高集成射频模块巴伦详解

Mark Gorbett, Microwave Assurance公司

如今，为了满足日益增长的高级系统集成的需求，设计多芯片模块的RF/MMIC工程师需要进行“电路级”电磁仿真和建模。除典型主动元件外，具有完整系统级功能的模块还需要被动支持电路。这些被动元件通常包括如下电路：90度耦合器，180度的耦合器，同相耦合器，滤波器，双工器和传输线结构。

巴伦(Balun)是高频电路设计中非常重要的支持电路。180度巴伦是异质结双极晶体管（HBT）以及假晶高电子迁移晶体管(pHEMT)推挽放大器，平衡混频器，平衡倍频器，移相器，平衡调制器，偶极子源，针对差分信号的非平衡差分转换器和许多其他应用的一个重要元件。此外，模拟电路需要平衡输入和输出以减少噪音，尽量减少高次谐波并提高电路的动态范围，模拟电路也可从这种巴伦结构中获益。

马卡德巴伦的起源

根据定义，巴伦是用来连接平衡或差动传输线电路和不平衡或单端传输线电路的一种变压器。近年来，已经开发出了几种不同的巴伦结构；然而，对传输线式巴伦的全新关注，更强调了这种巴伦必须是平面的，紧凑的并更适合于混频器和推挽功率放大器。此外，有几种巴伦已应用于微波集成电路(MIC)和单片微波集成电路(MMIC)。

最流行的是马卡德巴伦的平面版本，因为它容易实现，并提供宽带宽。由于改善了相位和振幅平衡，马卡德巴伦拥有比其他巴伦设计更宽的带宽。从典型巴伦设计展望马卡德巴伦的发展，便可以解释为什么马卡德巴伦拥有优越的实体设计和测量结果。图1a为典型巴伦设计，图1b为巴伦原理图。

图1 典型巴伦的实体设计和原理图

当中心导体和内导体之间的射频电流处于理想均衡状态时，图中的同轴巴伦效果最佳。另一方面，同轴屏蔽上的电流可在屏蔽内外流动。随着屏蔽外的电流增多，平衡端口之间的振幅和相位平衡将会降级。图2说明了同轴巴伦的原理图以及180度端口有接地特性阻抗和同轴电缆的外护套屏蔽相应的共振频率。

该巴伦的振幅和相位平衡随着接地护套阻抗的变化而变化。通过增加同轴电缆的一个“平衡”部分，可以改善振幅和相位平衡，以此来优化该巴伦结构，如图2a所示，其原理图如图2b所示。

图 2：用"平衡"部分优化巴伦