ( 5 0o h m 7 5o h mc o n v e r s i o n ) t h ec i r c u i tm o d u l es i z ei so n l y2 o m m 1 5m n l 1 3 8m m t h eo p e r a t i n gb a n d w i d t ho ft h et w om i c r o w a v eb a l a n c ef i l t e r sa r e2 6 3 a n d41 7 r e s p e c t i v e l y t oo u rk n o w l e d g e ，w eh a v en o ts e e ns u c has m a l ls i z eo fm i c r o w a v e b r o a d b a n db a l a n c ef i l t e r sa tt h ec o r r e s p o n d i n gb a n d s t h ec o m p o n e n t sh a v eb e e ns i m u l a t e d a n do p t i m i z e db yaf u l l w a v et h r e e d i m e n s i o ns i m u l a t i o ns o f t w a r en a m e dh f s s( h i g h f r e q u e n c ys t r u c t u r e ss i m u l a t o r ) ，p r o v i d e db ya n s o f tc o r p o r a t i o n c o m p a r e dw i t ht h ep r o j e c t r e q u i r e m e n t s ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa r eb e t t e ra n dt h ed e s i g n e dc o m p o n e n t sh a v eb e e n s c h e d u l e dt ob ep r o d u c e d i i i a b s t m c t 硕士论文 c o n s i d e r i n gt h ed i f f i c u l t i e sm i c r o - b a l a n c ef i l t e r sh a v et os o l v e ：b r o a d b a n d ，s m a l ls i z e a n di m p e d a n c ec o n v e r s i o n ，w eh a v ee x p l o r e da n ds o l v e dt h ei s s u e so ff i l t e rw i t ht h e i m p e d a n c et r a n s f o r m a t i o nf u n c t i o n ，t h eb r o a d b a n db a l u na n dt h eo v e r a l ld e s i g no ft h em i c r o b a l a n c ef i l t e r t h i ss t u d ya c h i e y e dan e wm u l t i p l ec o u p l e dl i n e sb r o a d b a n db a l u nw i t hr e l a t i v e b a n d w i d t ho f91 a n dt w oh i g h - p a s sa n dl o w - p a s sm i c r o - - b a l a n c ef i l t e r sw i t hi m p e d a n c e t r a n s f o r m a t i o nf u n c t i o n i ti sn o to n l ym e a n f u lt ol t c cb a l a n c ef i l t e r si m p l e m e n t a t i o n ，b u t a l s ow o r t ht ob eu s e da sar e f e r e n c ei no t h e rr fp a s s i v ec o m p o n e n t si n t e g r a t e dd e s i g n s k e yw o r d ：l o wt e m p e r a t u r ec o f i r e dc e r a m i c ( l t c c ) ，b a l a n c ef i l t e r s ，f i l t e r s ， i m p e d a n c et r a n s f e r ，b r o a d b a n db a l u n ，m u l t i p l ec o u p l e dl i n e s i v 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：叁坐叁茎沙f o 年6 月掳日 硕士论文 微型l t c c 平衡滤波器的研究 1 绪论 随着无线通信技术和单片微波集成电路的快速发展，要求电子产品向小型化，低成 本、高性能、高集成度趋势发展；依据摩尔定律：伦上可容纳的晶体管数目，约每隔1 8 个月便会增加一倍，性能也将提升一倍【l j 。但是有源器件芯片由于受半导体物理极限 制约，不可能一直遵循摩尔定律无限制缩小。无源集成技术随之成为当前电子行业的热 点1 2 j 。无源元件作为射频模块重要的组成部分，占射频系统中基板面积的7 0 8 0 ， 占元件数目的8 0 0 0 - - 9 0 。由传统分立式、表面贴装式逐渐向集成式模块化方向成为无 源元件的发展趋势。l t c c ( 低温共烧陶瓷技术) 是一种多层陶瓷工艺，能够为无源和 有源器件提供三维立体的集成平台，是进一步整合与精简射频电路和系统所广泛采用的 一种封装技术。l t c c 射频前端模块的迅速发展需要新的结构紧凑、性能优异的有源和 无源功能模块。将射频前端模块小型化的一种方法是，把它的无源电路，如：天线、带 通滤波器、巴伦、匹配网络和互连等嵌入到多层衬底中。 平衡滤波器作为射频前端重要的无源功能模块，采用l t c c 多层工艺，集成滤波器 和巴伦的功能，其尺寸远远小于单个片式巴伦和芯片滤波器的尺寸总和。在p c b 上装 配片式平衡滤波器的成本要比装配片式巴伦和片式滤波器的成本和小的多。平衡滤波器 的插入损耗也低于片式巴伦和片式滤波器的连接产生的插入损耗之和。平衡滤波器功能 模块非常适用于无线通信系统中有片式巴伦和片式滤波器串联的场合。因此，微型 l t c c 平衡滤波器开始受到人们越来越多的关注和研究。 1 1l t c c 技术简介3 1 1 4 i 低温共烧陶瓷技术( l o wt e m p e r a t u r ec o f i r e dc e r a m i c ，l t c c ) ，是以陶瓷作为 器件的内外基板材料，利用银、铜、金及其合金等金属作为其内电极和外电极，然后再 将材料和内外电极在9 0 0 。c 左右进行烧结，从而将无源器件制作成为整合式陶瓷组件。 l t c c 工艺有混料、流延、打孔、通孔填充、丝网印刷、叠片热压、切片、排胶凝结等 主要工序，工艺流程见图1 1 所示。 图1 1l t c c 主要的工艺流程 l 绪论硕士论文 l t c c 技术与传统的封装集成技术比较具有如下优点： ( 1 ) 具有高介电常数、高q 值、小体积、低损耗特性，使用频率可高达1 0 0g h z ； ( 2 ) 导体材料选择电导率较高的金属材料，能够有助于提高电路系统的品质因子； ( 3 ) 射频性能好，具有高频和高速传输特性； ( 4 ) 可适应大电流及高温，热传导性好于p c b 电路； ( 5 ) 温度特性较好，热膨胀系数和介电常数温度系数都较小； ( 6 ) 高密度互联，易于实现更多布线层数，提高电路的组装密度； ( 7 ) 能在高温、高湿、冲振等恶劣环境下保持高可靠性。 ( 8 ) 生产工艺具有非连续性，在检测每一层布线和互连通孔的质量之后进行基板 烧成。这样不仅能提高成品率，而且大大缩短了生产周期，从而实现降低成本的目的。 ( 9 ) 能够与薄膜多层技术实现兼容，易于有源无源集成，可实现高组装密度和高 性能的混合多层基板和多芯片组件。 l t c c 技术由于自身具有的独特优点受到广泛应用，成为无源器件集成的主流技 术，为多层射频元器件向小型化、高性能、低成本方向发展提供了强大的工艺技术支撑。 l t c c 技术在射频微波无线通信领域的应用主要包括以下几个方面： ( 1 ) l t c c 基本元件：如l t c c 电感、电阻、电容等，既可作为单独的器件使用在 不同的场合，也可以作为l t c c 技术实现电路的基本元件。 ( 2 ) l t c c 功能器件：如无线通信领域中广泛使用的各种l t c c 微波滤波器、定向 耦合器、平衡不平衡转换器( b a l u n ) 、片式天线、双工器等。 ( 3 ) l t c c 模块：利用l t c c 技术的特点将有源，无源元器件集成制成各具功能的 独立模块，如蓝牙模块、手机前端模块、天线开关模块、功放模块、图像识别模块等。 ( 4 ) l t c c 封装基板：如蓝牙模块基板、手机模块基板等。 1 2 平衡滤波器概述 1 2 1 国内外研究现状 目前利用l t c c 工艺开发射频无源器件的研究和设计还处在不断地发展之中，而且 将向集成模块方向不断发展。日本的村田、京瓷、双信电机，德国西门子，台湾的a c x 、 华新科技、国巨等都相继开发出不同频带的小型化l t c c 平衡带通滤波器，并已进行批 量生产和销售。实现l t c c 无源集成技术的关键主要有：材料技术、设计技术、工艺技 术。目前国内l t c c 工艺发展迅速，但是工艺条件、材料技术和电路设计能力比国外落 后很多，只能制作相对简单的单个分立无源器件，如滤波器、巴伦、功分器、定向耦合 器等，对于多个无源器件模块的集成还存在一定的电路设计和生产加工困难。现阶段的 关键技术在于设计层面。因此，本课题着眼于小型化l t c c 平衡滤波器功能模块的设计， 2 硕士论文 微型l t c c 平衡滤波器的研究 以期通过自主研究打破国外企业在此方面的技术垄断，为l t c c 产业的国产化作出一定 贡献。 平衡滤波器可大致分为三种：低通平衡滤波器，带通平衡滤器，高通平衡滤波器。 分类依据是平衡滤波器实现的滤波功能。分别形成带有低通滤波、带通滤波、高通滤波 功能的不平衡一平衡转换电路。国外文献报告的大多都是关于平衡带通滤波器的研制信 息，且适用频带较窄，还只是局限在蓝牙和无线局域网应用上。目前国外相关企业开始 拓展平衡滤波器的应用范围，日本的双信电机正在开展应用于低噪声下变频器( l n b ) 的小型化宽带平衡滤波器的研究。为此我们紧跟设计趋势，结合浙江正原电气的l t c c 片式多层微波陶瓷微型频率器件规模化生产线，自主研发了两款用于l n b 的平衡滤波 器，分别用平衡低通滤波器，通带为0 9 5 g h z i 4 5 g h z 和平衡高通滤波器，通带为 1 6 5 g h z 2 1 5 g h z 来实现。尺寸规格为2 0 m m x l 5 m m x l 3 8 m m ，l l - - 者离散式设计尺 寸之和要小得多，且在较宽的频带内性能指标也比较好，同时能完成阻抗匹配，不平衡 输入为5 0o h m ，平衡输出为7 5o h m ，使之能与射频芯片有效匹配，为射频系统实现集 成化、模块化、低功耗、高可靠性提供了有效的技术支撑。 关于l t c c 平衡滤波器的实现方法总结如下： 1 集总参数巴伦+ 集总参数滤波器【5 】 这种平衡滤波器主要由集总参数巴伦和带通滤波器相连接而成，其等效电路如下： 其结构中集总参数元件数目比较多，需要分别设计集总l c 滤波器和集总巴伦结构。该 结构拟合任务复杂，元件数目较多占用体积较大，而且各个元件之间存在较多耦合和寄 生参数影响，插入损耗相对较大。 l l i p 1i i l l i l 蹬伦 飞+ 1 - - - _ _ l t i li1 图1 2 1 平衡滤波器实现方式一：集总参数巴伦+ 集总参数滤波器等效电路 2 单一元件实现法，具有滤波功能的巴伦 6 1 下面平衡滤波器等效电路不再是将分立的巴伦和滤波器级联在一起，而是一个单一 元件，体现的性能是兼有滤波和巴伦电路的功能。适用于较窄的工作带宽，相位平衡性 3 1 绪论 硕士论文 和幅值平衡性较好，带外引入零点，具有较好的带外抑制。 p 1 叫 产1 图1 2 2 平衡滤波器实现方式二：具有滤波功能的巴伦等效电路 3 分布参数巴伦+ 分布参数梳状线带通滤波器 通常由分布式梳状线滤波器和分布式耦合线巴伦级联组成。分布式带通滤波器容易 实现，成本较低。但是低频段占用的体积较大，集成度不高，使得形成的平衡滤波器尺 寸较大，且插入损耗较大。 ii - lii i i l ，r c ， = 图1 2 3 平衡滤波器实现方式三：分布式巴伦+ 分布式滤波器等效电路 4 、分布参数巴伦+ 集总参数滤波器 它们通常是由集总参数滤波器和m a r e h a n d 巴伦级联集成在一起而成。这种设计比 较灵活，可以任意搭建低通、高通、带通滤波器来级联巴伦，形成具有不同滤波特性的 平衡滤波器。可以较好的实现阻抗匹配和转换，兼有m a r c h a n d 巴伦良好的宽带和平衡 输出性能和滤波器的滤波和高阻带抑制特性。 4 硕士论文微型l t c c 平衡滤波器的研究 图1 2 4 平衡滤波器实现方式四：分布参数巴伦+ 集总参数滤波器等效电路 1 2 2 平衡滤波器简介 本文研究的平衡滤波器为实现宽频带和较好的平衡输出特性，采用1 2 1 节中的方 法4 集总参数滤波器和分布式巴伦级联在一个l t c c 模块内的设计实现。下面分别简单 介绍构成平衡滤波器的两个元件，滤波器和巴伦： 微波滤波器是一个典型的二端口网络，它通过在滤波器通带频率范围内提供信号传 输并在阻带频率范围内提供衰减的特性，用以控制微波系统中某处的频率响应。采用 l t c c 技术实现的片式多层滤波器是在陶瓷基体上集成基本元件( 电感l 、电容c 、电 阻r ) ，然后低温烧制而成。将滤波器基本元件多层结构立体布局，制作成三维模块， 使滤波器的设计易于实现小体积和批量生产，大大降低成本和缩短生产周期，因而被广 泛用于手机、基站、蓝牙模块( b l u e t o o t h ) 、g p s 、无绳电话、w l a n 等领域。 b a l u n ( b a l a n c e u n b a l a n c e ) ，是平衡一不平衡变换器的简称，英文音译为巴伦。通常 用于射频( r f ) 电路中的差分电路结构( 如图1 2 5 ) 。它是一种从单端不平衡电路到双 端平衡电路的信号转换装置，实质是把一个单端不平衡输入信号分为两个等幅反向的平 衡输出信号。一方面可以起到阻抗变换的作用，另一方面两个输出有1 8 0 度的相位差， 即等效为一个具有输出反向功能的功分器。巴伦作为天线的馈电网络和相移器、平衡放 大器、相位检波器、平衡混频器等微波技术的关键器件之一，应用非常广泛。在较低的 频段上，它可以用带有中心抽头的变压器来实现。但是到了微波频段中，巴伦通常采用 微带线或者带状线来设计实现。巴伦可以分为有源和无源两种，但有源电路会有功耗和 噪声，所以，研究、设计并应用结构紧密、尺寸小、集成度高的无源巴伦成为当前的迫 切需要。在实际应用中，各种不同的巴伦结构己经被提出了，例如有源巴伦、集总元件 巴伦、环形巴伦、微带巴伦、l t c c 巴伦。其中l t c c 巴伦的尺寸最小，而且可靠性最 高【7 1 。 本课题研究的平衡滤波器，内部集成了滤波器和平衡不平衡变换器( b a l u n ) 和阻 5 l 绪论硕士论文 抗匹配网络，如图1 2 5 所示，是将图中虚线框内的滤波器和巴伦、阻抗匹配电路集成 在一个l t c c 模块中的设计。能够最大限度地利用滤波器和巴伦各自的真正性能，同时 实现阻抗匹配功能。无需在电路板上使用分立元件，从而减少电路板占用面积和减少数 量，降低总成本。因此，这种产品被认为能够帮助缩小多种无线通信数据设备的尺寸和 提高集成度，为现代无线通信系统的应用提供更有效的技术保障。这种新的滤波器是双 平衡混频器、推挽放大器和天线与r f 前端之间匹配的重要元件，在快速增长的卫星数 字接收机系统，w i m a x ( i e e e 8 0 2 1 6 1 和蓝牙市场，以及在全球快速扩大的无线局域网 ( i e e e 8 0 2 1l b ) 市场上，具有极大的潜力。 a n t e n n a 图1 2 5 典型的具有平衡信号的射频前端模块框图 1 3 论文主要内容及安排 本文所研究的平衡滤波器模块是由巴伦、滤波器垂直互联组成。电路拓扑利用a d s ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) 软件的优化技术，并用a n s o f l 公司的h f s s 软件进行三维 实现，完成了两种l t c c 小型化平衡滤波器的设计。 主要分为以下几个部分内容： 第一部分简要介绍了l t c c 技术、工艺流程及其优势和应用；并且对平衡滤波器研 究现状和研究方法进行了概述，对论文内容做了一个整体安排； 第二部分首先简单介绍了平衡滤波器的设计流程，依据流程首先介绍巴伦的基础理 论，并且简述宽带巴伦设计的基本思想，设计了m a r c h a n d 巴伦和宽带巴伦两种结构。 值得一提的是其中的宽带巴伦，其设计结构具有创新性，其微型宽带特性领先同类设计。 第三部分从滤波器基础理论入手，简述l t c c 集总元件的三维实现，并讨论和设计 了具有阻抗转换功能的高通阻抗匹配和低通阻抗匹配滤波器。 第四部分为本文的重点设计部分，首先介绍l t c c 设计小型化的方法：垂直放置和 多芯片组件中通孔的互联技术。然后讨论并设计了两种结构的巴伦与高通滤波器垂直互 6 硕上论文 微型l t c c 平衡滤波器的研究 连组成的高通平衡滤波器。接着讨论并仿真实现低通平衡滤波器。 第五部分对本文进行了总结。总结本论文的主要研究成果，就研究过程中出现的问 题进行了分析，并且对后续工作进行了简单介绍。 7 2 巴伦基本理论和设计硕一1 ：论文 2 巴伦基本理论和设计 平衡滤波器由巴伦和滤波器级联组合而成。要设计好一个平衡滤波器，首先要设计 构成该平衡滤波器的巴伦和滤波器，然后再解决好平衡滤波器中这两个元器件之间的互 连问题。平衡滤波器理论分析也就包括巴伦设计理论和滤波器设计理论两部分。所以， 我们采取先分后总的方式，先分别对巴伦和滤波器进行研究和设计，为总的设计奠定理 论和设计基础，最后进行平衡滤波器的综合仿真设计。 平衡滤波器的设计流程如图2 1 所示： 乎衡滤波器指标分析和 模块划分 分解得到巴伦和滤波器 的指标和进行 小型化方案设计 巴伦和滤波器的设计和 仿真( a d s j f i ：i h f s s ) 平衡滤波器等效模型和 三维设计仿真 ( h f s s ) 图2 1 平衡滤波器设计流程图 本章对巴伦基本理论进行阐述，并且给出了两款巴伦实现方案。滤波器的相关理论 和设计将在第三章介绍。 2 1 巴伦基本理论 2 1 1 常见巴伦种类 在无线系统中，差分信号因其良好的噪声免疫和改进信噪比的能力，被广泛应用于 传输和接收部分。巴伦用来将单端信号转换为差分信号，同时提供阻抗匹配的作用。巴 伦的形式有多种，主要有同轴型、微带型、共面波导型等。微波集成电路中的无源元件 巴伦大多采用微带线构成。和其他结构相比，微带线可近似为准t e m 波传输，分析比 较简单方便，而且封装尺寸较小。在现代通信技术同益小型化的趋势下，微带巴伦是应 用最广泛的一种结构。微带巴伦中，最常见的是下面前四种结构【8 】【9 】，第五种结构为改 进型的m a r c h a n d 巴伦【l o j 。 8 硕士论文微型l t c c 甲衡滤波器的研究 ( 1 ) 集总参数形式巴伦 集总参数巴伦的结构示意图如图2 1 1 所示。原理是利用集总元件( 1 u m p e de l e m e n t ) 的电容电感去组合成低通和高通滤波器，进而组合而成平衡不平衡转换器。它优点是 能让面积缩小，并且体积小、重量轻；但是工作带宽很窄，不容易达到1 8 0 。的相移和 相等的输出幅值，且需要大量的集总元件不容易制作。 巴伦 p 2 图2 1 1 集总参数巴伦结构示意图 ( 2 ) 1 8 0 。混合环巴伦 1 8 0 。混合环巴伦的结构比较简单，在微波频段，1 8 0 。混合环b a l u n 有相当好的频率 响应，但是过大的尺寸不利于集成，限制它应用于射频频段而且适用频带较窄。下面是 其示意图。 粤 图2 1 21 8 0 。混合环巴伦的结构 ( 3 ) 三线巴伦 三线巴伦只需要采用三条四分之一波长耦合线实现，与m a r c h a n d 巴伦四条耦合线 相比结构精简，应用在微波集成电路中。 9 2 巴伦基奉理论和设计 硕士论文 z 掰 三线巴伦的s 散射矩阵为： 图2 1 3 三线巴伦的结构 s 】s = o 老芳 上三三 压22 i 三三 正2 2 ( 2 1 1 ) ( 4 ) m a r c h a n d 巴伦 m a r c h a n db a l u n ，由于有较好的输出等幅值和输出1 8 0 0 相移，制作容易而且能实现 宽频特性，所以被广泛的应用于微波和毫米波电路中。最早是1 9 4 4 年由n m a r c h a n d 【l i j 所提出。m a r c h a n db a l u n 为三端口器件，一个不平衡输入端和两个平衡输出端，电路结 构主要由两段四分之一波长的耦合线组成。能量从不平衡端口输入，两段四分之一波长 短路线从半波长开路线上耦合得到能量，从而在两个平衡输出端口得到幅值相同、相位 相差1 8 0 。的输出能量。该结构的不足之处是在低频段耦合线较长会占用较大的面积。其 电路结构如图2 1 4 所示。 九2 不平衡端口。 二二二二二二二 二二二 平衡端口 图2 1 4m a r c h a n d 巴伦等效电路 ( 5 ) 改进型m a r c h a n d 巴伦 改进型m a r c h a n d 巴伦，与m a r c h a n d 巴伦一样也包括两个对称的四分之一波长耦合 线。第一个耦合线的直通端与第二个耦合线的耦合端和隔离端接地。第一个耦合线的隔 l o 硕士论文微型l t c c 平衡滤波器的研究 离端和第二个耦合线的直通端作为巴伦的两个平衡输出端。第一个耦合线的耦合端和第 二个耦合线的输入端直接相连。其原理与m a r c h a n d 巴伦的类似，只是端口连接上不同。 改进后的优点是通带比m a r c h a n d 巴伦更宽，驻波性能更好，插入损耗降低，相位、幅 值平衡性也更好。 平衡端口 不平衡端口 平衡端口 图2 1 5 改进型m a r c h a n d 巴伦等效电路 2 1 2 巴伦的电路参数分析0 1 2 1 1 1 3 i 巴伦是典型的三端口网络，其中一个端口为不平衡输入( 或输出) 端口，另外两个 端口是平衡输出( 或输入) 端口，如图2 1 6 所示。 端口1 一f 2 厶 1 l 圪 r 巴伦 k 1 3 1 圪 端口2 + l 端口3 l 图2 1 6 巴伦一股性结构不葸图 上图三端口网络的电流、电压关系，可以用y 参数表示： f 厶= 巧。k + 巧：+ ，k 厶= e l k + e 2 k + e 3 巧 ( 2 1 2 ) 【厶= e 。k + e ：砭+ e ，巧 其导纳矩阵为： 2 巴伦基本理论和设计 硕士论文 y 】：l 菱：乏：k r , 2 ，i 。2 3 ， l - k 。 e ： 匕，_ j 巴伦是互易网络，所以有巧= 匕；即i ：= 艺。，巧，= e 。，以及e ，= e ：此时 y 】导 m 韪篓 泣， j 砭一k( 2 - 1 5 ) 【i s = 一1 3 j k 2 一x 3( 2 1 6 ) 设不平衡端口1 的输入导纳为x ( 或阻抗为z 。) 平衡端口2 和端口3 的输出导纳 x = ，一惫 c 2 j - ， 巴伦工作频段可以由五+ 厂( 中心频率加带宽) 形式给出，或者由两边频f o 。和厶。 常用的主要有三种表示方法：i 、绝对带宽： 乞一厶 i i i 、边带比：丘厶 1 2 硕上论文微型l t c c 甲衡滤波器的研究 ( 4 ) 插入损耗( 传输系数) 两个平衡输出端口的电压与不平衡端口的电压驻波比$ 2 1 ，$ 3 1 ，插入损耗皿的计 算公式为： 儿=一。gcls-212+is312)-lolog(坐翌舌譬主产i爹兰茅鬻)c2js， 公式的首项是由幅度衰减的损耗决定，第二项主要是由相位不平衡性损耗决定。当 相位不平衡性非常小的时候，可以忽略掉，插入损耗公式可以简化为： l - 1 0 1 0 9 ( 1 s 1 2 2 + 1 s 1 3 1 2 ) ( 2 1 9 ) 常用下面这个插入损耗公式来计算： l ：一1 0 l o g 1 0 s + 1 0 s 】 ( 2 1 1 0 ) ( 5 ) a m p l i t i t u d ei m b a l a n c e 幅度不平衡性 觚p l i t u d ei 舶批c e = 2 0 1 0 9 ( 川s 12 ) ( 6 ) p h a s ei m b a l a n c e 相位不平衡性 p l 瑚ei m b a l a l l c f18 0 。一i t a n 一i m ( s 12 s 13 ) i ir e ( s 1 2 s 1 3 ) l 2 1 4m a r c h a n d 巴伦电路分析 m a r c h a n d 巴伦由同轴线巴伦演化而来，其工作原理如图2 1 7 所示， a 和移相器b 的结合。移相器a 、b 由四分之一波长的耦合传输线构成， 9 0 0 ，输出幅度相等1 2 1 。 ( 2 1 1 1 ) ( 2 1 1 2 ) 被看作移相器 分别移相正负 2 巴伦基奉理论和设计硕1 ：论文 不平衡端口。 二二二二二二二 三 二二二 移卡目器a s 2 1 丰目位 移丰目器b s 3 1 丰日位 移相器a + 移相器b s 2 1 $ 1 i h , - = r - s 3 1 奉目位= 18 0 图2 1 7m a r c h a n d 巴伦工作原理 m a r c h a n d 巴伦是由两组四分之一波长耦合器所组成。对于对称的巴伦而言，巴伦 的散射矩阵可以由这两个相同的耦合器的散射矩阵得到。我们首先考虑源和负载阻抗相 等都为z 0 时的情况。图2 1 8 所示为理想四分之一波长耦合器。 砖= 1 ) , g 4c = 爿 l p 2 ，a h o u e j a p 3 ，c o u p l e d + 一卜_ p 4 ，i s o l a t e d 1 4 图2 1 8 理想四分之一波长耦合器 理想四分之波长的耦合器的s 参数分析如下，c 表示两段耦合线之间的耦合系数： 吲础= o c 一 瓦刁 o c o o j i - c 2 。 一 瓦i o o c 0 一j 圻- c 2 。 c 0 从耦合器的s 矩阵得到终端负载相同的m a r c h a n d 巴伦的s 矩阵如下【1 5 】： ( 2 1 1 3 ) 硕士论文 微型l t c c 平衡滤波器的研究 s 】= 1 3 c 2 1 + c 2 2 c 4 1 一c 2 ，再虿一 2 c 1 一c 2 一j 丽 2 c 厨 j 再孕一 1 一c 2 再了 2 c 2 i 。+ 。c 。2 2 c f 万 一，再孕 2 c 2 1 + c 2 1 一c 2 1 + c 2 ( 2 1 1 4 ) 当巴伦的终端负载从z o 转变为z 1 时，巴伦的s 矩阵 s 铷，相应变为 s 】乙： 阿= m 。1 ( 吲一一 r 】+ ) ( 叫_ 【1 1 】【s 】) 一1 盯 ( 2 1 1 5 ) 其中 1 】为单位矩阵，【r 】，【彳】分别如下： 【r 】= oo o 玺盗 z l + z o oo 0 0 z 1 一z o z l + z o 【a _ oo o2 z i - z o z l + z 0 o0 代入式( 2 1 1 5 ) ，此时巴伦的s 参数矩阵【s 】姚为： 【s 】b a l u m = - j 叫荨+ ， 2 c 互 - j 0 o 1z l z o 二一 z l + z o 1 一c 2 ( 2 1 1 6 ) ( 2 1 1 7 ) 式( 2 1 1 7 ) 显示，由相同的耦合器构成的巴伦，不计耦合系数和端口，输出端具 有相同的幅度和相反的相位。为了实现到每个端口一3 d b 的功率转换，即通过代入前提条 件i & 捌i = b , 3 1 i = 万1 ，能够得到耦合系数c ： v z c = ( 2 1 1 8 ) 当z 。= z o 即所有的端口具有相同的阻抗时，此时耦合系数c = - 4 8d b 。巴伦的s 矩 1 5 俨一堡乞生睁压一叫 c 一 + 蛹礓 2 巴伦基本理论和设计硕士论文 阵化简为： 吲一= ( 2 1 1 9 ) 因为每一行的所有元素绝对值的平方和等于l ，当信号从不平衡端口1 输入的时候， 能够均匀的分配到平衡端口2 和平衡端口3 ，且具有1 8 0 度的相位差异，不会有信号反 射回端口1 。这是该无耗巴伦能够达到的最好性能的s 矩阵。此时巴伦具有3 d b 的传输 系数和相反的相位。因为巴伦是三端口网络，不能同时实现三个端口的匹配，这是不平 衡输入端口匹配的情况。若想两个平衡输出端口也匹配，需要在平衡输出端口间加补偿 电阻性网络，原理类似于功分器的两输出端口加吸收电阻，以实现全匹配巴伦【1 6 】【。 2 2 巴伦的设计与实现 依据平衡滤波器指标分析和模块划分，分解得到巴伦的设计指标。本节要设计外形 尺寸为2 0 m m x l 5 m i n x l o m m 的两个小型无源巴伦，其具体的指标如表2 1 所示： 由表中巴伦的指标可以看出，这两种巴伦相对带宽较宽，分别为2 6 3 和9 1 ，需 要选用具有良好宽频和平衡输出特性的m a r c h a n d 巴伦，因此，设计主要基于m a r c h a n d 巴 伦和改进型m a r