在频率较高的情况下(大于1GHz),LC巴伦由于电感,电容的寄生效应,自谐振频率等影响,性能将变差,而在高频上,用微带线设计的巴伦在性能,尺寸上都比较理想,本文讲解在较高频率上如何设计微带线巴伦并进行ADS仿真。
微带巴伦的结果如下所示:
微带线A的长度为0.5个波长,微带线B的长度为0.25个波长,波长为在实际基板上的信号波长,需要考虑基板的介电常数。
巴伦的性能和所用的节数有关系,节数越多,频宽越宽,不过节数越多,尺寸也越大,上图为4节微带线巴伦。
下面分别用ADS对一节,两节,三节微带线巴伦进行仿真。
一节微带线巴伦:
仿真结果:
仿真结果可见相位在很大频宽内都保持180°正交,幅度在100MHz范围内基本两路平衡输出保持一致,插损在0.5dB左右。
二节微带线巴伦:
仿真结果:
仿真结果可见相位在很大频宽内都保持180°正交,幅度在200MHz范围内基本两路平衡输出保持一致,插损在0.5dB左右。
三节微带线巴伦:
仿真结果:
仿真结果可见相位在很大频宽内都保持180°正交,幅度在400MHz范围内基本两路平衡输出保持一致,插损在0.5dB左右。
通过仿真发现巴伦节数越高,幅度平衡带宽越大,不过节数对插损基本影响不大。
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微带巴伦设计 林强 张祖荫 摘 要:根据微带耦合线的准TEM模参数,推导出相同耦合线Marchand巴伦须满足的导纳方程,讨论了改善巴伦性能的方法——电容补偿法。ADS仿真结果表明:采用最佳条件选取的耦合线,巴伦的反射系数接近最小,传递系数接近最大;采取电容补偿后,可进一步改善巴伦的性能。最后给出宽边耦合线巴伦的实验结果。结果表明:可用上述导纳方程设计巴伦耦合线的参数。
巴伦是平衡馈电转换器的英文音译,在80年代之前,国内一直称平衡器,直译比音译更容易让人理解。 理解BALUN 就要了解同轴线的传输的基本原理,同轴线同平行线一样是双导体,不过是一个将另一个包覆起来。需要馈送的信号在同轴电缆芯线的外表面和屏蔽层的内表面流动,两个导线的电流以一对平衡的电流形式存在(下图的I1和I2;I1=-I2 ,I1和I2 大小相等方向相反),属于紧耦合状态; (内导体的中心由于高频电流的趋肤效应,没有电流,所以空心有力于降低成本减轻重量,夹钢有利于提升强度) (屏蔽层导体外表面所感应或接触到的高频电流,由于高频趋肤效应业是不会流到内表面,外导体同时起到屏蔽的效果,一般同轴线外导体都会接地)。
外导体上没有电流的说法也是不正确的。网络中任意一节点的电流代数和都是零。有进就有出,平衡的。 同轴线内导体和外导体的对地电阻是不一样的,在同轴结构被破坏的时候(紧耦合的状态消失了),内导体有较高的对地电阻,内导体电流只能流向振子;而外导体对地电阻较低,外导体内侧的电流不能完全流向振子,其中的一部分会流到外导体的表面,向地分流或流动中辐射,向DIPOLE的平衡馈电被打破了。这个时候就需要BALUN 对电流的平衡作矫正。 同轴的屏蔽性使其比平行线更容易实现平衡馈电,所以胡树豪先生建议摒弃同轴式电缆非平衡馈电的说法,(同轴在形式上虽然不象双线一样对称,但传输的时候,很好的保证了导体对上信号电流的平衡)因为容易引起不甚解的人误会!!
馈电平衡的可以通过以下几个方式定性:是指电流大小相等,方向相反,对地阻抗一致,共模电流为零---这些概念产生出磁耦合式,反向式,对称式,扼流式等的平衡器类型。
衡量BALUN 的指标:工作频率,带宽,承载功率,阻抗变换比,共模抑制比。 (具备阻抗变换的能力,可以说成是BALUN 的一个副业,而且很胜任) 有兴趣的朋友找书来看看。
巴伦是平衡不平衡转换器的英文音译,
原理是按天线理论,偶极天线属平衡型天线,而同轴电缆属不平衡传输现,若将其直接连接,则同轴电缆的外皮就有高频电流流过(按同轴电缆传输原理,高频电流应在电缆内部流动,外皮是屏蔽层,是没有电流的),这样一来,就会影响天线的辐射(可以想象成电缆的屏蔽层也参与了电波的辐射) 因此,就要在天线和电缆之间加入平衡不平衡转换器,把流入电缆屏蔽层外部的电流扼制掉,也就是说把从振子流过电缆屏蔽层外皮的高频电流截断。要达到这样的目的有很多种办法,
一种是高频开路法,在电缆屏蔽层外皮四分之一波长处接一个四分之一波长的套筒(等于效四分之一波长的开路线),因四分之一波长开路线对该频率视为开路,达到截断高频电流的作用,这种办法,工作带宽窄,频率低时四分之一波长套筒就显得很长,适合大功率高频率使用。
另一种是抵消法,想办法使流入的电流大小相等方向相反而互相抵消,应用较多的用磁环三线绕的平衡不平衡转换器就属这种,这种频带较宽,使用但大功率时受磁环磁饱和的限制,适合低频率小功率使用。
再一种是变压器法,通过高频变压器实现平衡不平衡转换,原理就像推挽输出变压器一样,把双向平衡电流变换成但向不平衡电流。变压器可采用磁心或空心绕成,适用大功率使用。
还有一种是抑制法,振子经过一高频扼流圈接电缆屏蔽层外皮,阻止高频电流流向电缆屏蔽层外 皮,此法比较简单,就是把电缆绕十圈左右,绕在磁环上更好,空心也没关系,一般是频率低绕多几圈,频率高小绕几圈。但抑制效果没有前述几种好,因此前面几种多用于专业应用,这种业余应用较多。
要记住的是我们只是截断屏蔽层外皮的高频电流,并不是截断流向屏蔽层的所有高频电流(要这样的话把振子和电缆皮断开就得了),高频电流是在屏蔽层的里面流的。
形象一点可以把电缆想象成水管,本来应该是水都在水管里流,如不加巴伦,水不单在水管里流,而且有一部分还流到管子的外皮。巴伦的作用就是防止跑、冒、滴、漏,迫使水都在水管里流,难言之隐,一用了之!
倒V天线的制作,一是要求架设得尽量高,二是架设的地方要尽 量开阔,三是尽量远离干扰源架设。天线振子HF用一般的电源线(俗称花线)就行,有绝缘皮或裸铜线都影响不大,线选粗一点可提高机械强度和辐射效率(效果并不十分明显,理论上的事),通过修剪振子的长度使天线与电缆匹配(这一步效果是很明显的,值得认真去做)。 VHF可用铝管或铜管,管子的大小视机械强度而定,当然是粗一点有利。 关于BALUN (平衡器)的说明,胡树豪的《实用射频技术》是一本相当不错的书。建议大家学习。