2.4ghz微带线巴伦设计与研究【字数：9774】
在当代通信系统所使用的微波天线中，有些天线结构比如偶极子天线是平衡结构，不能直接由同轴线馈电（同轴结构是不平衡结构），所以这就需要通过巴伦来馈电。巴伦所起到的作用就是将一路输入信号转换为输出为两路相位相差180度的信号，同时可实现阻抗变换。此外，随着当今科技的迅猛发展，这其中包括我们所熟知的5G通信技术等,通信通讯的需求不断增长。这也就相应地要求天线工作在更宽的频带内。巴伦也不例外地需要具备更宽的工作带宽。本设计主要是基于微带平面巴伦的应用研究，利用仿真软件HFSS对巴伦结构进行优化，设计出可工作在2.4 GHz频段的微带平面巴伦。仿真结果显示回波损耗S11达到了-30dB，插入损耗S12(S13)为3.5dB（3.1dB），输出相位差为181°左右。本文主要包括以下四个部分首先，对微带巴伦的研究背景意义以及研究现状展开介绍，并给出本文研究计划，为本文设计奠定基出；其次，对巴伦设计中所需参考的基本参数进行介绍，同时给出本设计所用仿真软件HFSS的介绍，为本章设计提供理论和仿真支撑；随后，在基本参数的分析基础上，提出一款工作在2.4 GHz的微带巴伦，相关参数优化确保了巴伦具备优异的工作性能。
目 录
第1章 绪论 1
1.1 研究的背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3本文的结构安排 4
第2章 巴伦基本理论分析 5
2.1巴伦的性能参数 5
2.1.1 巴伦输入阻抗 5
2.1.2 反射系数与传输系数 5
2.1.3 工作带宽 7
2.2 HFSS仿真软件介绍 8
2.3本章小结 9
第3章 2.4 GHz微带平面巴伦设计 10
3.1 平面巴伦结构以及基本理论分析 10
3.2 参数优化及最终优化结果 18
3.3本章小结 22
第4章 总结与展望 23
参考文献 24
致谢 25
第1章 绪论
1.1 研究的背景及意义
随着时间的向前推进，无线通信系统以及其中的微波集成电路技术也在不断发展，并取得了很大的突破。因此关于微波通信的应用也在快速发展， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
这对其中的设备也提出了更高的性能要求，包括更小的体积、更低的损耗、更低的制作成本等[1]。这对生产以及研究射频前端器件的的人员和制造商而言，机遇与挑战是并存的[2]。本文所设计的巴伦就是在收发系统中扮演非常重要角色的器件，应用范围也是非常的广泛，包括我们日常生活中经常可以接触导的移动电话、无线局域网卡等。
在当代通信系统所使用的微波天线中，有些天线结构比如偶极子天线是平衡结构，不能直接由同轴线馈电（同轴结构是不平衡结构），因为平衡结构和不平衡结构的特性是不一样的，所以这就需要通过巴伦来馈电。除了平衡转不平衡之外，巴伦还可以起到阻抗变换的作用，因此在很多微波系统中具备很大的作用，包括平衡天线馈电、推挽放大器等结构与系统中[3]。由上述介绍可知，巴伦可以实现一路信号至两路信号的转换。单路信号就是指的只有一个输入端口的电路，通常包括阻抗变换器等电路，相应的他们就是传输的不平衡信号；两路信号就是具备两个输入端口的电路，典型的电路就是上文提到的偶极子天线等，他们传输的就是平衡信号。在涉及到实际工程应用时，双端口的器件就是要求有平衡的输入以及平衡的输出，从而降低整个器件的噪声，提升器件工作的稳定性，而且通常情况下，巴伦所应用的场景是两路信号幅度相等、并且相位相反的情况。换句话说，巴伦所扮演的角色就是实现平衡信号与不平衡信号的转换，平衡电路和不平衡电路的转换[10]。巴伦不仅可以应用于天线和微波器件中平衡与不平衡性的转换，还具备阻抗转换的作用，从而达到阻抗匹配的目的[4]。
Ansoft HFSS 是天线领域广泛使用的进行三维结构电磁场仿真的软件，可以应用于多仿真领域，包括天线、雷达器件、微波器件等。
本设计主要是基于平面微带巴伦的应用研究，利用仿真软件HFSS对巴伦进行优化，设计出可工作在2.4 GHz的微带平面巴伦。
1.2 国内外研究现状
本章上一节中给出了巴伦的研究背景与意义，说明了巴伦可以广泛应用在在天线与微波器件、电路系统中。正是由于其广泛的应用场景，巴伦的类型也比较多。其中我们比较常接触到的巴伦包括低温共烧陶瓷巴伦[11]、微带巴伦[12]等。而在这其中，微带巴伦由于低成本、低设计复杂度的特性受到了广泛青睐。
除了上述优势以外，微带巴伦还具备易于集成于微波电路的特性，更是得到了广泛的发展和研究。除了上述分类方式外，根据天线馈电的平衡表征特性，我们可以将同轴线巴伦分为以下四种：对称式、扼流式、反相式以及磁耦合式巴伦[13]。此外，随着巴伦结构的不断发展，对于巴伦的研究更加具备统一的标准和系统。并且，考虑到通信系统中（例如时下盛行的5G技术）对速度与容量的逐渐增加，天线以及微波元件都被要求具备更宽的带宽。巴伦也不例外，需要具备更宽的带宽以及更优异的性能指标。由现有参考文献可知，同轴线巴伦并不具备宽带特性，而且不具备良好的集成性[5]。微带巴伦是由微带传输线印刷而成，具备良好的宽带特性，并且由于其低质量以及平面化特性，受到了研究学者的青睐[14]。由于微带巴伦的优异特性，众多学者发表了很多关于微带巴伦的论文，这其中包括三种最为典型的结构：威尔金森功率分配器巴伦、Marchand巴伦[15]以及非平衡传输线平衡传输线巴伦。
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图1.1 文献[6]中提出的巴伦结构
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图1.2 文献[6]中巴伦结构输出端口相位差特性
文献[6]中研究了一种工作在4 GHz频率下的微带巴伦结构，然后他的形状比较特别，是正方形的。传统的巴伦结构是4端口的对称结构（有一端口可以理解为开路），如图1.1所示，他在此基础上研究并设计了一种工作在4 GHz的矩形微带巴伦。然后利用HFSS仿真软件进行建模并仿真分析，最后加工成实物。测试发现：在3.7 GHz到5 GHz范围内|S21|，|S31|的相位差在180°左右，如图1.2所示。这种巴伦，结构简单，设计成本也很低，可以应用在无线局域网等领域中。
文献[7]提出了一种基于非对称耦合线（一端开路的对称耦合）的平面微带巴伦，它的优点是结构非常紧凑、源复负载阻抗变换复杂，此巴伦由三对耦合线和两个抽头传输线残端构架而成，实物与设计图如图1.3所示。基于传统的偶数模技术和ABCD参数，得到了电路电气各项参数的数据。为了验证他们的的设计理论，设计、仿真和测量了一种实用的微带巴伦。利用HFSS模拟建模软件与阻抗计算软件TXline，最后加工成实物，得到在3 GHz工作频率下，回波损耗大于25db，插入损耗S21，S31分别为3.15db，3.29db，输出相位差在180°左右。模拟结果与实际测量得到的结果基本一致，验证了设计的理论是正确的，结果如图1.4。
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图1.3 文献[7]中提出巴伦结构实物与仿真图
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图1.4 文献[7]中提出巴伦结构仿真与实测结果
目 录
第1章 绪论 1
1.1 研究的背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3本文的结构安排 4
第2章 巴伦基本理论分析 5
2.1巴伦的性能参数 5
2.1.1 巴伦输入阻抗 5
2.1.2 反射系数与传输系数 5
2.1.3 工作带宽 7
2.2 HFSS仿真软件介绍 8
2.3本章小结 9
第3章 2.4 GHz微带平面巴伦设计 10
3.1 平面巴伦结构以及基本理论分析 10
3.2 参数优化及最终优化结果 18
3.3本章小结 22
第4章 总结与展望 23
参考文献 24
致谢 25
第1章 绪论
1.1 研究的背景及意义
随着时间的向前推进，无线通信系统以及其中的微波集成电路技术也在不断发展，并取得了很大的突破。因此关于微波通信的应用也在快速发展， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
这对其中的设备也提出了更高的性能要求，包括更小的体积、更低的损耗、更低的制作成本等[1]。这对生产以及研究射频前端器件的的人员和制造商而言，机遇与挑战是并存的[2]。本文所设计的巴伦就是在收发系统中扮演非常重要角色的器件，应用范围也是非常的广泛，包括我们日常生活中经常可以接触导的移动电话、无线局域网卡等。
在当代通信系统所使用的微波天线中，有些天线结构比如偶极子天线是平衡结构，不能直接由同轴线馈电（同轴结构是不平衡结构），因为平衡结构和不平衡结构的特性是不一样的，所以这就需要通过巴伦来馈电。除了平衡转不平衡之外，巴伦还可以起到阻抗变换的作用，因此在很多微波系统中具备很大的作用，包括平衡天线馈电、推挽放大器等结构与系统中[3]。由上述介绍可知，巴伦可以实现一路信号至两路信号的转换。单路信号就是指的只有一个输入端口的电路，通常包括阻抗变换器等电路，相应的他们就是传输的不平衡信号；两路信号就是具备两个输入端口的电路，典型的电路就是上文提到的偶极子天线等，他们传输的就是平衡信号。在涉及到实际工程应用时，双端口的器件就是要求有平衡的输入以及平衡的输出，从而降低整个器件的噪声，提升器件工作的稳定性，而且通常情况下，巴伦所应用的场景是两路信号幅度相等、并且相位相反的情况。换句话说，巴伦所扮演的角色就是实现平衡信号与不平衡信号的转换，平衡电路和不平衡电路的转换[10]。巴伦不仅可以应用于天线和微波器件中平衡与不平衡性的转换，还具备阻抗转换的作用，从而达到阻抗匹配的目的[4]。
Ansoft HFSS 是天线领域广泛使用的进行三维结构电磁场仿真的软件，可以应用于多仿真领域，包括天线、雷达器件、微波器件等。
本设计主要是基于平面微带巴伦的应用研究，利用仿真软件HFSS对巴伦进行优化，设计出可工作在2.4 GHz的微带平面巴伦。
1.2 国内外研究现状
本章上一节中给出了巴伦的研究背景与意义，说明了巴伦可以广泛应用在在天线与微波器件、电路系统中。正是由于其广泛的应用场景，巴伦的类型也比较多。其中我们比较常接触到的巴伦包括低温共烧陶瓷巴伦[11]、微带巴伦[12]等。而在这其中，微带巴伦由于低成本、低设计复杂度的特性受到了广泛青睐。
除了上述优势以外，微带巴伦还具备易于集成于微波电路的特性，更是得到了广泛的发展和研究。除了上述分类方式外，根据天线馈电的平衡表征特性，我们可以将同轴线巴伦分为以下四种：对称式、扼流式、反相式以及磁耦合式巴伦[13]。此外，随着巴伦结构的不断发展，对于巴伦的研究更加具备统一的标准和系统。并且，考虑到通信系统中（例如时下盛行的5G技术）对速度与容量的逐渐增加，天线以及微波元件都被要求具备更宽的带宽。巴伦也不例外，需要具备更宽的带宽以及更优异的性能指标。由现有参考文献可知，同轴线巴伦并不具备宽带特性，而且不具备良好的集成性[5]。微带巴伦是由微带传输线印刷而成，具备良好的宽带特性，并且由于其低质量以及平面化特性，受到了研究学者的青睐[14]。由于微带巴伦的优异特性，众多学者发表了很多关于微带巴伦的论文，这其中包括三种最为典型的结构：威尔金森功率分配器巴伦、Marchand巴伦[15]以及非平衡传输线平衡传输线巴伦。
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图1.1 文献[6]中提出的巴伦结构
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图1.2 文献[6]中巴伦结构输出端口相位差特性
文献[6]中研究了一种工作在4 GHz频率下的微带巴伦结构，然后他的形状比较特别，是正方形的。传统的巴伦结构是4端口的对称结构（有一端口可以理解为开路），如图1.1所示，他在此基础上研究并设计了一种工作在4 GHz的矩形微带巴伦。然后利用HFSS仿真软件进行建模并仿真分析，最后加工成实物。测试发现：在3.7 GHz到5 GHz范围内|S21|，|S31|的相位差在180°左右，如图1.2所示。这种巴伦，结构简单，设计成本也很低，可以应用在无线局域网等领域中。
文献[7]提出了一种基于非对称耦合线（一端开路的对称耦合）的平面微带巴伦，它的优点是结构非常紧凑、源复负载阻抗变换复杂，此巴伦由三对耦合线和两个抽头传输线残端构架而成，实物与设计图如图1.3所示。基于传统的偶数模技术和ABCD参数，得到了电路电气各项参数的数据。为了验证他们的的设计理论，设计、仿真和测量了一种实用的微带巴伦。利用HFSS模拟建模软件与阻抗计算软件TXline，最后加工成实物，得到在3 GHz工作频率下，回波损耗大于25db，插入损耗S21，S31分别为3.15db，3.29db，输出相位差在180°左右。模拟结果与实际测量得到的结果基本一致，验证了设计的理论是正确的，结果如图1.4。
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图1.3 文献[7]中提出巴伦结构实物与仿真图
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图1.4 文献[7]中提出巴伦结构仿真与实测结果
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